CFD analysis of the influence of train geometries and tunnel configurations on the slipstream phenomenon

The aerodynamics of trains, more specifically the wind generated by the passage of a train slipstream in confined spaces, is a point of utmost concern to the safety and comfort of the passengers or workers affected by this phenomenon. The safety standards have been developed for operational limitations reducing or eliminating any dangers perceived, but these standards are mainly specified for open-air operation while in confined spaces such as tunnels there is still some development that needs to be done. Through the years, many research groups and institutes aimed to investigate the topic of train passage in open air and confined spaces, with research conducted through full-scale experimental campaigns, scaled moving-rig models and numerical CFD models. While those studies tackled various setups and scenarios, there was a lack of research regarding high-speed trains and freight trains passing in a single-track, high blockage ratio tunnel, with the inclusion of a platform to apply the safety and operability criteria of the TSI and EN14067-5 standards. Continuing on the findings of previous literature, this thesis aims to conduct a numerical analysis employing an unsteady Reynolds-Averaged Navier-Stokes (URANS) method with a k-ω SST turbulence model on a new fixed-frame approach to the train passage problem that aims to reduce the computational cost of such setups by providing an alternative to the moving-mesh technique used in such cases. This CFD approach is validated experimentally then applied to cases of various blockage ratios and tunnel geometries with the choice of the Italian high-speed train ETR1000 and a generic freight train model for comparison. The adoption of a fixed-frame setup with appropriate piston wind corrections produced results comparable to those from moving-mesh simulations, accurately reproducing the main slipstream regions observed in full-scale experiments. Higher blockage ratios led to increased wake peaks at the vortex core, while measurements at the platform side revealed the opposite trend due to tunnel asymmetry. For identical blockage ratios, tunnel shape significantly influenced the slipstream behaviour only in high-blockage cases, where it altered vortex shedding and wake symmetry; in low-blockage cases, its effect was negligible. Tunnel curvature promoted vortex dissipation near the walls, reducing mean gust velocities on the platform side but increasing flow fluctuations. The velocity distribution along the train varied with the distance from the train vertically and horizontally, reflecting boundary layer growth along its length. Overall, results show that wake intensity on the platform side depends more on the lateral clearance between the train and tunnel walls than on blockage ratio alone. While in comparing the cases of high-speed train and freight train yielded significantly distinct slipstream behaviour regarding peak velocity regions. With the high-speed train case exhibiting a velocity peak in the wake region, and peak occuring near the first half of the freight train, with larger standard deviation values in the boundary layer growth region.

L'aerodinamica dei treni, più specificatamente il vento generato dal passaggio di una scia ferroviaria in spazi ristretti, è un punto di estrema preoccupazione per la sicurezza e il comfort dei passeggeri o dei lavoratori interessati da questo fenomeno. Gli standard di sicurezza sono stati sviluppati per limitare o eliminare i pericoli percepiti, ma tali standard sono specificati principalmente per il funzionamento all'aperto, mentre in spazi ristretti come le gallerie c'è ancora del lavoro da fare. Nel corso degli anni, molti gruppi di ricerca e istituti hanno studiato il tema del passaggio dei treni all'aperto e in spazi ristretti, conducendo ricerche attraverso campagne sperimentali su scala reale, modelli in scala ridotta con treno in movimento e modelli numerici CFD. Sebbene tali studi abbiano considerato varie configurazioni e scenari, al momento c'è una carenza di ricerche relative al passaggio di treni ad alta velocità e treni merci in gallerie a binario unico con un elevato rapporto di bloccaggio, con l'inclusione di una banchina per poter applicare e verificare i criteri di sicurezza e operatività delle norme TSI e EN14067-5. Proseguendo sui risultati della letteratura precedente, questa tesi mira a condurre un'analisi numerica, tramite CFD, utilizzando un metodo Reynolds-Averaged Navier-Stokes (URANS) non-stazionario con un modello di turbolenza k-ω SST utilizzando un nuovo approccio con mesh stazionaria al problema del passaggio dei treni che mira a ridurre il costo computazionale di tali configurazioni fornendo un'alternativa alla metodologia con mesh in movimento, tipicamente utilizzata in questi casi per riprodurre il moto relativo tra treno e galleria. Questo approccio CFD è stato validato contro dati sperimentali e poi applicato a casi con diversi rapporti di bloccaggio e geometrie di tunnel, considerando il treno ad alta velocità italiano ETR1000 e un modello generico di treno merci. L'adozione di una configurazione a mesh fisso, con una specifica configurazione delle condizioni al contorno basata sul calcolo del vento pistone, ha prodotto risultati paragonabili a quelli delle simulazioni a mesh mobile, e riproducendo accuratamente le principali regioni di slipstream osservate negli esperimenti su scala reale. Rapporti di bloccaggio più elevati hanno portato ad un aumento dei picchi di velocità dell'aria al centro del vortice, mentre le misurazioni sul lato della piattaforma hanno rivelato la tendenza opposta a causa dell'asimmetria della galleria. A parità di rapporti di bloccaggio, la forma della galleria ha influenzato in modo significativo il comportamento della scia solo nei casi di bloccaggio elevato, dove ha alterato il distacco dei vortici e la simmetria della scia; nei casi di bloccaggio più basso, il suo effetto è stato trascurabile. La curvatura del tunnel ha favorito la dissipazione dei vortici vicino alle pareti, riducendo le velocità medie delle raffiche sul lato della piattaforma ma aumentando le fluttuazioni del flusso. La distribuzione della velocità lungo il treno ha mostrato variazioni con l'altezza di misura dal piano del ferro, riflettendo la crescita dello strato limite lungo la sua lunghezza. Nel complesso, i risultati mostrano che l’intensità della slipstream in banchina dipende maggiormente dalla distanza laterale di misura, tra il treno e le pareti del tunnel, che dal solo rapporto di bloccaggio. Il confronto tra i casi del treno ad alta velocità e del treno merci ha evidenziato un comportamento significativamente diverso in termini di scia aerodinamica per quanto riguarda le regioni di velocità massima. Nel caso del treno ad alta velocità, il picco di velocità si registra nella zona di slipstream, mentre il picco si verifica nella prima metà del treno merci, con valori di deviazione standard più elevati nella zona di crescita dello strato limite.