la caratterizzazione aerodinamica dell’etr500

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

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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) - PowerPoint PPT Presentation

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Page 1: La caratterizzazione aerodinamica dell’ETR500

La caratterizzazione aerodinamica dell’ETR500

F. Cheli

GIORNATA CIFI

AERODYNAMICS IN OPEN AIRFirenze 20 febbraio 2009

Page 2: La caratterizzazione aerodinamica dell’ETR500

F. Cheli 2

• 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 (Politecnico di Milano – Ing. Gisella Tomasini) • Provvedimenti adottati da RFI e cenno alla situazione internazionale (RFI – Mario Testa)• Conclusioni (Ing. Angelo Pezzati)

AERODYNAMICS IN OPEN AIR

Page 3: La caratterizzazione aerodinamica dell’ETR500

F. Cheli 3

LA CARATTERIZZAZIONE AERODINAMICA DELL’ETR500

IL VENTO TRASVERSALE SUI VEICOLI FERROVIARI

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

EFFETTI DEL VENTO TRASVERSALE:• sicurezza di marcia (ribaltamento, svio)

Page 4: La caratterizzazione aerodinamica dell’ETR500

F. Cheli 4

E’ NECESSARIO DEFINIRE LE CONDIZIONI LIMITE PER UN TRENO SOGGETTO A VENTO TRASVERSALE

CWC – Critical Wind Curve

Normative internazionali su treni:• TSI: Technical Specification for interoperability – Cross wind• EN 14067-6 Railway applications — Aerodynamics 

Progetti internazionali:• AOA: Aerodynamics in Open Air

RICERCA EUROPEA SUL VENTO TRASVERSALE

Normative e progetti

LA CARATTERIZZAZIONE AERODINAMICA DELL’ETR500

Page 5: La caratterizzazione aerodinamica dell’ETR500

F. Cheli

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

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

Responsabilità

5

Page 6: La caratterizzazione aerodinamica dell’ETR500

F. Cheli

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

Una Una linealinea è dichiarata è dichiarata interoperabileinteroperabile se equipaggiata se equipaggiata con un sistema di protezione atto a garantire la con un sistema di protezione atto a garantire la sicurezza di circolazione dei treni interoperabili.sicurezza di circolazione dei treni interoperabili.

NORMATIVA EUROPEA TSI

Linea interoperabile

6

Page 7: La caratterizzazione aerodinamica dell’ETR500

F. Cheli

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

Un Un veicoloveicolo è dichiarato è dichiarato interoperabileinteroperabile se progettato e se progettato e verificato in modo tale da garantire un livello di stabilità verificato in modo tale da garantire un livello di stabilità

predefinito sotto l’effetto del vento laterale. predefinito sotto l’effetto del vento laterale.

Veicolo interoperabile

NORMATIVA EUROPEA TSI

7

Page 8: La caratterizzazione aerodinamica dell’ETR500

F. Cheli

INDICE

• Introduzione al problema• Prove in galleria del vento• Coefficienti aerodinamici• CWC• Conclusioni

LA CARATTERIZZAZIONE AERODINAMICA DELL’ETR500

8

Page 9: La caratterizzazione aerodinamica dell’ETR500

F. Cheli

Introduzione al problema

Perché il problema è critico per i treni ad alta velocità?

UT=30 m/sVrel =275 km/h= 75 m/s

rel =25°

Vtreno=250 km/h

FFyy = 5 tons V = 5 tons Vtrenotreno=0=0FFyy =14 tons V =14 tons Vtrenotreno=250 km/h=250 km/h

FFDDFFLL

0 20 40 60 80 100-1.4

-1.2

-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

C

Fy

FFyy

212 rely FyF C AV

9

Page 10: La caratterizzazione aerodinamica dell’ETR500

F. Cheli

Introduzione al problema

Il vento reale è turbolento ed è una funzione del tempo e dello spazio

La caratteristica del vento reale

[s]

Storia temporale del vento

10

Page 11: La caratterizzazione aerodinamica dell’ETR500

F. Cheli

Introduzione al problema

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

tempo [s]spazio [m]

