Các bạn đang xem “phần cuối” của loạt bài “Thiết kế khí động lực học tàu hỏa”, để xem “phần 1” vui lòng nhấn vào đây.

TRAIN RIG và công nghệ nhận biết tự động
Khí động lực học chủ yếu nghiên cứu về sự chuyển động của không khí và sự tương tác của nó với các vật thể rắn. Trong sự phát triển của tàu cao tốc hiện nay, việc áp dụng nghiên cứu này vào thực tế đã giảm thiểu tác động của sức kéo khí động lực học trên đầu máy và các toa xe để tiết kiệm năng lượng và nhiên liệu, đồng thời tối ưu hóa hiệu quả và an toàn hoạt động (sau này chủ yếu tập trung vào sự ổn định sức cản gió khi tàu chạy ở tốc độ cao).

Xung áp lực và sóng gây ra bởi tàu điện khi chạy không gian mở và trong đường hầm là trọng tâm của nghiên cứu.Theo giáo sư Chris Baker, giám đốc Trung tâm Nghiên cứu đường sắt và Giáo dục Birmingham, các hiện tượng được định hình trước có thể dẫn đến các vấn đề cấu trúc trên xe lửa và đường ray, trong khi những hiện tượng xảy ra sau khi một đoàn tàu đi vào một đường hầm sẽ tạo ra một làn sóng áp lực, va chạm với không khí và bị đẩy ngược về phía tàu.

Tàu siêu tốc cũng được biết đến với việc sản xuất các tấm rào phát ra sóng âm đặt tại các cửa thoát hiểm đường hầm (lối vào đường hầm được làm rộng ra, các cửa thoát hiểm và các đường dây giảm lực đã được chứng minh có thể giảm thiểu ảnh hưởng của áp lực cao).

Thiết bị TRAIN RIG thuộc sở hữu của trường đại học Birmingham – là một trong ba thiết bị duy nhất trên thế giới, đã được phát triển đặc biệt cho việc thử nghiệm khí động lực học vào đường sắt. Các mô hình tàu được thiết kế với tốc độ lên đến 80m/ giây chạy qua các trạm mô hình hoặc đường hầm. Thiết bị TRAIN RIG được áp dụng nhằm giảm áp lực cao khi tàu chạy trong đường hầm và ngoài trời, sau đó các dữ liệu chi tiết sẽ được sử dụng cho thiết kế đầu máy.

Một nhóm nghiên cứu đến từ đại học Urbana-Champaign ở bang Illinois, Mỹ đang tiến hành việc nghiên cứu cải thiện khí động lực học của tàu vận chuyển hàng hóa sử dụng hệ thống máy nhận biết tự động dựa trên những nghiên cứu vận tải đa phương thức của BNSF Railway từ Chicago đến Los Angeles.

Hệ thống chụp hình ảnh của toàn bộ tàu, được sử dụng để đo lường và phân tích mô hình tải hàng của các container/ toa tàu, bao gồm cả khoảng cách chiều dài giữa chúng và giữa các điểm khí động lực học.

Dữ liệu sau đó được đánh giá lại một lần nữa để xác định hiệu quả tải nặng của mỗi tàu. Hệ số khí động lực học cũng được tính toán sao cho mức tiêu thụ nhiên liệu của tàu có thể được tính bởi phần mềm của TEM. Phần mềm này sử dụng và phân tích các thông số về khí động lực học, trọng lượng, việc điều khiển tàu và các đặc điểm tuyến đường để có thể ước tính mức tiêu thụ nhiên liệu của tàu.

Mô hình tàu điện chạy bằng khí sinh học
Công trình tiên phong này đang được tiến hành tại châu Âu trong lĩnh vực thiết kế tàu chở khách bởi Germany’s Bombardier Transportation. Ra mắt vào năm 2010, tàu ZEFIRO VHS đã đưa ra một chuẩn mực mới trong sức kéo khí động lực học thấp và sự ổn định cao trong nhiều điều kiện ngược gió.

Với thiết kế sử dụng khí sinh học, một phương pháp tự nhiên cho việc nghiên cứu hệ thống kỹ thuật và áp dụng mô hình kỹ thuật điều khiển tinh vi, tàu Bombadier ZEFIRO thành công giảm 25% sức kéo khí động lực học, 15% tổng lượng nhiên liệu sử dụng, đồng thời cũng làm giảm sức ảnh hưởng của gió lên tàu từ 5 đến 7 tấn.

Hệ thống máy tính của Bombardier Transportation hỗ trợ các công cụ kỹ thuật kết hợp 60 thông số khác nhau nhằm đảm bảo cấu hình của đầu tàu và các toa tàu và các giải pháp tích hợp truyền dẫn điện, chuyển hướng trong không gian và bộ phận tạo hình.

Kết quả đạt được ngoài sức mong đợi, thiết kế khí động lực học của ZEFIRO 380, một trong ba dòng thiết kế chính của công ty, tiết kiệm 20% năng lượng. Vào tháng 9, tàu điện hai tầng OMNEO của Bombardier đã được giới thiệu bởi French national operator SCNF.

Dòng sản phẩm ECO4 của viện nghiên cứu công nghệ Đức, OMNEO, kết hợp chặt chẽ những công nghệ mô hình tàu điện tối ưu hóa nhằm giảm tiêu thụ năng lượng xấp xỉ khoảng 3% so với tàu điện hai tầng.

Tương lai của thiết kế khí động lực học thông minh
Xét riêng khu vực châu Á – Thái Bình Dương, sự thay đổi mô hình vận chuyển từ hàng không sang đường bộ, đường biển và đường sắt, đã hạn chế sự phát triển kinh tế tại Mỹ và châu Âu. Nền công nghiệp vận tải hàng không trên toàn thế giới chỉ tăng trưởng ở mức 2,4% giữa năm 2001 và 2013.

Union Pacific xác nhận thiết kế khí động lực học có thể giúp tàu di chuyển 480 dặm với chỉ một gallon (3,8 lít) dầu diesel, bằng với mức nhiên liệu mà một chiếc xe ô tô đi khoảng 200 dặm. Sự giảm sức kéo khí động lực học và sử dụng hiệu quả nhiên liệu đang trở nên ngày càng quan trọng khi vận tải đường sắt là cách thức hiệu quả và tiết kiệm nhất để vận chuyển hàng hóa vào nội địa.

Xu hướng này đã được chứng minh bằng sự tăng lên nhanh chóng lượng hành khách đi tàu điện tại Tây Âu và châu Á, như một cách thay thế tiết kiệm và thân thiện môi trường so với khi di chuyển bằng đường hàng không.

Những đội tàu VHS như Shanghai Maglev và Harmony CRH 380A chạy với tốc độ 350km/h, đã trở thành tiêu chuẩn trong giảm sức kéo khí động lực học để tiết kiệm năng lượng và nhiên liệu, an toàn và hiệu quả với hệ thống điều hành. Đây là những công trình ưu tiên cho các nhà thiết kế và kĩ sư sẽ tiếp tục nghiên cứu nhằm đổi mới công nghệ.

Biên tập bởi TechnologyMAG.net – Hiếu Nguyễn

(Theo Railway – Technology)