Geçmişten günümüze tren üreticilerinin araç tasarımında yaptığı değişikler ve aerodinamik tasarımın iyileştirilme çalışmaları sonrasında enerji tüketiminin azaldığı, sürüş konforu ve güvenliğin çok önemli olduğunu belirtmişlerdir. İlk üretilen buharlı lokomotifler dikdörtgen düz bir yapıya sahipken gelişen ar-ge çalışmaları ile üretilen yüksek hızlı tren tasarımları mermi şeklinde rüzgar direncini yenecek şekilde tasarlanmaktadır. Günümüzde yüksek hızlı trenler, 300 km/h ve üzerine çıkabilmektedir. Yüksek hızlı araç üreticileri, işletme hızını arttırdığın da işletme maliyetlerinin arttığını görmüşlerdir.
Yüksek Hızlı Trenlerde Aerodinamik Problemler
Yüksek hızlı trenlerde aerodinamik etkileşimler ikiye ayrılmaktadır. Bunlar dış ve kapalı(iç) ortam aerodinamiğidir.
Dış ortam aerodinamiği
Yüksek hızlı tren üreticilerinin araç tasarımında dikkate aldığı en büyük sorunlardan biri aerodinamik sürüklenme katsayısıdır. Dış ortamda araca etkiyen aerodinamik sürükleme aracın burun ve kuyruk kısmı, araçlar arası geçişlerde ki körük boşlukları, pantograf ve boji alt ekipmanları ile ilişkili olarak değişiklik göstermektedir. Yüzeyde yapılan iyileştirmelerde türbülansın azaldığı görülmüştür ve yapılan ölçümlerde, trenin burun kısmında yapılacak uzatmanın basınç değişimlerini büyük ölçüde azalttığı tespit edilmiştir. Japonya’da işletilen 700 serisi Shinkansen trenlerinde yapılan dış aerodinamik iyileştirmelerle gürültü seviyesinde önemli değerde azalmalar sağlanmıştır.
Balastlı demiryolu üzerinde işletilen hızlı trenleri tehdit eden bir diğer konu ise balast uçmasıdır. Balast uçması olarak tabir edilen yüksek hız ve aerodinamik etki ile havalanan balastların araçların alt aksamlarına (aks, tekerlek, boji ekipmanları, antenler vs.) zarar verdiği tespit edilmiştir. İşletmecilik hızının 140 km/h’ den fazla olduğu durumda hızlı tren hattındaki balast seviyesinin traversin 40-60 mm aşağıda olması balast uçmasını engellemektedir.
Kapalı (İç) Ortam Aerodinamiği
a) Tünellerde Basınç dalgaları
Tünel içerisinde hızlı trenlerin geçişiyle oluşan hava akımları, trenlerin tünele girişi ve çıkışı boyunca değişiklik gösterir. Hızlı tren çevresinde tetiklenmiş hızlı hava akımları, hem araçlara hem de tünel ekipmanlarına (kapılar, kalo destekleri, sinyalizasyon malzemeleri vs.) etki eder.
b) Tünellerde Aerodinamik Sürükleme
Tünel içerisinde hızlı trenlerin geçişiyle oluşan hava akımları, trenlerin tünele girişi ve çıkışı boyunca değişiklik gösterir. Hızlı tren çevresinde tetiklenmiş hızlı hava akımları, hem araçlara hem de tünel ekipmanlarına (kapılar, kalo destekleri, sinyalizasyon malzemeleri vs.) etki eder. Bu etkiyi azaltmak için hızlı tren aerodinamik tasarımcıları tren baş kabinlerinin bulunduğu araçların burun kısmını uzatmanın, keskin basınç akımlarını tünel giriş ve çıkış anlarında azalttığını tespit etmişlerdir.
Aerodinamik Kuvvetleri Tespit Etme Yöntemleri
Araç aerodinamiğini tespit etmek için birçok teknik geliştirilmiştir.