UT

Il vento “visto” dal treno

11

Page 12: La caratterizzazione aerodinamica dell’ETR500

F. Cheli

UT =30 m/s=105 km/h

V =70 m/s= 250 km/h

Vrel=75 m/s= 275 km/h

rel=25°

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 1000020

40

60

80

100Uj (t) wind speed at a fixed reference point

[m/s

]

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 1000020

40

60

80

100UT (t) wind speed at a point moving with the train V = 300 km/h

[m/s

]

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 1000020

40

60

80

100Uj (t) wind speed at a fixed reference point

[m/s

]

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 1000020

40

60

80

100UT (t) wind speed at a point moving with the train V = 300 km/h

[m/s

]

Introduzione al problema

Le caratteristiche del vento relativo

[s]

UT

12

Page 13: La caratterizzazione aerodinamica dell’ETR500

F. Cheli

Introduzione al problema

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

0 50 100 150-15

-10

-5

0 x 104

F [tons]F [tons]

[s][s]

Le forze aerodinamiche

UT=30 m/s

Vrel =275 km/h= 75 m/s

rel =25°Vtr=250 km/h

FFDDFFLL

FFyy

212 rely FyF C AV

13

Page 14: La caratterizzazione aerodinamica dell’ETR500

F. Cheli 14

La CWC rappresenta la velocità limite del vento che porta il veicolo a superare I limiti della marcia in sicurezza

Vtr= velocità trenoU= velocità assoluta vento Vrel= velocità relativaw= angolo di attacco relat.

Introduzione al problema

Critical wind curve CWC

UVrel

rel

Vtr

Forze aerodinamicheForze aerodinamiche

Codice di Codice di simulazione simulazione multi-bodymulti-body

Page 15: La caratterizzazione aerodinamica dell’ETR500

F. Cheli 15

La CWC rappresenta la velocità limite del vento che porta il veicolo a superare I limiti della marcia in sicurezza

Vtr

U

0 20 40 60 80 100 1200

0.5

1

Q

/Q0

[s]

Saf

ety

inde

x trV -U U

trV

Introduzione al problema

Critical wind curve CWC

Page 16: La caratterizzazione aerodinamica dell’ETR500

F. Cheli

Introduzione al problema

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,…)

CWC

0

10

20

30

40

50

0 20 40 60 80 100

bw [deg]

Ulim

[m/s

]

Vtr=250 km/hVtr=260 km/hVtr=270 km/hVtr=280 km/hVtr=290 km/hVtr=300 km/hVtr=310 km/hVtr=320 km/hVtr=330 km/hVtr=340 km/hVtr=350 km/h

Critical wind curve CWC

U

Vrel

rel

Vtr

w

16

Page 17: La caratterizzazione aerodinamica dell’ETR500

F. Cheli

Calcolo delle CWC: Metodologia stocastica numerico-sperimentale

Introduzione al problema

17

3. Funzione di ammettenza

Forze aerodinamiche F(t,x,y,z)

0

200

400

0

50

100

1500

50

[m][s]

[m/s

]0 20 40 60 80 100 120

0

10

20

30

U T [m/s

][s]

2. Definizione del vento turbolento

CFy

1. Test galleria del

vento

4. Modello multi body della

dinamica del veicolo

5. CWC

CWC media e banda di incertezza (Umedia 3

CWC)

0 20 40 60 80 10020

40

60

80

100

120

140

160

180

[deg]

Ug [m

/s]

Page 18: La caratterizzazione aerodinamica dell’ETR500

F. Cheli

INDICE

• Introduzione al problema• Prove in galleria del vento• Coefficienti aerodinamici• CWC• Conclusioni

LA CARATTERIZZAZIONE AERODINAMICA DELL’ETR500

18

Page 19: La caratterizzazione aerodinamica dell’ETR500

F. Cheli

2

1Potenza massima installata

Dimensioni globali1.5

50 x 15 x 15[MW][m]

Sezione di misuraDimensioni

[m]Max Vel.

