CFD sensitivity analysis of overpressure phenomenon for freight train configurations in tunnel

The effect of train aerodynamics, considering the pressure transients associated with the train entrance and transit within a tunnel, play a fundamental role both in defining operational speeds and in assessing safety conditions for passengers and infrastructure. Over the past decades, the phenomenon of overpressure in tunnel has been addressed by numerous studies, especially for passenger and high-speed trains, leading to the definition of specific regulations. Conversely, the aerodynamics of freight trains in tunnels has been far less investigated. Although freight trains generally operate at lower speeds than passenger trains, they feature blunter noses, box-shaped wagons and large inter-car gaps, all of which deteriorate aerodynamic performance. Moreover, in response to the growing demand for freight transportation in urban areas, the integration of freight services into existing passenger rail networks has emerged as an effective strategy to meet current logistics needs, highlighting the need for a deeper understanding of the main aerodynamic effects of such configurations in tunnels. This study therefore presents, for the first time, full-scale experimental data for freight convoys, acquired in the Monte Cellarino tunnel. The comparison between the Train Wave Signature (TWS) and the Train Near-field Signature (TNS) revealed a strong similarity, validating the applicability of the Virtual Homologation procedure also to freight configurations. In addition, a steady-state CFD model was developed to perform a geometric sensitivity analysis on the pressure distribution around the train, varying locomotive types, wagon shapes and overall convoy compositions. Results show that the pressure evolution along the train is governed by the combined effect of geometric blockage and separation-induced blockage, which together determine the overall pressure field inside the tunnel. In particular, the first pressure peak, associated with the train nose, is strongly affected by the locomotive bluntness and by the flow separations occurring on the roof. The interaction between the locomotive and the convoy emerges as a key driver in TNS behavior and shows a significant variability depending on the analyzed configurations. Moreover, a marked sensitivity of the pressure distribution to geometric features is observed, particularly in cases where flow separations contribute to an increased total pressure drop. Finally, the analysis of mixed configurations shows that large geometric discontinuities can generate localized pressure peaks, highlighting the importance of a uniform train composition to mitigate overpressure effects.

L’aerodinamica dei treni, considerando in particolare i transitori di pressione associati all’ingresso e al transito del convoglio in galleria, riveste un ruolo fondamentale sia nella definizione delle velocità operative, sia nella valutazione delle condizioni di sicurezza per i passeggeri e per l’infrastruttura. Negli ultimi decenni, il fenomeno delle sovrappressioni in galleria è stato oggetto di numerosi studi, soprattutto per treni passeggeri e ad alta velocità, portando anche alla definizione di normative specifiche. Al contrario, l’aerodinamica dei treni merci in galleria è stata finora meno approfondita. Sebbene i treni merci operino generalmente a velocità inferiori rispetto a quelli passeggeri, essi presentano forme più squadrate e ampi gap tra i vagoni, caratteristiche che peggiorano le prestazioni aerodinamiche. Inoltre, in risposta alla crescente domanda di trasporto merci nelle aree urbane, l’integrazione dei servizi merci nelle reti ferroviarie passeggeri esistenti è emersa come una strategia efficace per soddisfare le attuali esigenze logistiche, rendendo necessaria una comprensione più approfondita dei principali effetti aerodinamici di queste configurazioni in galleria. Questo studio quindi riporta, per la prima volta, dati sperimentali in scala reale relativi a convogli merci, acquisiti nella galleria del Monte Cellarino. Il confronto tra la Train Wave Signature (TWS) e la Train Near-field Signature (TNS) evidenzia una forte similitudine, verificando l’applicabilità della procedura di Virtual Homologation anche a configurazioni merci. Inoltre, mediante un modello numerico CFD stazionario, è stata condotta un’analisi di sensibilità geometrica sulla distribuzione di pressione attorno al treno, variando la tipologia di locomotiva, di carri e la composizione complessiva del convoglio. I risultati mostrano che l’andamento della pressione lungo il treno è governato dalla combinazione tra bloccaggio geometrico e bloccaggio indotto dalle separazioni, che insieme determinano l’evoluzione della pressione all’interno della galleria. In particolare, il primo picco, associato al muso del treno, risente fortemente della smussatura della locomotiva e delle separazioni presenti sul tetto. L’interazione tra la locomotiva e il convoglio emerge come un fattore chiave nel comportamento della TNS e mostra una notevole variabilità a seconda delle configurazioni analizzate. Inoltre, si osserva una marcata sensibilità della distribuzione di pressione alle caratteristiche geometriche, in particolare nei casi in cui le separazioni di flusso contribuiscono a un aumento complessivo della caduta di pressione. Infine, l’analisi delle configurazioni miste mostra come forti discontinuità geometriche possano generare picchi di pressione localizzati, evidenziando l’importanza di una composizione del treno il più possibile uniforme per ridurre gli effetti di sovrappressione.