CFD Evaluation of Roof Fairing and Rear Tail Plate Add-Ons for Bus Aerodynamics

على الطريق المفتوح، تُعد الحافلة جسماً ضخماً وفجاً يشق طريقه عبر بحر من الهواء. وبينما تتحرك، لا ينزلق الهواء ببساطة بجانبها؛ بل يضغط على المقدمة، ويهب فوق السطح، ويصارع لملء الفراغ الذي تتركه خلفها. هذا الصراع يخلق قوة تُسمى السحب الديناميكي الهوائي (aerodynamic drag)، والتي تعمل مثل يد خفية تسحب المركبة إلى الوراء. وللاستمرار في الحركة، يجب على المحرك أن يعمل بجهد أكبر، مما يؤدي إلى حرق المزيد من الوقود وإطلاق المزيد من ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي. وبالنسبة للمركبات الكبيرة مثل الحافلات، التي غالباً ما تحمل عشرات الركاب، يمثل هذا المقاومة تكلفة كبيرة، سواء من حيث المال أو التأثير البيئي. وفي أجزاء كثيرة من العالم، ولا سيما في إثيوبيا، تُصنع الحافلات بشكل متكرر عن طريق تركيب هياكل الركاب على شاسيهات الشاحنات. ورغم أن هذه الطريقة عملية، إلا أنها تؤدي غالباً إلى أشكال صندوقية ومستطيلة سيئة جداً في اختراق الرياح. إذ يصطدم الهواء بالمقدمة المسطحة ويعلق في دوامات مضطربة عند الخلف، مما يهدر الطاقة التي كان يمكن استخدامها في الحركة.

لقد عرف الباحثون منذ زمن طويل أن تنعيم هذه الأشكال يمكن أن يساعد. تماماً كما يرتدي السباح غطاء رأس انسيابياً لتقليل المقاومة في الماء، يمكن تزويد المركبات بأجهزة توجه الهواء بشكل أكثر سلاسة. ركزت هذه الدراسة على طراز محدد وشائع من الحافلات المستخدمة في إثيوبيا وطرحت سؤالاً مباشراً: هل يمكن للإضافات البسيطة على سقف الحافلة وخلفيتها أن تقلل السحب بشكل كبير؟ لم يختبر الفريق هذه الأفكار على طريق حقيقي، بل استخدموا محاكاة حاسوبية قوية. لقد بنوا نسخة رقمية من الحافلة ووضعوها داخل نفق هوائي افتراضي، وهو مساحة رياضية حيث يمكنهم مراقبة كيفية تدفق الهواء حول المركبة بسرعات مختلفة. ومن خلال تغيير شكل الحافلة في الحاسوب — بإضافة قطعة منحنية إلى السقف ولوحة مسطحة إلى الخلف — تمكنوا من قياس مدى سهولة مرور الهواء بدقة.

اختبر الباحثون نوعين رئيسيين من الإضافات. الأول كان "مشتت السقف" (roof fairing)، وهو هيكل منحني يُثبت فوق الحافلة يحاكي شكل جناح الطائرة، وتحديداً نصف تصميم يُعرف باسم "NACA 0012 airfoil". والثاني كان "لوحة الذيل الخلفية" (rear tail plate)، وهي لوحة مسطحة تُثبت في خلف الحافلة بزاوية طفيفة، مصممة للمساعدة في إعادة دمج الهواء بشكل أكثر سلاسة بعد مروره فوق المركبة. جربوا هذه الأجهزة بأحجام وزوايا مختلفة، مع تشغيل المحاكاة عند سرعات 60 و80 و100 كيلومتر في الساعة. وكان الهدف هو العثور على المزيج المحدد الذي سيخلق أقل قدر من السحب، وبالتالي يتطلب أقل قدر من الوقود لإبقاء الحافلة في حالة حركة.

أظهرت النتائج أن كلتا الإضافتين قد نجحتا، لكن إحداهما كانت متفوقة بوضوح. فقد ثبت أن مشتت السقف هو الأداة الأكثر فعالية. فعندما قام الباحثون بتركيب مشتت سقف بطول محدد يبلغ 0.5 متر، مع إعادة تشكيل طفيفة لمقدمة الحافلة، انخفض السحب بشكل هائل. فعند سرعة 60 كيلومتر في الساعة، انخفض السحب بنسبة تقارب 28 بالمائة. ومع تسارع الحافلة إلى 100 كيلومتر في الساعة، زاد الانخفاض قليلاً ليصل إلى ما يقرب من 29 بالمائة. كما ساعدت لوحة الذيل الخلفية أيضاً، لكن تأثيرها كان أصغر؛ ففي أفضل تكوين لها، لم تتمكن إلا من تقليل السحب بنحو 25 بالمائة عند أعلى السرعات. وكشفت عمليات المحاكاة أن مشتت السقف يعمل من خلال إبقاء الهواء ملتصقاً بسطح الحافلة لفترة أطول، مما يمنع الدوامات الفوضوية التي تحدث عادةً عندما ينفصل الهواء عن سطح غير انسيابي.

تترجم هذه التخفيضات في السحب مباشرة إلى توفير في العالم الحقيقي. ولأن الحافلة تواجه مقاومة أقل، فإن المحرك لا يحتاج للعمل بجهد أكبر. وقد حسبت الدراسة أنه باستخدام أفضل إعداد لمشتت السقف، ستوفر الحافلة التي تسير بسرعة 100 كيلومتر في الساعة ما يقرب من 10 لترات من الوقود كل ساعة مقارنة بالحافلة القياسية غير المعدلة. وعند سرعة أبطأ تبلغ 60 كيلومتراً في الساعة، ظل التوفير كبيراً بأكثر من لترين في الساعة. وعلى مدار عام كامل، بافتراض أن الحافلة تعمل لمدة ثماني ساعات يومياً، فإن هذه التوفيرات تتراكم لتصل إلى آلاف اللترات من الديزل. وهذا التقليل في استخدام الوقود يعني أيضاً انخفاضاً كبيراً في انبعاثات ثاني أكسيد الكربون. وبالنسبة لحافلة واحدة تستخدم مشتت السقف، قدرت الدراسة أنه يمكن منع انبعاث أكثر من 60 طناً من ثاني أكسيد الكربون سنوياً عند السرعات العالية، وهو رقم يمثل مساهمة ملموسة في هواء أنقى.

لقد كان الباحثون حريصين على ملاحظة أن هذه الأرقام تأتي من محاكاة حاسوبية، وليس من قيادة حافلة فعلية على طريق سريع. وقد تم فحص النموذج الرقمي مقابل بيانات نفق هوائي موجودة لضمان دقته، وكانت النتائج متسقة مع ما يتوقعه المهندسون. ورغم أن الدراسة لم تختبر كل شكل أو حجم ممكن، إلا أنها حددت فائزاً واضحاً بين الخيارات المختبرة: مشتت سقف منحني بسيط بطول 0.5 متر. وتشير هذه النتيجة إلى أنه بالنسبة للحافلات الصندوقية الشائعة في إثيوبيا والمناطق المماثلة، يمكن لتعديل بسيط وغير مكلف أن يؤدي إلى تحسينات كبيرة في كفاءة استهلاك الوقود والأثر البيئي. إن هذا العمل يثبت أنه حتى بالنسبة للمركبات التي لم تُصمم في الأصل مع مراعاة الديناميكا الهوائية، فإن التغييرات الصغيرة في شكلها يمكن أن تحدث فرقاً كبيراً في كيفية تفاعلها مع الهواء المحيط بها.