1 / 58

La caratterizzazione aerodinamica dell’ETR500

La caratterizzazione aerodinamica dell’ETR500. GIORNATA CIFI AERODYNAMICS IN OPEN AIR Firenze 20 febbraio 2009. F. Cheli. AERODYNAMICS IN OPEN AIR. Benvenuto e presentazione del Progetto (Trenitalia - Ing. Emilio Maestrini)

glyn
Télécharger la présentation

La caratterizzazione aerodinamica dell’ETR500

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. La caratterizzazione aerodinamica dell’ETR500 GIORNATA CIFI AERODYNAMICS IN OPEN AIR Firenze 20 febbraio 2009 F. Cheli

  2. AERODYNAMICS IN OPEN AIR • Benvenuto e presentazione del Progetto (Trenitalia - Ing. Emilio Maestrini) • Il fenomeno della “proiezione del ballast” (Trenitalia – Ing. Luca Bocciolini) • Le misure adottate da RFI (RFI – Ing. Mario Testa) • L’aerodinamica del sottocassa (Politecnico di Milano – Prof. Daniele Rocchi) • La sicurezza contro il vento laterale: la norma Cen 14067/6 e la TSI (Trenitalia – Ing. Gianpaolo Mancini) • La caratterizzazione aerodinamica dell’ETR 500 (Politecnico di Milano – Prof. Federico Cheli) • Lo studio della situazione meteo delle zone attraversate dalla linea AV Roma-Napoli (Università di Genova – Prof. Giovanni Solari) • L’analisi del rischio sulla linea AV Roma – Napoli (Politecnicodi Milano – Ing. Gisella Tomasini) • Provvedimenti adottati da RFI e cenno alla situazione internazionale (RFI – Mario Testa) • Conclusioni (Ing. Angelo Pezzati) 2

  3. LA CARATTERIZZAZIONE AERODINAMICA DELL’ETR500 IL VENTO TRASVERSALE SUI VEICOLI FERROVIARI • EFFETTI DEL VENTO TRASVERSALE: • sicurezza di marcia (ribaltamento, svio) • PARTICOLARMENTE CRITICO IN CONDIZIONI DI: • elevata velocità • improvvise variazioni dei carichi aerodinamici (uscita da gallerie, raffiche) • elevati valori di accelerazione non compensata (curva) • IL PROBLEMA E’ DI ESTREMA ATTUALITA’: • normative europee, specifiche su questo tema, in fase di definizione • su questo problema POLIMI farà al temine del meeting una proposta operativa

  4. LA CARATTERIZZAZIONE AERODINAMICA DELL’ETR500 RICERCA EUROPEA SUL VENTO TRASVERSALE Normative e progetti • Normative internazionali su treni: • TSI: Technical Specification for interoperability – Cross wind • EN 14067-6Railway applications — Aerodynamics  • Progetti internazionali: • AOA: Aerodynamics in Open Air E’ NECESSARIO DEFINIRE LE CONDIZIONI LIMITE PER UN TRENO SOGGETTO A VENTO TRASVERSALE CWC – Critical Wind Curve

  5. NORMATIVA EUROPEA TSI Responsabilità dell’Operatore: caratterizzare la propria flotta nei confronti del vento laterale Responsabilità del Gestore dell’infrastruttura: assicurare il permanere delle condizioni di sicurezza di marcia nelle condizioni di esercizio più critiche Responsabilità L’attuale revisione di TSI, della quale è in corso il processo di approvazione, comporta responsabilità a carico dell’Operatore e del Gestore dell’Infrastruttura 5

  6. Il mantenimento delle condizioni di sicurezza può avvenire: con riduzione locale e temporanea di velocità in presenza di venti superiori alle CWC installando protezioni nelle tratte di binario soggette a forti venti NORMATIVA EUROPEA TSI Linea interoperabile Una linea è dichiarata interoperabile se equipaggiata con un sistema di protezione atto a garantire la sicurezza di circolazione dei treni interoperabili. 6

