Virtual homologation of high-speed trains in railway tunnels : experimental and numerical analysis

The aerodynamic effects that occur when a high-speed train enters and crosses a railway tunnel are different from those observed in open air. Their prediction is important as the pressure variations may be critical for the train structures and for the health and comfort of passengers. European regulations impose pressure thresholds limits which the trains have to comply in order to be homologated for the circulation in tunnels. At the moment full scale tests are required to demonstrate the respect of this constraints. In this work, procedures derived from CFD simulations, experimental observations and compressible fluid dynamics models are proposed to calculate the pressure variations inside the tunnel, in order to proceed to a virtual homologation. Different approaches were investigated: starting from available measures (relative procedure) or only with the train and tunnel geometry (absolute procedure). These strategies were tested on the ETR 1000 train (15 cases with various train speeds and initial conditions in the tunnel) and on the new ETR 1000 in double composition (3 realizations), which at the time this thesis was carried out, it had not been homologated.

I fenomeni aerodinamici che si sviluppano quando un treno ad alta velocità entra e percorre una galleria ferroviaria sono differenti rispetto a quelli osservati in campo aperto. La loro previsione è molto importante in quanto implicano variazioni di pressione che possono risultare critiche per la struttura del treno e per la salute e il comfort dei passeggeri. Le normative europee impongono dei valori limite di pressione, che un treno deve rispettare per poter essere omologato alla circolazione nelle gallerie. Al momento sono richieste prove sperimentali al vero per dimostrare il soddisfacimento di questi vincoli. In questo lavoro sono proposte delle procedure basate su simulazioni CFD, osservazioni sperimentali e modelli di fluidodinamica comprimibile, che permettono la determinazione delle variazioni di pressione in galleria, con lo scopo di procedere ad un omologazione virtuale. Vengono discussi differenti approcci: partendo da dati sperimentali disponibili (procedura relativa) oppure avendo a disposizione solo le informazioni geometriche del treno e della galleria (procedura assoluta). Queste strategie sono state applicate al treno ETR 1000 (in 15 casi differenti con diverse velocità del treno e condizioni iniziali in galleria) e al nuovo ETR 1000 in doppia composizione (in 3 realizzazioni), che durante lo svolgimento della tesi non era ancora stato omologato.