MACHINES AND MECHANISMS

Investigation of the influence of the aerodynamic characteristics of passenger car bodies on the stability of movement and energy consumption in conditions of high-speed highways

Authors

  • Alexander E. Popov Volga State University of Railway Transport, Orenburg Institute of Railway Transport, 460038, Orenburg, Pobedy Avenue, 14

How to cite

GOST Popov A. E. Investigation of the influence of the aerodynamic characteristics of passenger car bodies on the stability of movement and energy consumption in conditions of high-speed highways // STROITEL'NYE I DOROZHNYE MASHINY. 2025. Vol. 69. No. 9. P. 62-71.
APA Popov, A. E. (2025). Investigation of the influence of the aerodynamic characteristics of passenger car bodies on the stability of movement and energy consumption in conditions of high-speed highways. STROITEL'NYE I DOROZHNYE MASHINY, 69(9), 62-71.

Abstract

The article substantiates the critical role of passenger car body aerodynamics for energy efficiency and safety on high-speed rail lines and aims to quantitatively assess the contribution of key geometric solutions to drag and lateral stability at speeds around 350 km/h; the focus is on the nose fairing shape of the leading car, the design of inter-car articulations, and the degree of underbody enclosure, as well as the influence of crosswind modeled via yaw angle. The methodology is based on parametric CFD analysis(RANS, k-ω SST turbulence model) of an eight-car trainset with wind-tunnel data verification; meshes of 45-65 million elements with a moving ground boundary were used to capture trackbed effects, integral coefficients Cx, Cz, Cy, Cn, Cl were computed, and a series of cases at β=0-15° was evaluated. It is shown that increasing the nose fineness ratio from 1.5 to 2,5 reduces Cx by~33% while simultaneously decreasing Cz, whereas further elongation(to 4,0) yields diminishing returns; sealing inter-car gaps with a full bellows gangway reduces the contribution of a single articulation to Cx by nearly an order of magnitude compared to an open configuration and substantially lowers turbulence and pressure pulsations; fully enclosing the underbody with «skirts» reduces the trainset’s total Cx by~21% and reverses the sign of Cz to negative, generating downforce and improving stability. The integrated application of these measures reduces overall aerodynamic resistance by~34-35% and enables potential traction energy savings of 20-25% in cruise, while the optimized configuration shows an 8-12% decrease in lateral force at the same yaw angle relative to the baseline model; the growth of Cy, Cl, and Cn with increasing β follows a quasi-linear dependence, providing inputs for «wheel-rail» dynamic calculations. The discussion highlights an engineering trade-off: underbody closure degrades passive equipment cooling(temperature rise ~+11 °C), requiring coordination of aerodynamics with thermal management; practical takeaways include targets for nose fineness ratio selection(≈3,0-3,5), total sealing of inter-car transitions, and rational underbody shielding, while future work should account for unsteady tunnel and train-passing effects and implement active flow control.

Keywords

aerodynamic drag inter-car articulations underbody fairings lateral stability energy consumption

References

Антипин Д.Я., Булычев М.А., Расин Д.Ю. Вариант оценки прочностных и динамических характеристик кузовов пассажирских вагонов при продольном соударении// Проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта. материалы научно-технической конференции, посвященной 125-летию Свердловской железной дороги. 2003. С. 106-112.

Бирюков В.В., Калугин М.В., Кулекина А.В., Лангеман Э.Г. Аппаратный комплекс для исследования аэродинамических характеристик подвижного состава электрического транспорта// Транспорт: наука, техника, управление. Научный информационный сборник. 2014. № 6. С. 53-55.

Богданов Н.В., Цыбульский А.Н., Ватулин Я.С., Ватаев А.С. Исследование проблемы работы вентиляции в новых вагонах Петербургского метрополитена// Прогрессивные технологии, применяемые при ремонте рельсового подвижного состава. Сборник трудов X Национальной научно-технической конференции студентов, магистрантов, аспирантов и молодых ученых. СПб., 2025. С. 5-11.

Ведякин Ф.Ф., Ушак В.Н. Влияние технического состояния грузовых вагонов на устойчивость их движения// Повышение динамических качеств подвижного состава и поезда в условиях Сибирского региона. межвузовский тематический сборник научных трудов. Омск, 1998. С. 46-49.

Вильке В.Г. Моделирование, устойчивость и безопасность колесных транспортных средств при высоких скоростях движения: НИР: грант № 05-08-65470. М.: Российский фонд фундаментальных исследований, 2005.

Ворохобин А.В. Повышение устойчивости движения при торможении тракторного транспортного агрегата// Техника в сельском хозяйстве. 2012. № 4. С. 25-27.

Галиев И.И., Нехаев В.А., Николаев В.А., Самохвалов Е.А. Повышение устойчивости движения грузовых вагонов в условиях эксплуатации на замкнутых кольцевых маршрутах// Исследование процессов взаимодействия объектов железнодорожного транспорта с окружающей средой: мат. по рез. прог. фундам. и поиск. науч.-исслед. работ за 2004 г. Под ред. В.Т. Черемисина. Омск, 2005. С. 88-103.

Галиев И.И., Нехаев В.А., Николаев В.А., Самохвалов Е.А., Ушак В.Н. Теоретические и экспериментальные исследования причин неустойчивого движения грузовых вагонов// Исследование процессов взаимодействия объектов железнодорожного транспорта с окружающей средой: мат. по рез. выпол. прог. фундам. и поиск. науч.-исслед. работ за 2002 год. Омск, 2002. С. 11-23.

Ефремова З.Г., Шимановский А.О., Коваленко А.В. Оценка сил взаимодействия колес с рельсами при движении вагона по пути с неровностями// Актуальные проблемы динамики и прочности в теоретической и прикладной механике: сб. науч. ст. Минск, 2001. С. 197-201.

Железнов Е.И. Влияние плеча обкатки управляемых колес тягача на устойчивость малотоннажного автопоезда при торможении// Концепция современного развития автомобилестроения и эксплуатации транспортных средств. Мат. Всерос. науч.-тех. конф. Новочеркасск: Южно-Российский государственный технический университет(Новочеркасский политехнический институт), 2002. С. 27-30.

Кисуленко Б.В. Повышение устойчивости движения автопоездов выбором масс их звеньев: дис.... канд. тех. наук. М., 1983. 167 с.

Коссов В.С., Березин В.В., Быков В.А. Факторы устойчивости порожних вагонов// Мир транспорта. 2012. Т. 10. № 2(40). С. 168-177.

Кошелев В.А. Пассажирский вагон: скорость, связи и свойство устойчивости невозмущенного движения// Бюллетень результатов научных исследований. 2012. № 3(4). С. 63-81.

Кудряшов Е.М. Исследование устойчивости и управляемости буксировщиков карьерных автомобилей: автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук/ Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева. Нижний Новгород, 1993.

Лесничий В.С. Влияние особенностей конструкций, параметров ходовых частей и межвагонных связей на устойчивость движения и ходовые качества вагонов высокоскоростных поездов: дис.... канд. тех. наук. СПб., 1999. 115 с.

Issue

Section

MACHINES AND MECHANISMS

Metrics

209 views
0 downloads
Want to publish with us?
Submit an article

Machine-readable metadata

Similar Articles

1 2 > >> 

You may also start an advanced similarity search for this article.