The effects of train roof boundary layer on pantograph aerodynamic uplift force

In high speed operation, the current collection quality is significantly affected by the interaction between the pantograph and the incoming airflow. Indeed, the aerodynamic forces acting on pantograph components can alter significantly the contact force exerted on the electrified overhead line. This effect, known as aerodynamic uplift, depends on various parameters, such as train speed, pantograph working height or fixing position along the train roof. In this work, a previously validated numerical model is used to evaluate the effects of train roof boundary layer on the aerodynamic uplift force acting on a pantograph. This model calculates the uplift by implementing the Virtual Work Principle and using as input the aerodynamic forces and moments deriving from CFD simulations. In particular, the model has been used to analyse the uplift force acting on the 3kV pantographs located on the second and penultimate coach of an Italian high-speed train. Being installed on cars which are very distant from each other, these pantographs are subjected to a flow characterised by a different boundary layer development. Therefore, the effects of boundary layer on the aerodynamic uplift force are highlighted. Finally, a methodology is introduced which allows to estimate the uplift force starting from the longitudinal flow speed profile impacting on a pantograph. This enable a rapid assessment of the influence of pantograph fixing position along the train roof on the uplift. This methodology still uses the Virtual Work Principle to compute the uplift. Nevertheless, the aerodynamic actions are computed using the average flow speed impacting on the single pantograph component and its aerodynamic coefficients. The predictive capability of such methodology is tested for the pantographs object of the previous CFD simulations and consistence with numerical and experimental uplift values is evaluated.

Nell’operazione alle alte velocità, la qualità di captazione della corrente è influenzata in modo significativo dall’interazione tra il pantografo e il flusso d’aria incidente. Infatti, le forze aerodinamiche agenti sui componenti del pantografo possono alterare in modo significativo la forza di contatto esercitata sulla linea area elettrificata. Questo effetto, noto come uplift aerodinamico, dipende da vari parametri, tra cui la velocità del treno, la quota di lavoro del pantografo o la posizione di installazione dello stesso lungo il tetto del treno. In questo lavoro, un modello numerico precedentemente validato è utilizzato per valutare gli effetti dello strato limite generatosi lungo il tetto del treno sulla forza di uplift aerodinamico agente su un pantografo. Questo modello calcola la forza di uplift attraverso l’implementazione del Principio dei Lavori Virtuali e utilizzando come input le forze e i momenti aerodinamici derivanti da simulazioni CFD. In particolare, il modello è stato utilizzato per analizzare le forze di uplift agenti sui due pantografi da 3kV posizionati sulla seconda e penultima carrozza di un treno ad alta velocità Italiano. Essendo installati su carrozze molto distanti tra loro, questi pantografi sono soggetti ad un flusso caratterizzato da un diverso sviluppo di strato limite. Sono stati in questo modo evidenziati gli effetti dello strato limite sulla forza di uplift aerodinamico. Infine, viene introdotta una metodologia che consente la stima della forza di uplift a partire dal profilo di velocità longitudinale del flusso che impatta su un pantografo. Ciò consente una rapida valutazione dell’influenza del posizionamento del pantografo lungo il tetto del treno sulla forza di uplift. Questa metodologia utilizza ancora il Principio dei Lavori Virtuali per il calcolo dell’uplift. Tuttavia le azioni aerodinamiche sono calcolate a partire dalla velocità media del flusso incidente sul singolo componente e dai suoi coefficienti aerodinamici. La capacità predittiva di tale metodologia viene testata per i pantografi oggetto delle precedenti simulazioni CFD e viene valutata la coerenza con i valori numerici e sperimentali di uplift.