Wie können pseudo-perforierte Wände den Luftwiderstand von Fahrzeugen in Hyperloop-Röhren verringern?

Beim Betrieb von Fahrzeugen in geschlossenen Röhren entstehen Stosswellen, die mit dem Fahrzeug und den Röhrenstrukturen interagieren können. Besonders gefährlich sind Reflexionsstosswellen, da sie stärker und schneller als einfallende Stosswellen sind und zu kurzzeitigen, starken Luftwiderstandsspitzen führen. Dies beeinflusst die strukturelle Stabilität und erhöht den Energiebedarf des Fahrzeugs. Das Projekt untersucht diese Wechselwirkungen mittels numerischer Simulationen und analysiert dabei auch stossdämpfende Eigenschaften spezieller Rohrwandstrukturen wie poröse oder pseudo-perforierte Medien.

In der untenstehenden Abbildung zeigt die Mach-Zahl-Verteilung am Heck eines Fahrzeugs, das sich mit 200 m/s in einer Tunnelröhre bewegt – vor und nach der Wechselwirkung mit der Reflexionswelle. Die Rohrwände werden dabei mit pseudo-perforierten Strukturen modelliert. Die Simulationen zeigen, dass durch die Anwesenheit dieser pseudo-perforierten Wände die Anordnung der Schrägstosswellen sowie des Überschallbereichs im Heck des Fahrzeugs verändert wird. Zudem verringert sich die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Stosswelle vor dem Fahrzeug, was zu einer verzögerten Wechselwirkung zwischen der Reflexionswelle und dem Fahrzeug führt und somit zu einer weiteren Reduktion des Luftwiderstands beiträgt. 

Diese Arbeit ist Teil des Forschungsprojekts Numerical investigation of shock-attenuation and shock-vehicle interaction inside closed tube with applications in vacuum transport systems, das durch den SNSF-Spark Grant gefördert wird. 

Details und Ergebnisse finden sich im Preprint - der sich derzeit im Begutachtungsverfahren befindet.

Weitere Veröffentlichungen:
Modeling of aerodynamic phenomena and drag for vehicles moving through a low-pressure tube in Hyperloop systems | Physics of Fluids | AIP Publishing