[m/s]I=/u

%Boundary layer (2) 14 x 4 18 < ± 2 %

High speed (1) 4 x 4 60 < ± 0.2 %

Prove in galleria del vento

La galleria del vento del Politecnico di Milano

19

Page 20: La caratterizzazione aerodinamica dell’ETR500

F. Cheli

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

0 20 40 60 80 1000

2

4

6

8

[°]

CM

x

POLIMIDB

Prove in galleria del vento

Page 21: La caratterizzazione aerodinamica dell’ETR500

F. Cheli

Normativa TSI 2005

Normativa CEN 2009

Flat groundEmbankment standard alto 6m

Single track ballast and rail

Prove in galleria del vento

Scenari di riferimento

Page 22: La caratterizzazione aerodinamica dell’ETR500

F. Cheli

Modello in scala 1:20

Prove in galleria del vento

Modello in scala 1:10

Scenari:- viadotto standard- rilevato- camera boundary layer (Re=1.0 105 – 2.5 105)

Scenari:- flat ground- flat ground+ballast&rail- rilevato TSI- camera boundary layer e high-speed (Re=1.0 105 – 1.0 106)

22

Page 23: La caratterizzazione aerodinamica dell’ETR500

F. Cheli

Prove in galleria del ventoModello in scala 1:10

Rilevato TSI alto 6m

Flat ground con e senza ballast&railBoundary layer test section

Boundary layer test section High speed test sectionFlat ground con rail

Bilancia dinamometrica esterna

Z X

192- Bilancia dinamometrica

Barra di collegamento

P

Modello sospeso

VENTO

23

Page 24: La caratterizzazione aerodinamica dell’ETR500

F. Cheli

Prove in galleria del ventoModello in scala 1:20

12.4m

2.5m

5.6m

3.3m6m

Tipico viadotto italiano

Bilancia dinamometrica interna

UPPER PLATE

LOWER PLATE

VERTICAL DYNAMOMETERS

LONGITUDINAL DYNAMOMETER

LATERAL DYNAMOMETERS

LATERAL VIEW

CASSA

CARRELLI

Tipico rilevato italiano

24

6m

30°

Page 25: La caratterizzazione aerodinamica dell’ETR500

F.Cheli

INDICE

• Introduzione al problema• Prove in galleria del vento• Coefficienti aerodinamici• CWC• Conclusioni

LA CARATTERIZZAZIONE AERODINAMICA DELL’ETR500

25

Page 26: La caratterizzazione aerodinamica dell’ETR500

F.Cheli

• ETR500• Flat ground con solo binario: confronto primo/secondo veicolo

Wind

Fz

Mx 212

zFz

FCU S

21

2

zMz

MCU Sh

210S m210 3S m H m

Coefficienti aerodinamiciModello in scala 1:10

26

0 20 40 60 80-8

-6

-4

-2

0

2

w

[°]

CFz

LocomotivaCarrozza

0 20 40 60 800

1

2

3

4

5

6

7

w [°]

CM

x

LocomotivaCarrozza

Page 27: La caratterizzazione aerodinamica dell’ETR500

F.Cheli

• ETR500 loco• Flat ground con solo binario: effetto Reynolds

212

zFz

FCU S

212

zMz

MCU Sh

210S m210 3S m H m

27

0 5 10 15 20 25 300

1

2

3

4

[deg]

Cm

x

Re=2 105

Re=5.6 105

Re=1.1 106

0 5 10 15 20 25 30-5

-4

-3

-2

-1

0

1

[deg]

Cfz

Re=2 105

Re=5.6 105

Re=1.1 106

Coefficienti aerodinamiciModello in scala 1:10

Wind

Fz

Mx

Page 28: La caratterizzazione aerodinamica dell’ETR500

F.Cheli

V1

V2 without train

• ETR500 loco• Flat ground con e senza ballast and rail

0 20 40 60 800

1

2

3

4

5

6

7

w [°]

CM

x

Flat ground con B&RFlat ground

0 20 40 60 80 100-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

w [°]

CFz

Flat ground con B&RFlat ground

28

Coefficienti aerodinamiciModello in scala 1:10

Wind

Fz

Mx

Page 29: La caratterizzazione aerodinamica dell’ETR500

F.Cheli

0 20 40 60 80-8

-6

-4

-2

0

2

w

[°]

CFz

sopraventosottovento

0 20 40 60 800

1

2

3

4

5

6

7

w

[°]

