Crosswind effects on trains aerodynamics

The interest in trains aerodynamics has grown exponentially in the last twenty years. With the increase of trains speed and the advent of high-speed trains, new aerodynamic issues developed and became constraints for rolling stock manufacturers and railway infrastructure managers. This Ph.D. thesis will explore the trains aerodynamic behaviour in open air, with particular attention on how crosswind modifies the train aerodynamics. All the analysed topics are connected by a logical thread consisting in the presence of atmospheric lateral wind, coming from a different direction with respect to the railway line and called crosswind. The train aerodynamics is firstly analysed considering how a mild wind modifies the train slipstream, i.e. the air field dragged by the train passage. Then, the train aerodynamics will be discussed in presence of strong crosswind, where a train overturning risk arises and countermeasures to guarantee the train safety are necessary. The impact of different train geometrical characteristics on the train aerodynamic coefficients will be studied, evaluating the effect of the aerodynamic improvement on the train overturning risk. Furthermore, the effect of interruptions (gaps) in the continuous rows of windbreaks barriers will be analysed, developing an innovative methodology to calculate the overturning risk in presence of windbreaks and windbreaks with gaps. Discussions and conclusions on the topics will be supported by experimental full-scale data, wind tunnel tests and computational fluid dynamics (CFD) simulations.

L'interesse per l'aerodinamica dei treni è cresciuto esponenzialmente negli ultimi vent'anni. Con l’ aumento della velocità dei treni e l'avvento dei treni ad alta velocità, sono sorti nuovi problemi aerodinamici e sono diventati ben presto vincoli per i produttori di materiale rotabile e per i gestori dell'infrastruttura ferroviaria. Questo lavoro esplorerà il comportamento aerodinamico dei treni in aria aperta, con particolare attenzione su come il vento laterale ne modifica l'aerodinamica. Tutti gli argomenti analizzati sono collegati da un filo logico costituito dalla presenza di vento atmosferico laterale, proveniente da direzione diversa rispetto alla direzione della linea ferroviaria. L'aerodinamica dei treni viene analizzata in primo luogo considerando come un vento debole modifica lo slipstream del treno, cioè l’aria trascinata dal suo passaggio. Successivamente, l'aerodinamica del treno sarà affrontata in presenza di forte vento laterale, dove si presenta un rischio di ribaltamento del treno e contromisure per garantire la sicurezza della marcia sono necessarie. L'impatto di diverse forme sarà studiato attraverso i coefficienti aerodinamici del treno, valutando l'effetto del miglioramento aerodinamico sul rischio di ribaltamento del treno. Inoltre, l'effetto di interruzioni (gap) nelle schiere continue di barriere frangivento verrà analizzato, sviluppando una metodologia innovativa per il calcolo del rischio di ribaltamento in presenza di barriere frangivento e barriere frangivento con gap. Discussioni e conclusioni su tutti i temi presentati saranno supportate da dati sperimentali (full-scale), test in galleria del vento e simulazioni di fluido dinámica computazionale (CFD).