  7. Tale livello è definito, per mezzo di un set di curve di riferimento caratteristiche (CWC) Per differenti condizioni operative e differenti scenari é definita la velocità critica del vento in funzione della velocità del treno I valori delle curve di riferimento rappresentano i requisiti minimi che deve soddisfare il materiale rotabile NORMATIVA EUROPEA TSI Veicolo interoperabile Un veicolo è dichiarato interoperabile se progettato e verificato in modo tale da garantire un livello di stabilità predefinito sotto l’effetto del vento laterale. 7

  8. INDICE Introduzione al problema Prove in galleria del vento Coefficienti aerodinamici CWC Conclusioni LA CARATTERIZZAZIONE AERODINAMICA DELL’ETR500 8

  9. Introduzione al problema Perché il problema è critico per i treni ad alta velocità? Fy FL FD Vtreno=250 km/h arel=25° UT=30 m/s Vrel =275 km/h= 75 m/s Fy = 5 tons Vtreno=0 Fy =14 tons Vtreno=250 km/h 9

  10. Introduzione al problema La caratteristica del vento reale Il vento reale è turbolento ed è una funzione del tempo e dello spazio [s] Storia temporale del vento 10

  11. spazio [m] tempo [s] Introduzione al problema Il vento “visto” dal treno Il treno si muove con velocità V attraverso questo profilo spazio temporale velocità del vento assoluta u(t,x) UT velocità del vento “vista” dal veicolo in movimento UT 11

  12. Introduzione al problema Le caratteristiche del vento relativo UT [s] V =70 m/s= 250 km/h arel=25° UT =30 m/s=105 km/h Vrel=75 m/s= 275 km/h 12

  13. FL FD Introduzione al problema Le forze aerodinamiche Sul treno nascono delle forze aerodinamiche funzioni del tempo che dipendono da: • velocità di avanzamento del veicolo Vtreno • profilo del vento trasversale • caratteristiche aerodinamiche del veicolo CFy Fy F [tons] Vtr=250 km/h arel=25° UT=30 m/s Vrel =275 km/h= 75 m/s [s] 13

  14. La CWC rappresenta la velocità limite del vento che porta il veicolo a superare I limiti della marcia in sicurezza Introduzione al problema Critical wind curve CWC Vtr Vtr= velocità treno U= velocità assoluta vento Vrel= velocità relativa bw= angolo di attacco relat. arel U Vrel Forze aerodinamiche Codice di simulazione multi-body 14

  15. La CWC rappresenta la velocità limite del vento che porta il veicolo a superare I limiti della marcia in sicurezza Introduzione al problema Critical wind curve CWC Safety index 15

  16. Introduzione al problema Vtr arel bw Vrel Critical wind curve CWC Ulim (velocità massima di raffica) funzione della velocità del treno e dell’angolo di incidenza del vento • Le CWC dipendono: • layout tracciato (rettilineo o curve con a.n.c.) • caratteristiche statistiche del vento (intensità di turbolenza, lunghezza di scala integrale,..) • tipo di veicolo (caratteristiche delle sospensioni, geometria, carico per asse, …) • scenario (rilevato, viadotto, trincea,…) U 16

  17. 2. Definizione del vento turbolento Introduzione al problema Calcolo delle CWC: Metodologia stocastica numerico-sperimentale CWC media e banda di incertezza (Umedia 3sCWC) 1. Test galleria del vento 5. CWC CFy 3. Funzione di ammettenza Forze aerodinamiche F(t,x,y,z) 4. Modello multi body della dinamica del veicolo 17

  18. INDICE Introduzione al problema Prove in galleria del vento Coefficienti aerodinamici CWC Conclusioni LA CARATTERIZZAZIONE AERODINAMICA DELL’ETR500 18

  19. 2 1 Prove in galleria del vento La galleria del vento del Politecnico di Milano 19

  20. Prove in galleria del vento La galleria del vento del Politecnico di Milano è stata accreditata per prove TSI tramite test su ICE2