CM

x

sopraventosottovento

• ETR500 loco• Rilevato alto 6m: sopravento vs sottovento

212

zFz

FCU S

210S m

212

zMz

MCU Sh

210 3S m H m

29

Coefficienti aerodinamiciModello in scala 1:10

Wind

Fz

Mx

Page 30: La caratterizzazione aerodinamica dell’ETR500

F.Cheli

0 20 40 60 800

1

2

3

4

5

6

7

w [°]

CM

x

Flat groundEmbankment - V

1Embankment - V

2

RilevatoRilevato

• ETR500 loco• rilevato vs flat ground: Coeff. di momento al rollio

V2

V1

30

Coefficienti aerodinamiciModello in scala 1:10

Wind

Fz

Mx

Page 31: La caratterizzazione aerodinamica dell’ETR500

F.Cheli

0 20 40 60 80 100-4

-3

-2

-1

0

1

w

[°]

CFz

Flat groundEmbankment - V

1Embankment - V

2

RilevatoRilevato

V1

V2 without train

• ETR500 loco• rilevato vs flat ground: Coeff. forza verticale

31

Coefficienti aerodinamiciModello in scala 1:10

Wind

Fz

Mx

Page 32: La caratterizzazione aerodinamica dell’ETR500

F.Cheli

0 20 40 60 80 100-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

w

[°]

CFz

Rilevato V

ref - vena libera

Rilevato - Vref

sopra

Flat ground con B&R

0 20 40 60 800

1

2

3

4

5

6

7

w

[°]

CM

x

Rilevato Vref

- vena libera

Rilavato - Vref

sopra

Flat ground con B&R

Vref Vena libera

• ETR500 loco• Rilevato vs flat ground con Ballast&Rail

32

Coefficienti aerodinamiciModello in scala 1:10

Vref 2m sopra il binario Wind

Fz

Mx

Page 33: La caratterizzazione aerodinamica dell’ETR500

F.Cheli

0 20 40 60 800

1

2

3

4

5

6

7

w [°]

CM

x

Flat ground (scala 1:10)Viadotto sopravento (scala 1:20)Viadotto sottovento (scala 1:20)

0 20 40 60 80-8

-6

-4

-2

0

2

w

[°]

CFz

Flat ground (scala 1:10)Viadotto sopravento (scala 1:20)Viadotto sottovento (scala 1:20)

• ETR500 loco• Viadotto (scala 1:20) vs flat ground (scala 1:10)

33

Coefficienti aerodinamiciModello in scala 1:20

Wind

Fz

Mx

Page 34: La caratterizzazione aerodinamica dell’ETR500

F.Cheli

• ETR500 loco• Validazione ETR500 come veicolo di riferimento con prove a CSTB• Flat ground con B&R• Pari numero di Reynolds

0 20 40 60 80 100-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

CFz

[deg]

POLIMISCTB

0 20 40 60 80 1000

1

2

3

4

5

6

7

8

CM

x

[deg]

POLIMISCTB

34

Coefficienti aerodinamiciModello in scala 1:10

Re=2.9 105 Re=2.9 105

Wind

Fz

Mx

Page 35: La caratterizzazione aerodinamica dell’ETR500

F.Cheli

• ETR500 loco• Validazione ETR500 come veicolo di riferimento con prove a CSTB• Flat ground con B&R• Effetto numero di Reynolds

0 20 40 60 80 100-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

CFz

[deg]

POLIMI - Re=2.9

SCTB mean Re=[3.1 105 - 7.4 105]

0 20 40 60 80 1000

1

2

3

4

5

6

7

8

CM

x

[deg]

POLIMI - Re=2.9

SCTB mean Re=[3.1 105 - 7.4 105]

35

Coefficienti aerodinamiciModello in scala 1:10

Wind

Fz

Mx

Page 36: La caratterizzazione aerodinamica dell’ETR500

F.Cheli

Flat ground

0.00

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

6.00

7.00

8.00

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 [°]

Cm

x 500ICE3TGV

Rilevato

-1

0

1

2

3

4

5

6

7

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

[°]

Cm

x

TGVETR500ICE3

• ETR500 è veicolo di riferimento • Confronto con ICE3 e TGV

36

Coefficienti aerodinamiciModello in scala 1:10

Rilevato

Flat ground

Wind

Fz

Mx

Page 37: La caratterizzazione aerodinamica dell’ETR500

F.Cheli

INDICE

• Introduzione al problema• Prove in galleria del vento• Coefficienti aerodinamici• CWC• Conclusioni

