CFD modelling of conventional trains under crosswind conditions

Abstract

Con las mejoras tecnológicas, los trenes son cada vez más rápidos y ligeros, aumentando así el riesgo de vuelco en viento cruzado. La norma EN14067 se desarrolló para hacer frente a fenómenos aerodinámicos como la estela, levantamiento de balasto o viento cruzado. Ensayos en túnel de viento o análisis CFD, son las herramientas usadas normalmente para obtener las Curvas Eólicas Características que determinan la estabilidad lateral del vehículo. Además, son herramientas que fomentan la Homologación Virtual (HV), permitiendo abaratar costes en el proceso de certificación a las compañías. Para calcular dichas curvas, se necesita conocer los coeficientes aerodinámicos. Este trabajo persigue estudiar la viabilidad de obtener los coeficientes para trenes convencionales con herramientas CFD, habiendo validado el modelo con un tren de alta velocidad presente en la normativa. El modelo mostró ser válido para el ETR500 y el tren convencional Vivalto. Para los trenes Regionale e Intercity solo es válido para bajo ángulo de guiñada debido a una mayor inestabilidad del fluido. Entre 0 y 45 grados el coeficiente de vuelco aumenta hasta un máximo, así como la vorticidad a sotavento. La estructura de vórtices es compleja y depende de tres factores geométricos: forma de la nariz, irregularidades geométricas y distancia del suelo del tren al riel (BPReff). Para altos ángulos de guiñada se debería optar por un modelo no estacionario. Así mismo, el comportamiento del coeficiente de vuelco y sustentación depende directamente del valor de BPReff. Para valores menores que 1 el coeficiente decrece y para valores mayores permanece constante.

With the present technological improvements, trains are becoming faster and lighter, thus increasing the risk of overturning in crosswind. The EN14067 norm was developed to deal with aerodynamic phenomena such as slipstream, ballast lifting or crosswind. Wind tunnel tests or CFD analysis, are normally used to obtain the Characteristic Wind Curves (CWC) that determine the lateral stability of the vehicle. In addition, they are tools that promote Virtual Homologation (VH), allowing companies to reduce costs in the certification process. To compute these curves, it is necessary to know the aerodynamic coefficients. This work aims to study the viability of obtaining the coefficients for conventional trains with CFD tools, after having validated the model with a high-speed train present in the standards. The model proved to be valid for the ETR500 and the Vivalto conventional train. For the Regionale and Intercity trains it is only valid for low yaw angles due to a greater unsteadiness in the flow. Between 0 and 45 degrees the rolling coefficient over the leeward rail increases to a maximum, as well as the vorticity. The vortical structure is complex and depends on three geometric factors: nose shape, geometry irregularities and distance from the underfloor of the car to the top of the rail (BPReff). For high yaw angles an unsteady model should be used. Lastly, the behaviour of the rolling moment and lift coefficient depends directly on the value of BPReff. For values lower than 1 the coefficient decreases and for higher values it remains constant.