Fahrzeuge und Infrastruktur
Tunneldurchfahrten von Hochgeschwindigkeitszügen
Bei der Tunneldurchfahrt von Hochgeschwindigkeitszügen können starke Druckwellen entstehen, die eine Vielzahl an negativen Auswirkungen mit sich bringen können. Hierzu zählt, dass die Strukturen, sowohl des Tunnels als auch des Zuges, durch die starken, plötzlichen Druckänderungen belastet werden. Die Notausgangstüren beispielsweise müssen den starken Drucksprüngen standhalten und daher regelmäßig gewartet, repariert und bei Beschädigungen auch ausgetauscht werden. Auch der Passagierkomfort wird durch die Druckschwankungen beeinträchtigt. Zudem kann es durch die initiale Druckwelle, die bei der Einfahrt des Zugkopfes in den Tunnel entsteht, zum sogenannten Tunnelknall kommen, einem lauten Knallgeräusch, durch das mögliche Anwohner im Gebiet des Tunnelausgangs gestört werden.
Durch die moderne Tunnelbauweise, bei der der Tunnel aus zwei kleinen Röhren mit jeweils einem Gleis für jede Richtung besteht und nicht mehr aus einer großen Röhre mit zwei Gleisen, sowie aufgrund der Notwendigkeit, Doppelstockzüge zwecks Erhöhung der Passagierkapazität einzusetzen, wird das Problem der Druckwellen in Eisenbahntunneln in naher Zukunft immer relevanter werden. Schließlich resultiert aus der größer werdenden Versperrung der Tunnelfläche durch die großen Züge sowie durch die gewünschten höheren Zuggeschwindigkeiten ein Anstieg der Druckamplitude und damit der Lasten auf die Einbauten.
Eine leichte Reduktion der druckbedingten, negativen Auswirkungen könnte durch eine Verlängerung und Geometrieoptimierung des Zugkopfes sowie durch eine Verminderung der Einfahrgeschwindigkeit in die Tunnel erreicht werden. Diese Maßnahmen stehen jedoch im Konflikt mit der Effizienzsteigerung des Schienenverkehrs.
Stattdessen kann ein Tunnel mit einem erweiterten Tunnelportal ausgestattet werden, durch das der Druckanstieg im Tunnel sanfter und damit weniger schädlich für Einbauten und Zug erfolgt.
Mithilfe der Tunnelsimulationsanlage Göttingen (TSG) werden Gegenmaßnahmen wie Tunnelportale oder auch Maßnahmen innerhalb des Tunnels ausgelegt, untersucht und bewertet. Zur Untersuchung stehen eine Vielzahl an Messtechniken wie Druck-, Kraft- oder Geschwindigkeitssensoren und optische Verfahren wie Particle Image Velocimetry (PIV) zur Verfügung. Zusätzlich werden die Druckwellen mithilfe eines theoretischen Modells oder auch mittels CFD abgeschätzt und analysiert. Somit können zahlreiche aerodynamischer Effekte bei der Tunneldurchfahrt von Hochgeschwindigkeitszügen studiert werden.
Instationäre Lasten auf Fahrzeuge
Die Sicherheit und Umweltverträglichkeit sind mitentscheidend für die Wahl eines Transportmittels. Daher werden hauptsächlich Züge, aber auch LKW und PKW während der Entwicklungsphase einer Vielzahl von Tests unterzogen, die die Betriebssicherheit bei starkem Seitenwind sowie einen niedrigen Energiebedarf bescheinigen sollen. Hierbei werden standardisierte Verfahren eingesetzt, um ein möglichst reproduzierbares Ergebnis zu erzielen.
Im realen Betrieb des Fahrzeugs können allerdings – anders als während der Entwicklung untersucht– instationäre Winde bzw. ungleichmäßige und plötzliche Böen auftreten, wodurch sich beispielsweise die Seitenwindanfälligkeit des Fahrzeugs rapide ändern kann. Auch der Energiebedarf eines Fahrzeugs kann sich durch die ungleichmäßige Anströmung erhöhen. Um einen sicheren und energieeffizienten Betrieb von Fahrzeugen aller Art zu gewährleisten, ist eine Untersuchung des Einflusses instationärer Lasten von großer Bedeutung.
Das Fahrzeug kann sowohl mit Bodensimulation mithilfe eines laufenden Bands als auch auf einer Trennplatte untersucht werden. Hierzu stehen fortschrittliche Messtechniken wie im Modell verbaute Waagen, Drucksensoren oder auch optische Messtechniken wie beispielsweise Laser-Doppler-Anemometrie (LDA) oder Particle Image Velocimetry (PIV) zur Verfügung.
Auch Fahrversuche mit ausgerüsteten Fahrzeugen werden zur Analyse der instationären Anströmungen oder deren Auswirkung auf ein bewegtes Auto, einen LKW oder Zug herangezogen. Mithilfe von Computational Fluid Dynamics (CFD) werden zudem die Aufgabenstellungen numerisch und auf den speziellen Anwendungsfall zugeschnitten analysiert.
Adaptive Zuggeometrien
Moderne Züge sind in vielerlei Hinsicht aerodynamisch optimiert. Ein Schwerpunkt des Entwicklungsprozesses liegt auf der Reduzierung des Energiebedarfs eines Zugs, weshalb Drehgestelle, Wagenübergänge und Ähnliches bei Hochgeschwindigkeitszügen oft verkleidet sind. Auch die Formgebung des Zugkopfes ist davon beeinflusst. Dieser muss zudem so gestaltet sein, dass Seitenwindlasten und damit die Wahrscheinlichkeit einer Entgleisung reduziert werden.
Ein Hochgeschwindigkeitszug hat jedoch in der Regel keine ausgewiesene Hauptbewegungsrichtung, da er beispielsweise in Sackbahnhöfen oder im Endbahnhof einer Strecke nicht umgedreht wird, sondern in entgegengesetzter Richtung weiterfährt. Somit ist jeder Zugkopf auch ein Zugheck, was eine Geometrieoptimierung des Kopfes erschwert. Schließlich sind die Voraussetzungen und Anforderungen an Zugkopf und –heck sehr unterschiedlich. Dies kommt auch beim Betrieb in Doppeltraktion oder bei dynamischem Flügeln zum Tragen, wobei sich ein Zugkopf direkt an das Heck des vorausfahrenden Zugs anschließt und ein Zugverbund entsteht.
Durchfährt ein Zug ein Seitenwindfeld, so erfährt er eine asymmetrische Anströmung. Der Zugkopf jedoch ist zumeist symmetrisch gestaltet, da der Seitenwind naturgemäß von jeder der beiden Seiten kommen könnte. Ein Zug könnte also sicherer und effizienter betrieben werden, wenn diese Aspekte Berücksichtigung finden und sich die Zuggeometrie den äußeren Umständen anpassen könnte. Zur Analyse möglicher Geometrieadaptionen kann mittels numerischer oder experimenteller Verfahren das Strömungsbild charakterisiert und somit Positionen für die Adaption identifiziert werden. Durch numerische Verfahren kann der Einfluss kleinerer Änderungen der Geometrie quantifiziert werden. Als mögliche Geometrieänderungen kommen sowohl veränderliche Spoiler oder herausfahrbare Klappen, aber auch eine durch etwaige neuartige Werkstoffe dehn- oder verformbare Außenhülle des Zugs in Frage.