Computational analysis of Slipstream effects in high-speed trains: a CFD investigation of open-air and tunnel environments

High-speed rail systems have become a cornerstone of modern transportation, necessitat ing a deeper understanding of aerodynamic effects, particularly slipstream behavior, to ensure safety and efficiency. This thesis employs CFD to investigate the aerodynamics of the ETR1000 high-speed train in both open-air and tunnel environments, with a primary focus on slipstream effects. A validation study was conducted using full-scale data from the experimental campaign in Livraga, confirming that the simulation results accurately captured slipstream velocity trends. The effect of track ballast was also examined, revealing that including ballast improves the boundary layer representation and aligns more closely with experimental data. Additionally, train drag coefficient (CD) comparisons between CFD and theoretical predictions further verified the numerical approach. In the tunnel study, two tunnel configurations (Tunnel A and Tunnel B) were analyzed to assess the influence of blockage ratio on slipstream velocity. The results indicate that higher blockage ratios significantly amplify slipstream effects due to increased flow confine ment and the piston effect. Comparative analysis with experimental studies demonstrated strong qualitative agreement, particularly in near-wake peak velocities and boundary layer formation. A final comparison between open-air and tunnel conditions revealed that tunnels amplify slipstream velocity due to airflow confinement, leading to higher peak velocities in the near-wake region. The study’s findings contribute to railway safety assessments and in frastructure optimization. Future work could explore higher-fidelity turbulence models such as LES and analyze transitional phases between open-air and tunnel conditions.

I sistemi ferroviari ad alta velocità sono diventati un pilastro del trasporto moderno, rendendo necessaria una comprensione più approfondita degli effetti aerodinamici, in par ticolare del comportamento dello slipstream, per garantire sicurezza ed efficienza. Questa tesi utilizza la CFD per investigare l’aerodinamica del treno ad alta velocità ETR1000 sia in ambiente aperto che in galleria, con un focus principale sugli effetti dello slipstream. Uno studio di validazione è stato condotto utilizzando dati ottenuti da una campagna sperimentale al vero sulla linea ad alta velocità italiana, in particolare con misurazioni a Livraga, confermando che i risultati della simulazione catturano accuratamente le ten denze della velocità dello slipstream. È stato inoltre esaminato l’effetto del piestrisco posizionato al di sotto dei binari, rivelando che l’inclusione del ballast migliora la rappre sentazione dello strato limite e si allinea meglio ai dati sperimentali. Inoltre, i confronti del coefficiente di resistenza CD tra CFD e previsioni teoriche hanno ulteriormente verificato l’approccio numerico. Nello studio in galleria, sono state analizzate due configurazioni di galleria (Galleria A e Galleria B) per valutare l’influenza del rapporto di bloccaggio sulla velocità dello slip stream. I risultati indicano che rapporti di bloccaggio più elevati amplificano significa tivamente gli effetti dello slipstream a causa dell’aumento del confinamento del flusso e dell’effetto pistone. L’analisi comparativa con studi sperimentali ha mostrato un forte ac cordo qualitativo, in particolare nelle velocità di picco nella scia vicina e nella formazione dello strato limite attorno al treno. Un confronto finale tra condizioni in campo aperto e in galleria ha rivelato che le gal lerie amplificano la velocità dello slipstream a causa del confinamento del flusso d’aria, portando a velocità di picco più elevate nella regione di scia vicina.. I risultati di questo studio contribuiscono alle valutazioni di sicurezza ferroviaria e all’ottimizzazione delle in frastrutture. Lavori futuri potrebbero esplorare modelli di turbolenza a maggiore fedeltà, come LES, e analizzare le fasi di transizione tra condizioni in campo aperto e in galleria