Numerické a experimentální vyšetřování aerodymanického zatížení okolí tratě při jízdě prostředků vysokorychlostní železniční dopravy

Ing. Jakub NOVÁK

Doctoral thesis

Numerical and experimental investigation of aerodynamic loads on track vicinity within the high-speed railway means of transport operation

Abstract:

Aerodynamika vysokorychlostní železniční dopravy je dnes jedním z hlavních témat při homologaci nových železničních vozidel a vysokorychlostních tratí pro provoz v rámci evropské železniční sítě. Zvýšený zájem o aerodynamiku pramení především v úsilí o vyšší bezpečnost a ochranu zdraví účastníků přepravy (cestujících, posádky a drážních pracovníků) a hospodárnost jízdy souprav při vysokých rychlostech. Technická a provozní bezpečnost vozidel z pohledu aerodynamiky se přitom prokazuje jak prostřednictvím zkoušek na prototypu tak výpočtově prostřednictvím metod výpočtové dynamiky tekutin (CFD) a v případě vyšetřování stability vozidel zatížených účinky bočního větru využitím CFD ve spojení s multibody simulacemi (MBS). V současných normách, předpisech a specifikacích zkušební postupy, podmínky testování a způsob vyhodnocení záznamů stále nejsou uvedeny jednotně a často se opírají o empirické vztahy stanovené národními výrobci železničních vozidel, které zahrnují řadu bezpečnostních faktorů. Požadavky na postupy při realizaci CFD simulací včetně definice většiny parametrů fyzikálně-matematického modelu v těchto předpisech dokonce nejsou uvedeny vůbec nebo jen velmi obecně. Značná část disertační práce je věnována vymezení základních teoretických poznatků a pojmů, které jsou nejčastěji skloňovány v souvislosti s aerodynamikou vozidel vysokorychlostní železniční dopravy a které byly ve světě doposud publikovány. Zejména se jedná o vysvětlení vzniku a působení aerodynamických sil a momentů na jedoucí vozidla včetně uvedení praktických podnětů pro optimalizaci tvaru skříně při návrhu nových železničních vozidel. V disertační práci jsou dále popsány a vysvětleny aerodynamické účinky jízdy železničních vozidel na okolí tratě i na sebe sama prostřednictvím interakce s okolními objekty včetně uvedení výsledků z CFD simulací, které byly provedeny s modelovou vlakovou soupravou pro několik režimů jízdy - jízdu ve volném prostoru, jízdu podél nástupiště a průjezd tunelem. Použité postupy pro numerické modelování včetně popisu metody pro simulaci pohybu vlakové soupravy ve výpočtové oblasti jsou následně podrobněji specifikovány ve zvláštní kapitole.

Abstract:

Aerodynamics of high-speed railway transport is nowadays one of the main subjects when approving new rail vehicles and high-speed tracks for operation on European trackage. Increased interest about aerodynamics comes from the effort to improve safety and health protection of transport participants (passengers, crew and railway workers) and economy of the train operation within high speeds. Nowadays, technical and operational safety of the vehicles from the aerodynamics point of view is being declared both by tests on prototype and computationally by methods of computational fluid dynamics (CFD) or, in case of assessment of vehicle stability under side wind action, by CFD in connection with multibody simulations (MBS). Inside present norms, specifications and regulations, there are the test procedures, testing conditions and the methodology of records evaluation still not being stated explicitly and summarily and often they lean on empirical relations provided by national producers of railway vehicles which covers several safety parameters. Moreover, the requirements on procedure for realization CFD simulations including definition of most of the physical-mathematical model parameters there are not stated at all or only very generally. Substantial part of the doctoral thesis is focused on determination of the fundamental theoretical findings and terms, which are most often respected in connection with high-speed railway transport aerodynamics and which have been published abroad so far. Especially it means explication of background of aerodynamic forces and moments acting on operating vehicle including practical suggestions for the body shape optimization when designing new railway vehicles. Furthermore, in the doctoral thesis there are described and interpreted aerodynamic effects of railway vehicles operation both on the rail vicinity and on the vehicle itself via interaction with the surrounding objects including the results from CFD simulations realized with the model train set for several important regimes of operation - passage in open track, passage along the platform and passage through the tunnel. In an individual section there is subsequently specified the procedure applied in numerical modeling including description of the method for train set motion simulation in the computational domain.

Keywords

Aerodynamika, vysokorychlostní vozidlo, železnice, aerodynamické síly a momenty, stabilita vozidel, jízdní odpor, výpočtová dynamika tekutin, boční vítr, železniční tunel

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 2. 8. 2011

Accessible from:: 2. 8. 2011

Thesis defence

University of West Bohemia

Faculty of Mechanical Engineering

Doctoral programme / field:
Mechanical Engineering / Thermomechanics and Fluid Mechanics