※本ブログは、SIMULIA Blog （英語版）で既に発表されたブログの日本語参考訳です。
鉄道の空気力学は、エネルギー効率と燃料消費量に大きな影響を与えます。数値流体力学 (CFD) シミュレーション (PowerFLOW) を使用すると、エンジニアは空気抵抗を最小限に抑えるように列車を設計することができ、風洞試験を行う前に空気力学を解析できます。
鉄道業界は、空気力学と抗力の重要性に最初に気づいた業界の 1 つです。 1930 年代、アメリカのパイオニア・ゼファー、イギリスのマラード、ドイツのフリーゲンダ―・ハンブルガーなどの象徴的な「ストリームライナー」機関車は、抗力を低減した洗練されたデザインのおかげで、時速 160 マイルを優に超える速度を誇りました。その後、日本の新幹線とフランスの TGV の成功により、流線型の「新幹線」の先頭部分が有名になり、今日まで世界中で続いている高速鉄道のルネッサンスのきっかけとなりました。
高速旅客列車における空気抵抗の重要性は明らかです。空力抵抗は速度の 2 乗に応じて増加し、高速では他の抵抗源よりも完全に支配されます。しかし、低速列車、さらには貨物の性能と効率にも影響するものです。
流体シミュレーションは鉄道業界にどのように役立つのか？
シミュレーションとは、数値手法を使用してシステムの物理的動作をモデル化することです。シミュレーション手法は多くの物理分野に存在します。鉄道業界では、鉄道車両の強度とダイナミクスをモデル化するための構造シミュレーションとマルチボディ シミュレーションがよく知られていますが、流体シミュレーション (CFD) も鉄道にとって重要な分野です。
CFD は、固体の周囲や中空体の内部の液体や気体などの流体の流れをモデル化します。流体の流れは、乱流渦、境界層、後流、噴流などの複雑な挙動を引き起こし、工学設計に必要な精度で解決する必要があります。この複雑な動作を捉えるために使用されるシミュレーション技術には、レイノルズ平均ナビエ ストークス (RANS) と格子ボルツマン法 (LBM) があります。
数値流体力学 (CFD) シミュレーションは、鉄道業界がプロトタイプや風洞試験に先立って、設計中に機関車や鉄道車両にかかる抗力を分析し、最適化するのに役立ちます。エネルギー効率の向上は、鉄道運営者が燃料費を削減し、排出目標を達成するのに役立ちます。また、風切り音の低減から空調の最適化まで、鉄道設計の他の多くの分野の分析にも活用されます。この記事では、SIMULIA PowerFLOW が鉄道業界全体で CFD シミュレーションを強化するためにどのように使用されていて、どのように革新的な新しい設計を生み出し、絶え間なく変化する輸送環境でも競争力を維持できるかについて説明します。
鉄道 CFD シミュレーションと PowerFLOW
この記事内で紹介する例は、SIMULIA PowerFLOW 流体システム ツールの格子ボルツマン手法を使用して計算されました。
SIMULIA PowerFLOW は、後流や後流のある列車全体など、非常に複雑な車両の空気力学、空気熱、航空音響シミュレーション用に構築された高忠実度で強力な流体として数十年にわたって開発されました。高度に自動化されており、数千のコンピューティング コアに拡張可能で、複雑で不完全なジオメトリを処理でき、ボリューム グリッドの生成は必要ありません。 PowerFLOW は GPU アクセラレーションをサポートしており、鉄道車両などの非常に大きな問題にも対対応可能です。
列車設計におけるシミュレーションの利点
問題が早期に特定されるほど、その後の修正作業が容易になります。プロトタイプが構築され、追跡テストが開始されるまでにはかなりのリソースが投入されており、設計には多数の依存関係が存在しています。この段階で空気力学的問題が発見された場合、列車の大部分を再設計する必要が生じ、プロジェクトの遅延やコストが大幅増加につながる可能性があります。シミュレーションにより、シフトレフト・アプローチが可能になります。エンジニアは、設計のテストを最後まで待つのではなく、解析を前倒し（タイムライン上で左にシフト）することができ、後期段階での設計変更やコストの増加リスクを軽減することができます。
シミュレーションにより、従来の方法では理解することが困難な影響の原因を明らかにすることもできます。 SIMULIA PowerFLOW は、空気の流れ、熱分布、騒音伝播を可視化する明確な高解像度 3D 視覚化を提供し、エンジニアが問題の根本原因を理解し、効果的な低減方法を開発できるようにします。自動化された実験計画法 (DoE) と最適化により、実験的にテストするのが難しいシナリオを含む多数の異なるシナリオを迅速に調査し、多くの動作条件で効率を最大化するための最適なソリューションを見つけることができます。
