On the effects of different car body configurations in a conventional train under crosswinds

Several studies were conducted in past years on the issue regarding the stability of high-speed trains to crosswinds. Standards have been defined, with guidelines and references to follow at the design phase of such vehicles. At the contrary, the same has not been done on the crosswind stability problem for conventional trains, and the norms lack in references and limits for these vehicles. On this premise is based the work of this thesis, which proposes a stability evaluation to crosswinds on a AMLD SNCF conventional train. The main goal of this work is to evaluate how different modifications on roofs and underbodies of the train could impact its behavior to crosswinds, thus identifying which variations reduce the most the risk of overturning. The analysis was conducted as specified by the regulations of high-speed trains: the alterations on the train external shape were examined on reduced scale models by experimental tests in GVPM wind tunnel, to which followed a numerical simulation of the running train dynamics leading to the definition of the CWCs (Characteristic Wind Curves), which represent the limit wind speeds causing the vehicle to overcome the safety limits. This curves, obtained with the deterministic approach detailed by the standards, have also been compared to CWCs evaluated with a more realistic stochastic methodology developed at Politecnico di Milano. The results of this work showed how the enclosed configurations for roofs and underbodies adopted for high-speed trains are the safest options also for conventional trains and, most of all, the results showed how this safety evaluation is as crucial for low-speed trains as it is for high-speed trains.

Molti studi riguardanti la stabilità ai venti trasversali dei treni ad alta velocità sono stati condotti in questi anni. Ciò ha portato alla stesura di norme fornenti riferimenti e linee guida per la fase progettuale di questi veicoli. Lo stesso non è stato fatto, al contrario, sui treni convenzionali e le normative sono carenti di riferimenti e limiti per questi treni. Su questa premessa si basa il lavoro di questa tesi, proponendo un’analisi della stabilità ai venti trasversali su un treno convenzionale AMLD SNCF. Lo scopo principale di questa tesi è la valutazione di come diverse modifiche, effettuate agli imperiali e sottocassa del treno, possano impattare il suo comportamento aerodinamico ai venti trasversali, identificando quali alterazioni riducano maggiormente il rischio di ribaltamento. L’analisi è stata condotta seguendo le normative dei treni ad alta velocità: le variazioni sul design del veicolo sono state esaminate attraverso prove sperimentali nella galleria del vento GVPM, le quali sono state accompagnate da simulazioni numeriche della dinamica del treno in corsa che hanno portato alla definizione delle CWC (Characteristic Wind Curves), ossia delle curve rappresentanti le velocità limite del vento che causano il superamento di limiti di sicurezza. Queste funzioni, ottenute attraverso l’approccio deterministico dettagliato nelle norme, sono state confrontate con delle CWC valutate con un metodo stocastico più realistico sviluppato al Politecnico di Milano. I risultati di questo lavoro hanno evidenziato come le configurazioni chiuse di imperiali e sottocassa, adottate per i treni ad alta velocità, sono le più sicure dal punto di vista aerodinamico anche per i treni convenzionali e, soprattutto, i risultati hanno dimostrato come questo tipo di valutazione sia tanto cruciale per i treni a bassa velocità quanto lo è per i treni ad alta velocità.