Virtual homologation of high-speed train aerodynamics: experimental and numerical studies

Interest in the aerodynamics of trains has grown in the last 30 years, especially with the introduction of new high-speed rolling stock. The necessity to increase run safety and train interoperability between European countries has led to define standards like CEN and TSI. Thus, a new train that is designed to run on the European high-speed line must fulfil requirements on its aerodynamic behaviour defined in the TSI. The requirements usually ask for full-scale experiments or experimental tests on reduced-scale models in wind tunnel or moving model test rig. Especially for full-scale experiments, the cost for homologation tests is very high since they have to be carried out during the night in absence of commercial traffic and performed several times over a long stretch of the line in order to consider the different features that could be encountered such as slope, tunnels, curves and different infrastructures. In the present research an investigation of the possibility to rely on virtual homologation, consisting of CFD methods and wind tunnel tests, to simplify homologation procedures with respect to three aerodynamics features of high-speed trains is performed. Regarding the effect of the wind acting transverse to the train, called crosswind, both reduced-scale models in wind tunnel and CFD simulations are already provided by the CEN norm. However, both the approaches do not take into account of the relative motion between the train and the infrastructure when the wind is blowing. Neglecting this effect may have an impact in the definition of aerodynamic force coefficients. In this study, the quantification of the differences in the coefficients has been investigated by means of CFD simulations with a moving reference frame approach, considering different infrastructure scenarios: the Single Track Ballast and Rail (STBR) and the 6m high embankment (EMBK). The comparison between the results of the simulations with still and moving models highlighted that considering the relative motion between the train and the infrastructure lead to larger aerodynamic coefficients. The variation is larger the larger is the infrastructure dimension with respect to the train dimension. Regarding the effect of the wind generated by the train passing trackside structures and people, called slipstream, TSI standard requires at least 20 independent full-scale measurements with major restrictions on environmental and infrastructure conditions. These tests are very expensive both in terms of time and costs. In the present work the possibility to study the slipstream problem using a still model in wind tunnels will be investigated. The benefits from working on a still model in a wind tunnel are that ambient conditions can be controlled during all the test runs and it is possible to avoid the problem of small measuring time, but an appropriate measuring system should be adopted. In this case CFD simulations can be used as a useful tool for designing the wind tunnel experiment and testing different solutions in advance. Since the slipstream strongly depends on the generated turbulence, a DES numerical model has been applied, in order to capture the smaller flow structures that form near the surface the train with an adequate computational effort. Different CFD models have been developed and the results have been compared to the full-scale measurements. It was found that the boundary layer on the ground and the ballast plays an important role for the slipstream assessment. The wind tunnel set-up has been defined according to these information and it was found that WT measurements overestimate the numerical results. The flow generated in the underbody region of the train lead to a phenomenon called ballast lifting and it has been recognised in the TSI as an "open point". Ballast pick-up depends not only on the train underbelly geometry but also on the track conditions, so there are many parameters that need to be taken into account. In order to better understand this phenomenon, an experimental set-up has been defined to measure air flow and forces in the train underbody region during different test campaigns. Then a numerical CFD model, composed of a full-scale model of ETR500 put on the STBR scenario, has been defined to simulate the undercar flow. Effects of ballast stones and sleepers have been taken into account through rough wall functions. Results showed a good agreement between experimental measures and numerical model, both in terms of velocity profile and of forces acting at the ballast level.

