新幹線騒音低減技術の開発

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1 第 3 回次世代スパコンについて知る集い 2010 年 6 月 12 日 at 日本未来館 未来の新幹線づくり 静かな新幹線車両をめざして JR 東日本研究開発センター先端鉄道システム開発センター 栗田健

2 JR 東日本の新幹線ネットワーク 秋田新幹線 (127.3km) ( 新在直通タイプ ) 新函館へ 新青森 八戸 東北新幹線新青森延伸 (2010 年 12 月 ) 北陸新幹線金沢延伸 山形新幹線 (148.6km) ( 新在直通タイプ ) 秋田 新庄 盛岡 上越新幹線 (303.6km) 上越富山へ長野 新潟 高崎 福島 山形 新潟 仙台 東北新幹線 (631.9km) 大宮 長野新幹線 (117.4km) 上野 東京 現在 営業キロ 新在直通タイプ km km 将来 営業キロ 新在直通タイプ km km

3 速度 (km/h) JR 東日本おける高速化の歩み km/h (1982 年 ) 国鉄 319km/h (961 系 1979 年 ) 240km/h (1985 年 ) 425km/h(STAR 年 ) JR 試験最高速度 398km/h 345.8km/h(400 系 1991 年 ) FASTECH360(2005 年 ) 320km/h (2013 年 ) 275km/h(1990 年 ) 営業最高速度 300km/h (2011 年 ) 東北上越新幹線開業 東北新幹線上野開業 東北新幹線東京開業 山形新幹線開業 秋田新幹線開業 長野新幹線開業 東北新幹線八戸延伸 東北新幹線新青森延伸 年

4 新幹線高速化の技術的課題 走行速度の向上駆動システム粘着集電系システム など 信頼性の確保台車及び台車部品ブレーキシステム自然災害に対する安全性 構造物強度 など 騒音の低減 騒音の低減トンネル微気圧波の低減 地盤振動の低減地盤振動の低減 環境との調和 など など 左右 上下振動の低減曲線通過時の乗心地向上車内静粛性の向上 アメニティーの高い室内 など 快適性の向上

5 騒音の低減

6 新幹線の騒音源 集電系音 車両上部空力音 車両上部からの空力音 パンタグラフ空力音 スパーク音 摺動音 先頭部空力音 構造物音 構造物の振動放射音 車両下部音 車両下部 台車からの空力音 転動音 ギア音

7 集電系音対策 E2 系 1000 番代搭載パンタグラフの音源探査 風 PS207 型パンタグラフ 風洞実験結果 (1kHz 帯域 )

8 集電系音対策新型低騒音パンタグラフ 台枠中央の部材集中を解消 主枠の片持ち支持 ( くの字 主枠型パンタグラフ ) さらに中間ヒンジ省略 見かけ上 一本の主枠に ( 一本 主枠型パンタグラフ ) (a) くの字 主枠型 (PS9037) (b) 一本 主枠型 (PS9038)

9 集電系音対策パンタグラフ遮音板 &1 パンタグラフ集電走行 パンタグラフ配置 使用方法 上昇パンタ 降下パンタ 上昇パンタ 降下パンタ FASTECH360S FASTECH360Z パンタグラフ遮音板 多分割すり板 走行方向 ( 下り走行の場合 ) すり板 ばね

10 車両下部音対策車両下部吸音構造 車両下部音の低減 多重反射音 車体下部に吸音パネルを取り付け吸音する 車体下部 吸音パネル パンチングメタル + ハニカムコア + パンチングメタル 多孔質材 吸音パネルの構造 側スカート部 床下フサギ板 車両への吸音パネルの取り付け状況

11 トンネル微気圧波の低減

12 トンネル微気圧波とは 圧縮波の形成伝播放射 Train Entrance Tunnel Exit Sound Velocity 圧縮波 p(t) 微気圧波 P(t) 微気圧波の発生メカニズム

13 トンネル微気圧波とは トンネル内圧力と圧力勾配 圧力 p 圧力勾配 dp/dt 時間 t 時間 t トンネル微気圧波 P の大きさはトンネル出口の圧力勾配 dp/dt ( 圧力の時間変化率 ) の最大値に比例する P (dp/dt) max

14 トンネル微気圧波低減の考え方 ピークを平坦にする 車両先頭部形状 緩衝工の最適化 圧力勾配 面積を減らす 車体断面積の縮小 時間 時間幅を拡大する 先頭車両のロングノーズ化 緩衝工の設置 延伸

15 営業車両の先頭形状比較 車体断面積 (m 2 ) 先頭部長さ (m) 200 系 E2 系 系 : 最高速度 240km/h (1982~) E2 系 : 最高速度 275km/h (JR 東日本の最新営業車両 )