  21. Prove in galleria del vento Scenari di riferimento Normativa TSI 2005 Embankment standard alto 6m Flat ground … Normativa CEN 2009 Single track ballast and rail

  22. Prove in galleria del vento Modello in scala 1:20 • Scenari: • viadotto standard • rilevato • camera boundary layer • (Re=1.0 105 – 2.5 105) Modello in scala 1:10 • Scenari: • flat ground • flat ground+ballast&rail • rilevato TSI • camera boundary layer e • high-speed • (Re=1.0 105 – 1.0 106) 22

  23. Prove in galleria del ventoModello in scala 1:10 Bilancia dinamometrica esterna Flat ground con e senza ballast&rail Boundary layer test section Modello sospeso VENTO P X Z b Barra di collegamento 192 - Bilancia dinamometrica Rilevato TSI alto 6m Flat ground con rail High speed test section Boundary layer test section 23

  24. Prove in galleria del ventoModello in scala 1:20 12.4m 2.5m 3.3m 6m 5.6m Bilancia dinamometrica interna CASSA CARRELLI Tipico rilevato italiano Tipico viadotto italiano 6m 30° 24

  25. INDICE Introduzione al problema Prove in galleria del vento Coefficienti aerodinamici CWC Conclusioni LA CARATTERIZZAZIONE AERODINAMICA DELL’ETR500 25

  26. Coefficienti aerodinamiciModello in scala 1:10 Wind Mx Fz • ETR500 • Flat ground con solo binario: confronto primo/secondo veicolo 26

  27. Coefficienti aerodinamiciModello in scala 1:10 Wind Mx Fz • ETR500 loco • Flat ground con solo binario: effetto Reynolds 27

  28. Coefficienti aerodinamiciModello in scala 1:10 Wind V2 without train Mx Fz V1 • ETR500 loco • Flat ground con e senza ballast and rail 28

  29. Coefficienti aerodinamiciModello in scala 1:10 Wind Mx Fz • ETR500 loco • Rilevato alto 6m: sopravento vs sottovento 29

  30. Coefficienti aerodinamiciModello in scala 1:10 Wind Mx Fz V2 Rilevato Rilevato V1 • ETR500 loco • rilevato vs flat ground: Coeff. di momento al rollio 30

  31. Coefficienti aerodinamiciModello in scala 1:10 Wind V2 without train Mx Fz V1 Rilevato Rilevato • ETR500 loco • rilevato vs flat ground: Coeff. forza verticale 31

  32. Coefficienti aerodinamiciModello in scala 1:10 Wind Mx Fz • ETR500 loco • Rilevato vs flat ground con Ballast&Rail Vref 2m sopra il binario Vref Vena libera 32

  33. Coefficienti aerodinamiciModello in scala 1:20 Wind Mx Fz • ETR500 loco • Viadotto (scala 1:20) vs flat ground (scala 1:10) 33

  34. Coefficienti aerodinamiciModello in scala 1:10 Wind Mx Fz • ETR500 loco • Validazione ETR500 come veicolo di riferimento con prove a CSTB • Flat ground con B&R • Pari numero di Reynolds Re=2.9 105 Re=2.9 105 34

  35. Coefficienti aerodinamiciModello in scala 1:10 Wind Mx Fz • ETR500 loco • Validazione ETR500 come veicolo di riferimento con prove a CSTB • Flat ground con B&R • Effetto numero di Reynolds 35

  36. Coefficienti aerodinamiciModello in scala 1:10 Wind Mx Fz • ETR500 è veicolo di riferimento • Confronto con ICE3 e TGV Rilevato Flat ground 36

  37. INDICE Introduzione al problema Prove in galleria del vento Coefficienti aerodinamici CWC Conclusioni LA CARATTERIZZAZIONE AERODINAMICA DELL’ETR500 37

  38. 2. Definizione del vento turbolento Calcolo delle CWC Metodologia stocastica numerico-sperimentale CWC media e banda di incertezza (Umedia 3sCWC) 1. Test galleria del vento 5. CWC CFy 3. Funzione di ammettenza Forze aerodinamiche F(t,x,y,z) 4. Modello multi body della dinamica del veicolo 38

