Numerical analysis of wind-break fences for road vehicle stability in crosswind

In this work, the effectiveness of two designed wind-break fences on a sudden strong crosswind has been investigated for a truck and a car. According to ISTAT, in 2018, 271 accidents causing death or personal injuries happened on the Italian roads due to strong wind, that is a crucial topic when designing exposed sites outside urban areas such as viaducts and bridges. This study has been driven by hypothesis that there are many cases in which the danger is due more to the sudden rise of the aerodynamic loads rather than to the steady state value of the wind which can be, instead, managed by a driver. Two different wind-break fences based on the work of Tagliavia Ramírez have been designed. Both the models decrease their height each 12,5 m to let the aerodynamic loads increase smoothly and so stretch the transient time of rise of these loads. The effectiveness of these fences has been studied in a realistic scenario case study; a comparison of the dynamic responses of the two vehicles to a strong crosswind while leaving a tunnel with and without the fences has been made. This has been done through to the coupling of moving mesh CFD simulations (validated in a wind tunnel) and vehicle dynamics simulations, studying the influence of many parameters via the definition of two safety indices and comparing the maximum lateral displacement. Both the fences models have shown a great effectiveness on the truck model, reducing the maximum lateral displacement of -14,8% and -34,5% respectively in the most critical case. Similar results have been obtained for the car model (even if this last resulted to be much less affected by crosswind), with a reduction of -16,4% and -35,9%. The key result has been obtained studying the influence of the weight of the truck: increasing this last, also the roll instability of the truck increases. For this reason some tests have been done keeping v_vehicle = 25 m/s and U_wind = 30 m/s, for m = 0,5m_max, m = 0,75m_max and m = m_max. When no fences are placed at the end of the tunnel, the truck undergoes a tremendous lateral displacement (invading the contiguous lane) when m = 0,5m_max, and rolls over when m = m_max. Both the fences have shown the capability to reduce significantly the lateral displacement when m = 0,5m_max and avoiding the roll over when m = m_max, demonstrating the hypothesis behind this thesis. At the end of the work, some promising preliminary analyses on the Dim400 dynamic driving simulator have been conducted, thus opening up new horizons for the future researches on this topic.

In questo lavoro è stata studiata l’efficacia di una coppia di barriere frangivento appositamente progettate per far fronte a un improvviso forte vento laterale per un modello di camion e di auto. Secondo quanto riportato dall’ISTAT, nel 2018 sulle strade italiane sono avvenuti 271 incidenti gravi o mortali a causa del forte vento, argomento cruciale nella progettazione d’infrastrutture in siti extraurbani particolarmente esposti, come ponti e viadotti. Questo studio nasce dall’ipotesi che ci siano svariati casi in cui il pericolo sia dovuto più allo sviluppo improvviso dei carichi aerodinamici che al valore stazionario del vento, che risulterebbe invece gestibile dal conducente. Due differenti modelli di barriere frangivento basate sui progetti di Tagliavia Ramírez sono state disegnate e testate. Entrambi i modelli vedono la propria altezza diminuire ogni 12,5 m, così da far aumentare gradualmente i carichi aerodinamici e allungare il transitorio di sviluppo degli stessi. L’efficacia di queste barriere è stata studiata riproducendo uno scenario realistico, comparando la risposta dinamica dei due veicoli a un forte vento laterale in uscita da una galleria con e senza le barriere. Questa comparazione è stata realizzata accoppiando simulazioni CFD con mesh in movimento (validate in galleria del vento) e modelli di dinamica del veicolo, studiando l’influenza di numerosi parametri attraverso la definizione di due indici di sicurezza e confrontando lo spostamento laterale massimo. Entrambi i modelli di barriera hanno mostrato una grande efficacia sul camion, riducendo lo spostamento laterale massimo del -14,8% e -34,5% rispettivamente nel caso più critico. Similmente è avvenuto per l’auto, con riduzioni del -16,4% e -35,9%, anche se quest’ultima è molto meno soggetta al forte vento laterale. Il risultato chiave si è ottenuto studiando l’influenza del peso del camion: aumentando quest’ultimo infatti, aumenta anche l’instabilità al rollio del veicolo. Per questa ragione sono stati effettuati dei test tenendo costanti v_veicolo = 25m/s e U_vento = 30m/s, per m = 0,5m_max, m = 0,75m_max e m = m_max. Senza barriere a fine galleria, il camion invade la corsia adiacente quando m = 0,5m_max e si ribalta quando m = m_max. Entrambi i modelli di barriera si sono dimostrati efficaci riducendo notevolmente lo spostamento laterale quando m = 0, 5m_max ed evitando il ribaltamento quando m = m_max, dimostrando l’ipotesi a monte di questa tesi. A conclusione di questo studio, sono state condotte alcune promettenti analisi sul simulatore di guida dinamico DiM400 che hanno aperto nuovi orizzonti per le future ricerche sull’argomento.