CFD e prove sperimentali in galleria del vento come supporto alla progettazione di un pantografo per treni ad alta velocità

In high-speed rail, current collection quality is influenced by the interaction between the pantograph and the incoming air flow: the aerodynamic forces acting on pantograph head and frame cause a variation of contact force mean value, for both the collectors. To this day, the evaluation and correction of this aerodynamic behaviour are made by means of experimental tests (wind tunnel and on-track tests), which usually give global values of aerodynamic forces but no information about the pantograph components' aerodynamic contributions. CFD analysis would be of fundamental help in getting a deeper understanding of pantograph aerodynamics at high speeds. In early design and pre--production stages, informations about the influence of every pantograph component on contact force aerodynamic contribution would help making and optimizing desgin choices in order to improve the pantograph aerodynamic interaction with the overhead line. In this thesys a CFD model is presented, in order to simulate a pantograph aerodynamics at high speed. The analysis tools developed during this work have general validity and can be helpful in design stages. Modelling, meshing and solver choices have been made in order to make the amount of necessary computational resources and simulation time compatible with modern industry requirements. The simulation model and analysis tools are validated by means of wind tunnel experimental tests made on a pantograph designed for high speed operation. Finally the results of experimental on-track tests are presented, and the simulation model is applied to analyse the actual speed and turbulence characteristics of the incoming flow when the pantograph is mounted on the train roof.

Nell'alta velocità ferroviaria, la qualità di captazione è fortemente influenzata dall'interazione tra il pantografo e i flussi d'aria che lo investono: le forze aerodinamiche che si generano sui componenti mobili del pantografo inducono una variazione del valor medio della forza di contatto totale, ed un possibile sbilanciamento di forza tra gli archetti. Ad oggi, la valutazione e la correzione del comportamento aerodinamico del pantografo nelle varie configurazioni di utilizzo sono eseguite principalmente per mezzo di prove in galleria del vento e in linea. Le informazioni fornite dalle prove sperimentali non permettono però di quantificare le azioni aerodinamiche sui singoli componenti. L'utilizzo di strumenti di analisi CFD potrebbe consentire una comprensione più approfondita dell'aerodinamica di un pantografo alle alte velocità. In fase di progettazione, la disponibilità di informazioni sugli effetti aerodinamici e sull'influenza che ogni parte del pantografo manifesta sulla qualità di captazione, aiuterebbe a compiere scelte di design finalizzate all'ottimizzazione delle caratteristiche aerodinamiche del pantografo. Nel presente lavoro di tesi si descrivono le scelte di modellazione fluidodinamica operate per effettuare la simulazione CFD dell'aerodinamica di un pantografo per treni ad alta velocità. Particolare attenzione è posta allo sviluppo di strumenti d'analisi di validità e applicabilità generale, e di potenziale utilità nei contesti di progettazione. Le scelte di modellazione, discretizzazione spaziale e soluzione numerica sono realizzate al fine di limitare le risorse e i tempi di calcolo necessari entro valori che possano risultare oggi di effettiva sostenibilità in ambito industriale. Il modello CFD e gli strumenti sviluppati sono validati con le misure ottenute da prove sperimentali in galleria del vento, realizzate su un pantografo destinato ad essere impiegato su treni ad alta velocità. Successivamente, si mostra una prima analisi degli effetti aerodinamici su un treno in corsa, sfruttando i risultati di prove sperimentali in linea eseguite con lo stesso pantografo.