Experimental and numerical evaluation of drag in conventional trains with different nose and roof designs

Increased train speeds have led to different challenges in train aerodynamics. While the methods for aerodynamic shape modifications have advanced, there are still possibilities for drag reduction in conventional trains. Hence, this thesis focuses on conventional trains which has the potential for significant drag reduction unlike the existing emphasis on drag reduction or the optimization of high-speed trains. In line with this, the main goal of this work is to evaluate how different modifications on nose and roof designs of the train could impact the aerodynamic behaviour and identify which variations most effectively reduce the aerodynamic drag. The wind tunnel tests were done in the scaled models of the regional trains BMU (BIR 1) and EMU (ER3) produced by Construcciones y Auxiliar de Ferrocarriles (CAF). The tests involved 14 different roof and nose configurations of 3-car convoy scale model which were tested in accordance with the standards of EN14067-6:2018 at the GVPM wind tunnel. These tests provide the necessary data for obtaining the aerodynamic coefficients at different wind yaw angles. While experimental investigations give force measurements, Computational Fluid Dynamics (CFD) analyses complemented the wind tunnel results by providing detailed insights into pressure fields and velocity distributions. The findings highlight the effectiveness of an enclosed roof shape in reducing drag, and most notably, emphasize the significant improvement in aerodynamic efficiency achievable by adopting an optimized nose design.

Aumentare le velocità dei treni ha comportato diverse sfide nell’aerodinamica dei treni. Nonostante i progressi nei metodi di modifica della forma aerodinamica, esistono ancora opportunità per ridurre la resistenza dell’aria nei treni convenzionali. Pertanto, questa tesi si concentra sui treni convenzionali, che hanno il potenziale per una significativa riduzione della resistenza dell’aria, a differenza dell’attuale enfasi sulla riduzione della resistenza o sull’ottimizzazione dei treni ad alta velocità. In linea con questo, l’obiettivo principale di questo lavoro è valutare come diverse modifiche ai design del muso e del tetto del treno possano influenzare il comportamento aerodinamico e individuare le variazioni che riducono in modo più efficace la resistenza aerodinamica. I test in galleria del vento sono stati condotti sui modelli in scala dei treni regionali BMU (BIR 1) ed EMU (ER3) prodotti da Construcciones y Auxiliar de Ferrocarriles (CAF). I test hanno coinvolto 14 diverse configurazioni di tetto e muso del modello in scala di un convoglio a 3 carrozze, testate secondo gli standard EN14067-6:2018 presso la galleria del vento GVPM. Questi test forniscono i dati necessari per ottenere i coefficienti aerodinamici a diversi angoli di imbardata del vento. Mentre le indagini sperimentali forniscono misurazioni delle forze, le analisi di Fluidodinamica Computazionale (CFD) integrano i risultati della galleria del vento fornendo dettagliati approfondimenti nei campi di pressione e nelle distribuzioni di velocità. Le conclusioni mettono in luce l’efficacia di una forma chiusa del tetto nella riduzione della resistenza, sottolineando soprattutto il miglioramento significativo dell’efficienza aerodinamica ottenibile attraverso l’adozione di un design del muso ottimizzato.