Crosswind stability assessment of high-speed railway vehicles using multi-body simulation and experimental aerodynamic data

This thesis investigates the crosswind stability of high-speed railway vehicles, aiming to determine the Characteristic Wind Curves (CWCs) in compliance with the EN 14067-6-2018 standard. The primary objective is to compare the CWCs obtained with the implemented models against benchmark data, and to asses the overturning risk of the vehicle observed analysing the adoption of different configurations. The study implemented and validated two simplified models, the Three-mass model and the Five-mass model against the dynamic model Adtres and the benchmark CWCs data from EN 14067-6-2018 standard. This comparison revealed that the quasi-static models are inherently more conservative because of their omission of damping and inertial effects. In particular, the Three-mass model that gives a really basic but still conservative estimation of the CWCs. To provide the necessary input for the simulations, experimental wind tunnel tests (in one of the two test section of Politecnico di Milano GVPM) were conducted on 1:23 scale models of the ETR500 and the HS2, C1 and C2 configurations with leading (B1) or second car (B2) instrumented, to accurately determine their aerodynamic coefficients, particularly the critical overturning moment CMx,lee. The results confirmed the leading car as the most aerodynamically critical part of the train. Furthermore, minor geometric changes, such as the different side skirt configurations of the HS2 model, were shown to have only a negligible impact on the overall overturning stability. To sum up, this work validates the quasi-static Five-mass model as an effective tool for assessing high-speed train crosswind stability, successfully balancing computational efficiency with required safety margins as defined by international standards. Moreover, the small differences in the two configurations do not have relevant effect on the final CWCs.

Questa tesi indaga la stabilità dei veicoli ferroviari ad alta velocità soggetti a vento trasversale (crosswind), con l'obiettivo di determinare le Curve Caratteristiche del Vento (CWCs) in conformità con lo standard EN 14067-6-2018. L'obiettivo primario è confrontare le CWCs ottenute dai modelli implementati, con i dati di riferimento e valutare il rischio di ribaltamento del veicolo analizzando l'adozione di diverse configurazioni dello stesso. Lo studio ha implementato e validato due modelli semplificati: il modello a tre masse e il modello a cinque masse, confrontandoli con il modello dinamico Adtres e i dati CWC di riferimento dallo standard EN 14067-6-2018. Questo confronto ha rivelato che i modelli quasi-statici sono intrinsecamente più conservativi come risultato dell'omissione degli effetti di smorzamento e di quelli inerziali. In particolare, il modello a tre masse consente di ottenere una stima delle CWCs in modo rapido e semplificato, mantenendo tuttavia un carattere intrinsecamente conservativo. Per fornire li dati necessari per le simulazioni, sono stati condotti test sperimentali in GVPM (Galleria del Vento Politecnico di Milano); questi test sono stati eseguiti su modelli in scala 1:23 dell'ETR500 e del treno HS2 (configurazioni C1 e C2) con la bilancia posizionata nella prima (B1) o seconda (B2) carrozza, al fine di determinarne i coefficienti aerodinamici, tra i quali, il momento di ribaltamento critico CMx,lee. I risultati hanno confermato che la carrozza di testa è la parte aerodinamicamente più critica del treno. Inoltre, è stato dimostrato che piccole modifiche geometriche, come le diverse configurazioni della carenatura laterale sul modello HS2 (corrispondenti alle due configurazioni), hanno un impatto trascurabile sulla stabilità generale del treno al ribaltamento. Per concludere, questo lavoro convalida il modello quasi-statico a cinque masse come uno strumento efficace per la valutazione della stabilità dei treni ad alta velocità soggetti a vento trasversale, bilanciando con successo l'efficienza computazionale con i margini di sicurezza richiesti dagli standard internazionali. Inoltre, le piccole differenze nelle due configurazioni non sembrano avere un effetto rilevante sulle curve caratteristiche del vento finali.