Negli ultimi 30 anni l’interesse nel campo dell’aerodinamica dei treni è cresciuto, specialmente con l’introduzione dei nuovi treni alta velocità. La necessità di aumentare la sicurezza di marcia e l'interoperabilità tra i vari paesi europei ha portato a definire delle norme (CEN e TSI). Perciò il progetto di un nuovo treno che possa funzionare sulle linee europee ad alta velocità deve avere un comportamento aerodinamico che rispetti i limiti definiti nella TSI. I requisiti di solito prevedono esperimenti al vero o prove sperimentali su modelli in scala ridotta in galleria del vento. Soprattutto per gli esperimenti al vero, il costo per le prove di omologazione è molto alto dal momento che devono essere effettuati durante la notte in assenza di traffico commerciale ed eseguiti più volte su lunghi tratti di linea, al fine di considerare le diverse caratteristiche come gallerie, curve e diverse infrastrutture. Obiettivo del presente lavoro di ricerca è valutare la fattibilità e la validità di un’omologazione virtuale, che consiste di metodi CFD e test in galleria del vento, per semplificare le procedure di omologazione per quanto riguarda tre aspetti aerodinamici dei treni ad alta velocità. Per quanto riguarda l'effetto del vento che agisce trasversalmente al treno, chiamato crosswind, la normativa CEN prevede sia l’utilizzo di modelli in scala ridotta in galleria del vento che simulazioni CFD. Tuttavia, entrambi gli approcci non tengono conto del movimento relativo tra il treno e l'infrastruttura. Trascurare questo effetto può avere un impatto nella definizione dei coefficienti di forza aerodinamici. In questo studio, la quantificazione delle differenze nei coefficienti è stato studiato attraverso simulazioni CFD con un approccio basato su un sistema di riferimento relativo, considerando diverse infrastrutture: il Single Track Ballast and Rail (STBR) e terrapieno alto 6m (EMBK). Il confronto tra i due modelli ha evidenziato che trascurare il moto relativo tra treno ed infrastruttura porta ad una sottostima dei coefficienti aerodinamici. La variazione è più grande quanto più grande è il rapporto tra la dimensione dell’infrastruttura e quello del treno. Per quanto riguarda l'effetto del vento generato dal passaggio del treno su strutture binari e persone, chiamato slipstream, la normativa TSI richiede almeno 20 misurazioni al vero con grosse restrizioni sulle condizioni ambientali e infrastrutturali. Questi test sono molto costosi sia in termini di tempo e costi. Nel presente lavoro viene indagata la possibilità di studiare il problema utilizzando un modello fisso in galleria del vento, con vantaggi notevoli, come ad esempio il controllo totale delle condizioni ambientali ed la possibilità di avere un’adeguata finestra temporale di acquisizione. Le simulazioni CFD vengono utilizzati per progettare l'esperimento in galleria del vento, testando diverse soluzioni. Poiché la scia dipende fortemente dalla turbolenza generata, è stato adottato un modello numerico DES per catturare le strutture turbolente più piccole che si formano vicino alla superficie del treno con un adeguato sforzo computazionale. Diversi modelli CFD sono stati sviluppati ed i risultati sono stati confrontati con le misure al vero. Si è constatato che lo strato limite a terra svolge un ruolo importante per la determinazione dello slipstream. Sulla base di queste informazioni si è quindi definito un set-up in galleria del vento e si è constatato che le misure WT sovrastimano i risultati numerici. Il flusso generato nella regione del sottoscocca del treno porta ad un fenomeno chiamato ballast lifting ed non è stato ancora regolamentato nella TSI. Il sollevamento del ballast dipende non solo dalla geometria stazione ventre, ma anche dalle condizioni della pista, quindi ci sono molti parametri che devono essere presi in considerazione. Per meglio comprendere questo fenomeno, è stato realizzato un set-up sperimentale per misurare il flusso di aria e le forze nella regione del sottoscocca del treno. Poi è stata definito un modello numerico CFD per simulare il flusso sottocassa, composto da un modello in scala del treno ETR500 messo sullo scenario STBR. Gli effetti delle pietre e delle traversine sono stati modellati attraverso apposite wall-functions che introducono una rugosità equivalente. I risultati hanno mostrato un buon accordo tra le misure sperimentali e il modello numerico, sia in termini di profilo di velocità che di forze agenti a livello delle pietre.