16 軸対称 CFD による先頭形状の最適化 トンネル 開口部 緩衝工 列車モデル 開口部幅 開口部 CFD とは Computational Fluid Dynamics の略で 流体支配方程式をコンピュータを使って 数値的に解くこと

17 断面積 (m 2 ) 軸対称 CFD による先頭形状の最適化結果 E2 系 12 FASTECH360S (Stream-line) FASTECH360S (Arrow-line) E2 TYPE1 TYPE 先頭からの距離 (m)

18 3700 mm 3650 mm FASTECH360S のトンネル微気圧波対策 車両断面積の縮小 ( 客室スペースの確保 ) E2 系 11.2 m2 FASTECH360S 10.8 m2 先頭部長さ :16 m ロングノーズ化 先頭部長さ 16m 2 つの先頭形状 Arrow-line & Stream-line 8 号車 Arrow-line 1 号車 Stream-line E2 系の先頭部長さ : 9.1 m

19 E5 系量産先行車 (FASTECH 技術の主な反映項目 ) パンタグラフ パンタグラフ遮音板 E954 形式アローライン先頭形状 全周ホロ スノープラウ形状 車体 制御器 新型アクチュエーターによる動揺防止 動揺検知 センサ 台車 ブレーキ装置 車体側スカート吸音パネル 車体傾斜装置 動揺防止制御装置 ( 電気式 )

20 空力騒音低減のアプローチ 音源探査 知識と経験に基づく複数の対策案 風洞実験 ( トライ & エラー ) 現車試験 これまで目立っていた音源は対策済み 転換へ 風 風 空力騒音発生メカニズムの解明およびそれに基づく対策策定 1. 音源となる流体現象把握 実験では困難 CFD による流れ場の空間情報把握 2. 発生メカニズムに基づく対策案策定 CFD ( 風洞実験 ) 現車試験

21 スーパーコンピュータを使った 解析事例 1

22 車間部 ( 車両連結部 ) 空力騒音シミュレーション メッシュ数 :1 億 5000 万要素 (6 面体要素 ) コンピュータ : 地球シミュレータ ( スーパーコンピュータ ) 計算コード :FrontFlow/blue( 革新的シミュレーションソフトウェアの研究開発 プロジェクト このシミュレーションは文部科学省平成 18 年度先端大型研究施設活用プログラム 地球シミュレータ戦略活用プログラム の一環として実施した

23 シミュレーション結果 (1 億 5000 万点要素 ) このシミュレーションは文部科学省平成 18 年度先端大型研究施設活用プログラム 地球シミュレータ戦略活用プログラム の一環として実施した

24 シミュレーション結果 (2500 万点要素 ) このシミュレーションは文部科学省平成 18 年度先端大型研究施設活用プログラム 地球シミュレータ戦略活用プログラム の一環として実施した

25 音源分布 低周波域 このシミュレーションは文部科学省平成 18 年度先端大型研究施設活用プログラム 地球シミュレータ戦略活用プログラム の一環として実施した 高周波域 騒音予測

26 PSD [db/δf] 空力騒音のスペクトル ( 風洞実験との比較 ) シミュレーション (1 億 5000 万点 ) シミュレーション ( 2500 万点 ) 風洞実験 (1/20 scale model) 現車換算周波数 [Hz] Frequency [Hz] 高周波音まで定量予測するためにはスーパーコンピュータが必要である シミュレーションの産業利用の可能性を示すことができた

27 スーパーコンピュータを使った 解析事例 2

28 パンタグラフ舟体周りの解析 舟体 舟支え 多分割すり板 主枠 ホーン 舟支えカバー メッシュ数 : 約 7000 万要素 (4 面体要素 ) コンピュータ : 地球シミュレータ ( スーパーコンピュータ ) 計算コード :FrontFlow/blue( 革新的シミュレーションソフトウェアの研究開発 プロジェクト

29 パンタグラフ舟体周りの流速変動と圧力変動 流速変動 圧力変動 このシミュレーションは文部科学省平成 20 年度先端大型研究施設戦略活用プログラム 地球シミュレータ産業戦略利用プログラム の一環として実施した

30 スーパーコンピューティングへの期待 より 10 年で 1000 倍処理能力向上 1000 倍詳細な計算ができる ( 複雑形状の計算ができる ) まるごとシミュレーション 1/1000 の時間で計算できる ( 多ケースの計算ができる ) 最適設計

31 スーパーコンピューティングへの期待 シミュレーションと最適化 未来の新幹線車両づくりへ

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