CFD modelling of conventional trains under crosswind conditions

With the improvement in railway technology, trains are becoming faster and lighter, thus increasing the risk of overturning under crosswind conditions. CEN standards for railway aerodynamics were developed to cope for open track phenomena affecting railway vehicles, crosswind among others, in pursuit of Virtual Homologation. To approach these challenges, guidelines on wind tunnel testing or Computational Fluid Dynamic methodologies are established. Characteristic Wind Curves condition vehicle’s lateral stability and are obtained by computing the aerodynamic moment and forces coefficients. The motivation of this thesis lays on proving whether a CFD model validated with high-speed train models given in CEN norms, fulfils as well standards’ 15% error restriction. To achieve this, numerical simulations are performed with OpenFOAM. RANS model in conjunction with kw SST turbulence model is used. A sensitivity mesh analysis is accomplished to determine the best size/accuracy relationship for the grid, where ETR500 results are compared to standards to validate the model. This model is then used to study other three conventional trains: Vivalto, Regionale and Intercity. CFD results where norm compliance for yaw angles below 30 degrees. For greater angles, inherent unsteadiness of the problem limits RANS accuracy. In the case of small yaw angles, similar behaviour among trains was seen, where magnitude of the lateral force coefficient was directly related with vorticity magnitude of the flow at the leeward side. Vortical structures depended on nose shape, fairing geometry and underfloor bypass ratio (BPR_eff). For high values of yaw angle, trains could be grouped in two clusters depending on whether Cmx_lee value dropped (group 1) or remained constant (group 2) with increments in yaw angle. The behaviour proved to depend on the value of BPR_eff, where group 1 had a value below 1 and group 2 a value above. Lastly, minimum CEN guidelines showed not to be sufficient for conventional trains to comply with the standards in the whole range of yaw angles.

Con il miglioramento della tecnologia ferroviaria, i treni stanno diventando più veloci e più leggeri, aumentando così il rischio di ribaltamento in condizioni di vento laterale. CEN normative per l'aerodinamica ferroviaria sono state sviluppate per far fronte ai fenomeni a binario aperto che interessano nel perseguimento dell'Omologazione Virtuale. Per affrontare queste sfide, le linee guida sui test in galleria del vento o i test CFD sono stabilite. Le curve caratteristiche di vento condizionano la stabilità laterale del veicolo e sono ottenute calcolando i coefficienti aerodinamici di forze e momenti. La motivazione di questa tesi consiste nel dimostrare se un modello CFD convalidato con i modelli di treni ad alta velocità previsti dalle norme CEN soddisfa anche la limitazione del 15% di errori. Per raggiungere questo obiettivo, le simulazioni numeriche sono eseguite con OpenFOAM. Viene utilizzato il modello RANS in combinazione con il modello di turbolenza kw SST. Viene eseguita un'analisi di sensibilità sul mesh per determinare la migliore relazione dimensione/precisione per la griglia, dove i risultati dell'ETR500 sono confrontati con gli standard per validare il modello. Questo modello viene poi utilizzato per studiare altri tre treni convenzionali: Vivalto, Regionale e Intercity. Risultati CFD sono normative compliance per angoli di yaw inferiori a 30 gradi. Per angoli maggiori, l'instabilità intrinseca del problema limita la precisione RANS. Nel caso di piccoli angoli di yaw, comportamenti simile tra i treni possono essere distinti, essendo il coefficiente di forza laterale direttamente correlato con la grandezza della vorticità sul lato a sottovento. Le strutture dei vortici dipendono dalla forma del naso, la geometria della carenatura ed il rapporto del bypass ratio (BPR_eff). Per valori elevati dell'angolo di yaw, i treni possono essere raggruppati in due gruppi a seconda che il valore di Cmx_lee scenda (gruppo 1) o rimanga costante (gruppo 2) con incrementi dell'angolo di yaw. Il comportamento si è dimostrato dipendente dal valore di BPR_eff, dove il gruppo 1 aveva un valore sotto 1 e il gruppo 2 un valore sopra. Infine, le linee guida minime del CEN hanno mostrato di non essere sufficiente affinché i treni convenzionali siano conformi alle norme in tutta la gamma di angoli di yaw.