The impact of strong crosswind on the aerodynamic loads of a passenger train for different ground configurations

[М. B. Аsress]

122 листa

Машинство - Ваздухопловство, Железничко машинство / Mechanical engineering - Aerospace engineering, Railway mechanical engineering

Јаки бочни ветрови могу утицати на стабилност воза приликом кретања и у појединим случајевима могу довести до превртања воза услед појачаних аеродинамичких сила и момената. Ризик од превртања узрокованог дејством ветра зависи како од аеродинамичких карактеристика возила тако и од инфраструктуре железничког коридора по коме воз саобраћа. Са инфраструктурне стране, места са високим насипима могу да доведу до повећања аеродинамичких коефицијената док се са стране возила појава превртања услед јаких бочних ветрова везује за осетљивост облика воза на дејство бочног ветра. У оквиру ове докторске тезе извршена је симулација струјања турбулентног бочног ветра око водећег вагона DF4D путничког воза за различите вредности угла скретања у случајевима статичког равног терена и насипа висине 6m. Будући да је аеродинамички аспект проблема блиско повезан са струјањем ваздуха око воза, ово струјање је разматрано као нестишљиво па је прорачун вршен коришћењем нестационарних Навије-Стоксових једначина осредњених Рејнолдсовом статистиком (RANS) у спрези са остваривим k-ε турбулентним моделом. Свих шест аеродинамичких коефицијената (бочне силе, силе отпора, силе узгона, момента вањања, момента пропињања и момента скретања) срачунати су за углове скретања у интервалу од 0° до 90°. Резултати су показали да свих шест аеродинамичких коефицијената имају више вредности у случају терена са насипом у компарацији са кретањем по равном терену. Срачунате вредности најзначајнијих аеродинамичких коефицијената, као што је аеродинамички коефицијент момента ваљања, монотоно расту са повећањем угла скретања до вредности угла скретања од 60° (у случају равног терена) односно 45° (у случају насипа) пре него што почну да опадају и/или показују асимптотско понашање. Такође, у оквиру дисертације разматрана је и зависност структуре струјања од угла скретања. Природа струјања и његова структура визуелизоване су графичким приказом струјница и вектора брзине као и контурним приказом јачине вртложности,статичког притиска и тоталног притиска по попречном пресеку воза за различите вредности угла скретања. У оба случаја, резултати указују на повећање величине ротирајућих вртлога на страни воза у заветрини са повећањем угла скретања што доводи до стварања области ниског притиска на страни воза у заветрини односно до појаве високе бочне силе и момента ваљања. За исти угао скретања, величина ротирајућих вртлога на страни воза у заветрини је већа у сличају постојања насипа него у случају равног терена. У оквиру истраживања размотрена је и расподела коефицијента притиска по обиму попречног пресека воза за углове скретања у интервалу од 0° до 90° на различитим локацијама по дужини воза. Коначно, извршен је прорачун критичне брзине ветра за превртање (Vw-int), односно брзине ветра која доводи до стопроцентног растерећења точкова на шини у заветрини воза, коришћењем коефицијента аеродинамичког момента ваљања око шине у заветрини добијеног нумеричким (CFD) прорачуном. Циљ ове студије је скретање пажње Етиопијске железничке корпорације на значај утицаја бочног ветра на стабилност возила, односно на неопходност његовог разматрања у смислу безбедности и укључивање у националне стандарде.

Strong crosswinds may affect the running stability of trains and cause the train to overturn via the amplified aerodynamic forces and moments. The risk of crosswind induced overturning depends on both the line infrastructure and the vehicles’ aerodynamic characteristics. On the infrastructure side, sites with high embankments may amplify the aerodynamic forces. On the vehicles side, the topic of train overturning due to cross wind exposure is closely linked to the crosswind sensitivity of the external shape of the train. In this doctoral thesis , a simulation of turbulent crosswind flows over the leading car of DF4D passenger train was performed at different yaw angles in static flat ground and 6m high embankment scenarios. The flow around the train was considered as incompressible and has been obtained by solving the incompressible form of the unsteady Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) equations combined with the realizable k-epsilon turbulence model. All the six aerodynamic coefficients such as the side force, drag force, lift force, rolling moment, pitching moment and yaw moment coefficients were calculated for yaw angles ranging from 0° to 90°. The result shows that higher value for all the six aerodynamic coefficients were found in case of embankment compared to the flat ground case. The computed value of the most critical aerodynamic coefficients, such as the rolling moment coefficient increase steadily with yaw angle till about 60° (in flat ground case) and 42.5° (in embankment case) before starting to fall and/or exhibit an asymptotic behavior. The dependence of the flow structure on yaw angle has been also presented. The nature of the flow field and its structure depicted by streamline patterns, velocity vectors, contours of vorticity magnitude, contours of static pressure and total pressure along the train’s cross-sections were presented for different yaw angles. In both cases, the results showed that magnitude of rotating vortex in the leeward side increased with increasing yaw angle which leads to the creation of a low pressure region in the leeward side of the train causing high side force and roll moment. For the same yaw angle, the magnitude of rotating vortex in the leeward side in case of embankment is higher than the flat ground case. In addition, the pressure coefficient around the circumference of the train at different locations along its length was computed for yaw angles of 0° to 90°. Finally, the intrinsic roll-over wind speed (Vw-int) for the vehicle, which is a wind speed just sufficient to cause 100% unloading of the wheels on the windward side of the vehicle, has been determined using the CFD calculated aerodynamic rolling moment coefficient about the lee rail. The purpose of this doctoral thesis is to encourage the Ethiopian railway corporation to recognize the crosswind stability for rail vehicles as a safety relevant topic and have a standard which prescribes design and maintenance requirements for railway vehicles to ensure acceptable resistance against overturning in extreme wind conditions.

бочни ветар, аеродинамика шинских возила, прорачунска динамика флуида (CFD), Навије-Стоксове једначине осредњене Рејнолдсовом статистиком (RANS), k-ε турбулентни модел, нумеричка анализа, критична брзине ветра за превртање

crosswind, aerodynamics of trains, computational fluid dynamics, Reynolds-averaged Navier-Stokes equations, k-epsilon turbulence model, numerical analysis, intrinsic roll-over wind speed

Tekst