1. Gerçek Boyutlu (1:1 ölçekli) Testler
Gerçek boyutta yapılan testler bu yöntemler içerisinde en uzun ve maliyeti en yüksek olan test çeşididir. Test koşullarını oluşturmak uzun zaman alabileceği gibi, sonuçlar beklendiği şekilde doğru ve ayrıntılı elde edilemeyebilir. Uluslararası normlardan TSI Hızlı Trenlerde karşılıklı işletilebilirlik standardında gerçek zamanlı testler yapılırken, ölçümü alınacak verinin doğruluğunu sağlamak için aynı koşullarda alınmış 20 adet veri ve bunların en az %50’sinin maksimum hızın ±5% sapmada, %100’ünün de ±10% sapmada ölçülmüş olmasını şart koşmuştur.
2. Düşük Ölçekli Testler
Son zamanlarda kullanılan yöntemlerden biri olan bu test, ölçeklenmiş rüzgâr tüneli olarak düşünülebilir. Test hattı oluşturulan ve değişik ölçeklerde küçültülen tren setleri, tüneller ve platformlar ile araç ve dış ortamın aerodinamik olarak etkileşimleri ve araca etkiyen aerodinamik kuvvetleri tespit etmek kolaylaşmaktadır.
Araştırmacılar, Birmingham Üniversitesi tarafından oluşturulan hareketli test teçhizatı ile ETR 500 tipi 1:25 ölçekli yüksek hızlı tren ile 277 km/h hıza kadar açık alanda, tünelde, platform ve karşılıklı tren geçişlerinde testler yapılmıştır. Bu sonuçlar, gerçek zamanlı yapılan testlerle ve teorik testlerle karşılaştırmış ve uyum içinde olduğu tespit etmiştir.
Alman Uzay Merkezi (DLR) tarafından oluşturulan katapult sisteminde ise 360 km/h’za ulaşan ICE 3 modeli 1:25 ölçekli hızlı trenin 60 m uzunluğunda olan test hattında aerodinamik davranışlarını incelemek için kurulmuştur. Yeni nesil tren (NGT) adı verilen çift katlı yüksek hızlı trenin farklı koşullarda aerodinamik davranışları ölçülerek optimize edilmektedir.
3. Rüzgar Tüneli Testleri
Rüzgar tüneli testinin çalışma prensibi, hareketsiz halde duran bir nesneye büyük fanlar aracılığıyla hava akımı gönderilmesinden oluşmaktadır. Bu hava akımı ile sabit konumda olan gözlemci, araca etkiyen aerodinamik kuvvetleri ölçebilmektedir. İlk olarak otomobillerde kullanılan bu yöntem daha sonra uçak ve demiryolu araçları için yaygın olarak kullanılmaya başlamıştır. Bu yöntem ile dış ortamda trene etkiyen aerodinamik kuvvetler, çapraz rüzgar akımları ve hava akımı etkileri incelenmiş ve başarılı sonuçlar elde edilmiştir.
4. Teorik Testler
Bilgisayar teknolojisinin çok hızlı bir şekilde gelişmesi bugün bize sanal ortamda, gerçek zamanlı test şartlarında elde edemeyeceğimiz koşulları yaratmamızı sağlamaktadır. CFD (Hesaplamalı akışkanlar dinamiği) yöntemi olarak da bilinen, bilgisayar destekli akışkanlar dinamiği yöntemini kullanarak trenlere etkiyen sürükleme ve çapraz rüzgar kuvvetleri, hava akımı etkileri ve basınç değişimleri tespit edilmektedir.
Araştırmacılar, yüksek hızda ve klasik test koşullarında oluşturamayacağımız hareketli çevre koşullarını 3 boyutlu olarak simule etmektedir. Simule edilen koşullar gerçek zamanlı ve küçük ölçekli test enstrümantasyonlarından elde edilen sonuçlarla karşılaştırılarak doğrulukları incelmiş ve uluslar arası standartlarda yerlerini almıştır. RANS (Ortalama Reynolds Navier-Stokes), LES (Large Eddy Simulasyonu), DES (Birleşik Eddy Simulasyonu) bu metodlardan en sık kullanılanlarıdır.