電車の風の抵抗を克服する
電車には、前部だけでなく後部、車両や貨車の隙間、電車の下部、電車のパンタグラフ、貨物列車の貨物など、潜在的な抗力源が多数あります。貨物列車は長さが 1 マイルを超え、数百個のコンテナを輸送することがあります。各コンテナは、その背後に形成される乱流渦によるわずかな抗力に寄与し、合計の抗力はかなり大きくなる可能性があります。
鉄道車両メーカーは SIMULIA PowerFLOW を使用して機関車や貨車の合理化を最適化できますが、鉄道会社も SIMULIA PowerFLOW を使用して、さまざまな運用シナリオでパフォーマンスを最適化し、燃料を節約することができます。シミュレーションは、貨物運送業者がコンテナとコンテナ間のスペースを最適に整理し、空気抵抗を低減するための追加の空力修正を選択するのに役立ちます。トラック輸送などの競合業界は、車両の空力特性を改善するためにすでに PowerFLOW を使用しています。つまり、鉄道業界も競争力を維持するには空気抵抗を改善する必要があることになります。
航空音響列車騒音シミュレーション
最初の高速鉄道専用線が運用を開始したとき、近隣住民は銃声のような騒音に苦情を申し立てました。エンジニアは、トンネルを通過するときに列車の前部の空気が衝撃波に圧縮されることに気づきました。機関車は空気力学を変更するために再設計する必要があり、トンネルの入り口はサイレンサーのように機能するフードと穴で保護されていました。航空音響騒音は、電車の主な騒音源の 1 つとなっています。
騒音は、乱気流を引き起こす列車のどの部分でも発生する可能性があります。また、列車の空力後流と橋や架空電化などの線路脇の構造物との相互作用によっても発生します。シミュレーションはこれらの騒音源を特定し、設計者が空気力学的改善や遮断によって騒音を軽減するのに役立ちます。 SIMULIA PowerFLOW には、空力と密接に連携した空力音響シミュレーション機能があります。ユーザーは列車の周囲の任意の場所の騒音レベルを計算でき、さらに列車自体のシミュレートされた騒音を聞いて乗客の体験を正確に理解することもできます。
列車の温度管理と空調制御
エンジン、モーター、変圧器、ブレーキは大量の熱を発生する可能性があるため、高速走行中も停止中のあらゆる気象条件でも効率的に冷却する必要があります。シミュレーションを使用して重機のファンと冷却システムを設計し、エンジン内の空気の流れと熱分布をモデル化できます。 SIMULIA PowerFLOW は、ファンと排気騒音をモデル化することもできます。シミュレーションにより熱障害のリスクが軽減され、エンジニアは目標を達成しながらコストと重量を最小限に抑えるために冷却システムのサイズを適切に調整できるようになります。冷却システムのファンからの騒音もシミュレートして軽減できます。
SIMULIA PowerFLOW は、鉄道車両の運転室および乗客スペース内の暖房、換気、空調 (HVAC) システムの設計にも使用できます。ここでの重要な設計要件には、処理空気の均一な分配、客室の換気、乗客が感じる騒音などが含まれます。
結論
空気力学は鉄道車両の開発において重要な考慮事項であり、低速であっても抗力はエネルギー効率と燃料消費量に大きな影響を与えます。数値流体力学 (CFD) シミュレーションを使用することで、エンジニアは空気抵抗を最小限に抑えるように列車を設計することができ、風洞試験を行う前に空気力学を解析できます。
CFD シミュレーションは、乗客の乗車時のエクスペリエンスを向上させ、地域社会からの受け入れやすい騒音レベルの分析および最適化のためにも使用することができます。 CFD と熱シミュレーションを組み合わせて、機関車システムの熱管理システムを設計したり、HVAC システムが乗客に安全で快適な環境を提供したりするためにも使用が可能です。
SIMULIA PowerFLOW は、鉄道車両開発向けのあらゆる CFD シミュレーション機能を提供します。 PowerFLOW を使用した CFD シミュレーションを設計ワークフローに統合することで、機関車の開発を加速し、燃料効率、適切なサイズの冷却システム、HVAC システムなどの KPI を向上させ、設計コストを増やす可能性のある後期工程における修正ややり直しのリスクを軽減できます。
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3Dソフトウェア市場におけるパイオニアであり、3DとPLMソリューションのワールド・リーダーであるDassault Systèmes（仏）の日本法人です。