Ketertarikan pada aerodinamika kereta sudah ada sejak bertahun-tahun yang lalu. Padahal aerodinamika kereta jelas berhubungan dengan aerodinamika kendaraan lain, ada berbagai perbedaan penting di dalamnya. Misalnya, aerodinamika pesawat juga melibatkan pertimbangan badan yang ramping, tetapi kereta api beroperasi di daratan, memiliki rasio panjang dan diameter yang jauh lebih besar, melewati struktur yang berdekatan dan satu sama lain, lebih rentan terhadap angin, dan bergerak dengan kecepatan lebih rendah. Kereta di beberapa rute beroperasi di banyak terowongan, dengan konsekuensi masuk dan keluar terowongan.
Masalah aerodinamis dan aeroakustik yang disertai dengan percepatan sistem kereta api, saat ini, menerima perhatian yang cukup besar bagi engineer yang harus segera diselesaikan. Dengan percepatan kereta, banyak masalah teknik yang diabaikan pada kecepatan rendah, dengan kebisingan dan getaran aerodinamis, gaya impuls terjadi sebagai dua kereta berpapasan masing-masing lainnya, gelombang impuls di pintu keluar terowongan, ketidaknyamanan telinga penumpang di dalam kereta, dll. Hal ini adalah faktor pembatas untuk mempercepat sistem kereta api.
Secara umum, aerodinamika kereta api berkaitan dengan hambatan aerodinamis, variasi tekanan di dalam kereta, aliran yang diinduksi kereta api, efek lintas angin, efek tanah, gelombang tekanan di dalam terowongan, gelombang impuls di pintu keluar terowongan, kebisingan dan getaran, dll. Drag/hambatan aerodinamika tergantung pada luas penampang kereta badan, panjang kereta, bentuk badan depan dan belakang kereta, kekasaran permukaan badan kereta api, dan geografis kondisi sekitar kereta api perjalanan. Diinduksi oleh kereta api arus dapat memengaruhi penumpang di peron dan juga terkait dengan luas penampang kereta api badan, panjang kereta, bentuk badan depan dan belakang kereta, kekasaran permukaan badan kereta, dll.
Karakteristik aerodinamis kereta api cukup berbeda dengan pesawat terbang. ada banyak ciri-ciri aerodinamika kereta api kecepatan tinggi, seperti panjang kereta sangat panjang, kereta berjalan dekat dengan struktur yang berdekatan, melewati terowongan, dan berpapasan dengan kereta api lain, kereta berjalan di sepanjang jalur kereta api tetap, selalu berinteraksi dengan tanah, dan kereta bisa dipengaruhi oleh angin lintas/crosswind. Dengan demikian, aerodinamika yang telah diterapkan pada pesawat terbang, mungkin tidak dapat membantu untuk pemahaman rinci tentang aerodinamika kereta api.
Ada dua parameter dasar yang menggambarkan aliran fluida pada objek kereta yaitu Bilangan Reynolds (Re) dan viskositas (μ) pada. Bilangan Reynolds menunjukkan transisi antara dua arus kondisi lapisan batas. Perilaku dari lapisan fluida sangat dipengaruhi oleh tekanan yang bervariasi sepanjang arah aliran.
Re = ρVL/μ
Secara teknis, penghalang aerodinamis kereta api desain dibagi menjadi dua kategori, yaitu: koefisien drag/hambatan (Cd) dan gaya angkat/lift (Fl).
Koefisien Drag (Cd)
Koefisien drag adalah aerodinamis horizontal drag yang tergantung pada parameter massa jenis fluida (ρ), kecepatan fluida untuk mencapai badan kereta api (V), dan luas bagian frontal/depan kereta api (A). Desain bodi kereta api yang ideal bertujuan untuk menghasilkan koefisien drag terendah beserta menghasilkan yang tinggi akselerasi dan penghematan bahan bakar yang besar.
Cd = (2Fd)/(ρ V^2 A)
Lift Force/Gaya angkat (FL)
Parameter lift force (FL) digunakan untuk menyelidiki pengaruh aerodinamis pada berat kereta. Hal ini akan mengubah konsumsi bahan bakar dan kestabilan badan kereta api. Nilai FL yang sangat tinggi akan mengganggu kestabilan badan kereta sedangkan nilai FL yang sangat rendah akan membutuhkan lebih banyak bahan bakar. Kombinasi stabilitas, kecepatan, dan kebutuhan akan bahan bakar adalah titik temu menentukan jumlah FL yang harus disajikan dalam uji aerodinamis kereta api.
FL = 0.5 (ρ V^2 A)
Untuk kinerja aerodinamis pada kereta api, pengujian model dengan simulasi dapat diterapkan. Modelnya didesain menggunakan bentuk model 3D CAD. Simulasi dengan Computational Fluid Dynamics (CFD) digunakan untuk menentukan nilai gaya drag dan koefisien drag, lift force, dan distribusi tekanan di sekitar kepala, gerbong, dan ekor kereta api. Metode yang digunakan adalah Detached Eddy Simulation (DES) dengan algoritma campuran antara Reynolds Averaging Equation (RANS) dan Large Eddy Simulation (LES).
Langkah pertama yang dilakukan pada metode CFD adalah mengumpulkan data sebagai informasi awal untuk merancang 3D CAD dari model kereta api yang ada. Setelah model kereta api selesai, langkah selanjutnya adalah mendefinisikan domain fluida dan kondisi batas. Selain itu, informasi tentang kondisi lingkungan tersebut seperti suhu, kelembaban relatif, kecepatan udara, arah udara, dan tekanan udara yang dibutuhkan untuk input pada simulasi CFD. Hasil simulasi CFD akan digunakan sebagai masukan dari simulasi. Di tahap akhir, dilakukan proses diskusi untuk menyampaikan semua hasil simulasi dan diskusikan kinerja aerodinamis dari berbagai skenario kecepatan kereta api.
Kontributor: Daris Arsyada
Sumber:
Sugiono, A. Sedaju, O. Novareza, dan D. H. Sulistyorini. (2020). Investigating the Impact of Train Shape on the Aerodynamics Performance of Medium-Speed Trains. TEST Engineering & Management 82: 12272 -12278.
Raghu S. Raghunathan, H.D. Kim, dan T. Setoguchi. (2002). Aerodynamics of High-speed Railway Train. Progress in Aerospace Sciences 38: 469–514.
D. S. Tulaganovich. (2020). Study Of Air Flows Around A High-Speed
Train. Palarch’s Journal Of Archaeology Of Egypt/Egyptology 17(7) ISSN 1567-214X.
