High-speed train aerodynamics under crosswinds: from standard wind tunnel testing to the effect of the train cooling systems

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Correa, Alexandre Felipe Medina
Data de Publicação: 2017
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Institucional da UFU
Texto Completo: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/20351
http://dx.doi.org/10.14393/ufu.di.2018.22
Resumo: Este trabalho teve apoio financeiro fornecido pela Stadler Altenrhein AG e cd-Adapco.
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spelling High-speed train aerodynamics under crosswinds: from standard wind tunnel testing to the effect of the train cooling systemsAerodinâmica de trem de alta velocidade sob ventos cruzados: do teste de túnel-de-vento padrão para o efeito dos sistemas de arrefecimento do tremCrosswind stabilityEstabilidade em ventos lateraisOverturningCapotamentoTrain aerodynamicsAerodinâmica de trensWind tunnelTúnel-de-ventoCooling systemsSistemas de arrefecimentoComputational fluid dynamicsDinâmica dos fluidos computacionalCNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA AEROESPACIAL::AERODINAMICACNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::FENOMENOS DE TRANSPORTE::MECANICA DOS FLUIDOSEste trabalho teve apoio financeiro fornecido pela Stadler Altenrhein AG e cd-Adapco.Ventos laterais, ou cruzados, ocorrem à medida que um trem viaja em campos abertos. O vento, combinado com a velocidade do trem, provoca um vento relativo causador de esforços o trem. Esse carregamento aerodinâmico pode ser forte o suficiente para tomar o veículo. Testes em túneis-de-vento não representam as condições do escoamento observadas em altas velocidades em sua totalidade, já que seu número de Reynolds (~1E5) é pequeno comparado à escala real (~1E7). Além disso, modelos estáticos não modelam o movimento relativo entre o trem e o solo assim como não contabilizam o ar proveniente do equipamento de controle térmico e conforto do trem. A Dinâmica dos Fluidos Computacional (CFD, sigla em inglês) foi aplicada para abordar estas questões e os resultados obtidos são comparados com dados experimentos do trem-de-alta-velocidade Stadler EC250. Foi observado que as paredes do túnel-de-vento afetam a escoamento, curvando a esteira gerada pelo trem. Esse problema foi resolvido aumentando a largura do túnel-de-vento, porém observa-se que o escoamento próximo ao trem não é afetado, produzindo os mesmos carregamentos aerodinâmicos. A configuração de solo padrão STBR gera um vórtice em sua extremidade que afeta a esteira a sotavento do trem, aumenta o coeficiente de sustentação em 5% comparado a um STBR infinitamente longo (para β=45°) em modelos estáticos em escala reduzida. A modelagem do movimento do veículo em escala reduzida afeta os coeficientes de força lateral e sustentação (5% e 7%) comparados ao STBR infinitamente longo, afetando o coeficiente de momento sobre o trilho a sotavento em 3%. Para avaliar a influência do número de Reynolds, o trem foi simulada em escala real. Com isso a sustentação aumenta em 15% e a força lateral reduz em 10%, o que leva a um coeficiente de momento sobre o trilho a sotavento 5% menor. Finalmente, os efeitos do o ar proveniente do equipamento de controle térmico e conforto do trem foi avaliado. Comparados aos resultados do modelo estático em escala reduzida a sustentação foi reduzida em 25% e a força lateral aumentada em 4%, resultando em um coeficiente de momento sobre o trilho a sotavento 3% menor. A análise da estabilidade em ventos cruzados mostrou semelhanças entre o modelo estático em escala reduzida e o trem em escala real com os sistemas térmicos. Isso mostra que experimentos em escala reduzida são confiáveis para análise da estabilidade de trens-de-alta-velocidade em situações de vento cruzado.CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e TecnológicoDissertação (Mestrado)Crosswind occurs as a train travels in windy conditions. The wind, combined with the train velocity, generates a relative wind that loads the train. This aerodynamic load can be strong enough to flip the train on its side. Standard wind tunnel testing does not represent the flow conditions observed at high-speed as the Reynolds number (~1E5) are smaller compared to full-scale (~1E7) and the static-models do not reproduce the relative ground motion or account for the air flow of the train cooling equipments. Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations were performed to address these issues and the results are compared to the experimental data for Stadler EC250 high-speed train. It was found that the wind tunnel walls affect the far wake, curving it. Enlarging the wind tunnel avoids this issue but without affecting the near wake, producing the same forces and moments. The standard Single Track Ballast and Rail (STBR) generates a tip vortex that affects the lee-side wake, increasing the lift coefficient by 5% compared to an infinite STBR (at β=45°) for reduced-scale static models. The modeling of the vehicle motion with a moving reference frame produced a large difference in side force and lift coefficients (+5% and +7%) compared to the static model with infinite STBR, but the lee-rail moment only increased by 3%. To evaluate the effects of the Reynolds number the moving model was simulated in full-scale. It was found that the lift coefficient increased by 15% and the side force coefficient decreased by 10%, producing a lee-rail moment 5% lower than observed for the reduced-scale moving model. Finally, the effects of the air intakes and exhausts for the full-scale train were analysed. Compared to the reduced-scale static model the lift and side force coefficients were different, where the first had an average of -25% and the second +4%, resulting in a lee-rail moment coefficient ~3% lower. The analysis of crosswind stability presented similar lee-rail moment coefficient between the reduced-scale static model and full-scale train with its ventilation systems. This shows that the static wind tunnel tests are reliable on the assessment of high-speed trains crosswind stability.Universidade Federal de UberlândiaBrasilPrograma de Pós-graduação em Engenharia MecânicaSouza, Francisco José dehttp://buscatextual.cnpq.br/buscatextual/visualizacv.do?id=K4703183Y4Cochard, SteveCavalieri, André Valdetaro Gomeshttp://buscatextual.cnpq.br/buscatextual/visualizacv.do?id=K4138144H4Sanches, Leonardohttp://buscatextual.cnpq.br/buscatextual/visualizacv.do?id=K4352187H4Correa, Alexandre Felipe Medina2018-01-24T15:57:06Z2018-01-24T15:57:06Z2017-11-10info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfCORREA, Alexandre Felipe Medina. High-speed train aerodynamics under crosswinds: from standard wind tunnel testing to the effect of the train cooling systems. 2017. 76 f. Dissertação (Mestrado em Engenharias) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, Brasil, 2017.https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/20351http://dx.doi.org/10.14393/ufu.di.2018.22enginfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Institucional da UFUinstname:Universidade Federal de Uberlândia (UFU)instacron:UFU2018-01-24T15:57:07Zoai:repositorio.ufu.br:123456789/20351Repositório InstitucionalONGhttp://repositorio.ufu.br/oai/requestdiinf@dirbi.ufu.bropendoar:2018-01-24T15:57:07Repositório Institucional da UFU - Universidade Federal de Uberlândia (UFU)false
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