Tunnelwiderstand von Hochgeschwindigkeitszügen

Abstract

Der zunehmende Einsatz von Hochgeschwindigkeitszügen in modernen Verkehrssystemen hat die Bedeutung der Effizienzsteigerung und Energieeinsparung in Tunneln verstärkt. Tunnelbauwerkestellen kritische Bereiche im Schienenverkehr dar, in denen ein erhöhter Luftwiderstand, der sogenannte Tunnelwiderstand, einen deutlichen Energieverlust verursacht. Durch die gezielte Minimierung des Tunnelwiderstands lassen sich erhebliche Energieeinsparungen erzielen unddie Fahrzeiten im Schienenverkehr optimieren. Dies hat nicht nur ökologisch, sondern auch wirtschaftlich eine immense Bedeutung.Diese Arbeit befasst sich mit dem Tunnelwiderstand und dessen Einfluss auf Hochgeschwindigkeitszüge,mit einem besonderen Fokus auf eingleisige, lange Tunnelbauwerke. Dabei werden die physikalischen Grundlagen der Fahrdynamik von Zügen, die Strömungsmechanik und Aerodynamikin Tunneln beleuchtet. Im Anschluss werden bestehende Berechnungsmethoden für die Fahrwiderstände von Zügen, insbesondere Formeln zur Berechnung des Tunnelwiderstands,näher untersucht. Des Weiteren werden internationale Daten und Studien zu verschiedenen Tunnelbauprojekten analysiert und die Einflüsse sowie Auswirkungen des Tunnelwiderstands auf maximale Geschwindigkeiten, erreichbare Fahrzeiten und den Energiebedarf untersucht. Es werden verschiedene Aspekte betrachtet, darunter die Einflüsse der Tunnelgeometrie, der Geometrie von Schienenfahrzeugen, der Fahrgeschwindigkeit und der weiteren Umgebungsbedingungen auf den zusätzlichen Widerstand im Tunnel. Darüber hinaus werden Strategien und Maßnahmen vorgestellt, mit denen der Tunnelwiderstand sowie die begleitenden aerodynamischen Phänomene reduziert werden können. Dabei werden bauliche, fahrzeugtechnische sowie betriebliche Gegenmaßnahmen angeführt.Das Ziel dieser Arbeit ist es, ein vertieftes Verständnis für den Tunnelwiderstand und dessen Bedeutung für den Betrieb von Hochgeschwindigkeitszügen zu vermitteln und eine Grundlage für weiterführende Forschung in diesem Bereich zu bieten.

The growing use of high-speed trains in modern transport systems has increased the importance of improving efficiency and saving energy in tunnels. Tunnel structures are critical areas in railtransportation where heightened air resistance, known as tunnel resistance, causes significant energy loss. Reducing tunnel resistance can result in major energy savings and optimize railtravel times. This is of immense environmental and economic importance.This thesis is about tunnel resistance and its influence on high speed trains, with a special focus on single-track, long tunnel structures. It examines the fundamental physical aspects of trainrunning dynamics, fluid mechanics and aerodynamics in tunnels. Additionally, it provides a detailed analysis of existing methods for the calculation of train running resistance, in particular formulas for the calculation of tunnel resistance. International data and studies from various tunneling projects are analyzed to examine the influences and effects of tunnel resistance onmaximum speeds, achievable travel times and energy demand. Factors such as tunnel geometry,rail vehicle geometry, travel speed and environmental conditions are taken into account to determine the additional resistance in the tunnel. Furthermore, this thesis presents strategiesand measures to minimize tunnel resistance and related aerodynamic effects. These include structural, vehicle engineering and operational counter measures.The aim of this thesis is to provide a deeper understanding of tunnel resistance and its importance to the operation of high speed trains, as well as to provide a basis for further research in this area.