  39. Calcolo delle CWC: definizione del vento Caratteristiche del vento turbolento Storia temporale del vento Profilo di velocità 39

  40. Calcolo delle CWC: definizione del vento Caratteristiche del vento turbolento Indice di turbolenza Von Karman PSD Funzione di coerenza spaziale Lunghezza di scala integrale 40

  41. [m/s] spazio [m] tempo [s] Calcolo delle CWC: definizione del vento Definizione della velocità del vento vista dal punto mobile Velocità del vento assoluta u(t,s) UT(t) velocità del vento di un punto di riferimento che si muove con il veicolo Poichè il vento è un fenomeno random, partendo dalle stesse proprietà statistiche è possibile generare infinte storie temporali 42

  42. 2. Definizione del vento turbolento Calcolo delle CWC: calcolo ammettenza Metodologia stocastica numerico-sperimentale CWC media e banda di incertezza (Umedia 3sCWC) 1. Test galleria del vento 5. CWC CFy 3. Funzione di ammettenza Forze aerodinamiche F(t,x,y,z) 4. Modello multi body della dinamica del veicolo 43

  43. Calcolo delle CWC: calcolo ammettenza Ammettenza aerodinamica misurata sperimentalmente 44

  44. Calcolo delle CWC: calcolo ammettenza Ammettenza aerodinamica Permette di tener conto della correlazione spaziale della distribuzione di velocità del vento tra due punti qualsiasi della superficie del veicolo in condizioni di vento turbolento • La funzione di ammettenza può essere valutata: • sperimentalmente, mediante prove in galleria in condizioni di vento turbolento • numericamente, mediante un modello sviluppato sulla base della teoria di Cooper 45

  45. 2. Definizione del vento turbolento Calcolo delle CWC: calcolo delle forze aerodinamiche Metodologia stocastica numerico-sperimentale CWC media e banda di incertezza (Umedia 3sCWC) 1. Test galleria del vento 5. CWC CFy 3. Funzione di ammettenza Forze aerodinamiche F(t,x,y,z) 4. Modello multi body della dinamica del veicolo 46

  46. U Vrel_TC è la velocità corretta con la funzione di ammettenza UTC Vrel_TC Calcolo delle CWC: calcolo delle forze aerodinamiche Definizione delle forze aerodinamiche: effetto della turbolenza TEORIA QUASI STATICA CORRETTA TEORIA QUASI STATICA V V UT(t) V brel Vrel UT 47

  47. 2. Definizione del vento turbolento Calcolo delle CWC: calcolo risposta dinamica veicolo Metodologia stocastica numerico-sperimentale CWC media e banda di incertezza (Umedia 3sCWC) 1. Test galleria del vento 5. CWC CFy 3. Funzione di ammettenza Forze aerodinamiche F(t,x,y,z) 4. Modello multi body della dinamica del veicolo 48

  48. Calcolo delle CWC: calcolo delle forze aerodinamiche Modello MB di simulazione dinamica • Caratteristiche: • marcia in rettilineo/curva • effetti non lineari associati alle sospensioni (tamponi,…) • reali profili di contatto • irregolarità binario 49

  49. 2. Definizione del vento turbolento Calcolo delle CWC: calcolo risposta dinamica veicolo Metodologia stocastica numerico-sperimentale CWC media e banda di incertezza (Umedia 3sCWC) 1. Test galleria del vento 5. CWC CFy 3. Funzione di ammettenza Forze aerodinamiche F(t,x,y,z) 4. Modello multi body della dinamica del veicolo 50

  50. Calcolo delle CWC Indici di sicurezza: definizioni Qup carico verticale ruota sopravento Ribaltamento (filtro 2 Hz) Qdown carico verticale ruota sottovento Qup0 carico verticale ruota statico Scarico ruota (filtro 2 Hz) Proud’homme Svio (non significativo) 51

More Related