LA CARATTERIZZAZIONE AERODINAMICA DELL’ETR500

37

Page 38: La caratterizzazione aerodinamica dell’ETR500

F. Cheli

3. Funzione di ammettenza

Forze aerodinamiche F(t,x,y,z)

0

200

400

0

50

100

1500

50

[m][s]

[m/s

]0 20 40 60 80 100 120

0

10

20

30

U T [m/s

][s]

2. Definizione del vento turbolento

CFy

1. Test galleria del

vento

4. Modello multi body della

dinamica del veicolo

5. CWC

CWC media e banda di incertezza (Umedia 3

CWC)

0 20 40 60 80 10020

40

60

80

100

120

140

160

180

[deg]

Ug [m

/s]

Calcolo delle CWC

38

Metodologia stocastica numerico-sperimentale

Page 39: La caratterizzazione aerodinamica dell’ETR500

F. Cheli

Storia temporale del vento

Tipo di terreno z0 [m] Iu [%]

I. Mare aperto 0.001 0.05

II. Aperta campagna 0.05 0.13

III. Aree boscose, piccole città 0.15 0.24

IV. Aree centrali di grandi città 0.5 0.44

Profilo di velocità

Calcolo delle CWC: definizione del vento

Caratteristiche del vento turbolento

39

Page 40: La caratterizzazione aerodinamica dell’ETR500

F. Cheli

Funzione di coerenza spaziale

x y zu u uL L L

uuI U

Indice di turbolenza

Lunghezza di scala integrale

Von Karman PSD

10-2

10-1

100

101

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

uu(

r)

y=1 my=10 my=25 my=50 my=90 my=130 m

10-2

100

10210

-4

10-3

10-2

10-1

100

f xLu/Uf*

Suu

/u2

Caratteristiche del vento turbolento

40

Calcolo delle CWC: definizione del vento

Page 41: La caratterizzazione aerodinamica dell’ETR500

F. Cheli

Velocità del vento assolutau(t,s)

tempo [s]spazio [m]

[m/s

]

UT(t) velocità del vento di un punto di riferimento che si muove con il veicolo

0 20 40 60 80 100 12020

30

40

50

60

70

80

90

100UTC (t) [km/h]

[s]

Definizione della velocità del vento vista dal punto mobile

Poichè il vento è un fenomeno random, partendo dalle stesse proprietà statistiche è possibile generare infinte storie temporali

42

Calcolo delle CWC: definizione del vento

Page 42: La caratterizzazione aerodinamica dell’ETR500

F. Cheli

3. Funzione di ammettenza

Forze aerodinamiche F(t,x,y,z)

0

200

400

0

50

100

1500

50

[m][s]

[m/s

]

0 20 40 60 80 100 1200

10

20

30

U T [m/s

][s]

2. Definizione del vento turbolento

CFy

1. Test galleria del

vento

4. Modello multi body della

dinamica del veicolo

5. CWC

CWC media e banda di incertezza (Umedia 3

CWC)

0 20 40 60 80 10020

40

60

80

100

120

140

160

180

[deg]

Ug [m

/s]

43

Calcolo delle CWC: calcolo ammettenza

Metodologia stocastica numerico-sperimentale

Page 43: La caratterizzazione aerodinamica dell’ETR500

F. Cheli

0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.60

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

U/Urif

z [m

]

SperimentalePower low IIPower low III

Ammettenza aerodinamica misurata sperimentalmente

44

Calcolo delle CWC: calcolo ammettenza

Page 44: La caratterizzazione aerodinamica dell’ETR500

F. Cheli

10-2

10-1

100

101

10-3

10-2

10-1

100

f xLu/U

H2

Permette di tener conto della correlazione spaziale correlazione spaziale della distribuzione di velocità del vento tra due punti qualsiasi della superficie del veicolo in condizioni di vento turbolento

2( ) mis

statica

Fn

F

PSDH f

PSD

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

Ammettenza aerodinamica

45

Calcolo delle CWC: calcolo ammettenza

Page 45: La caratterizzazione aerodinamica dell’ETR500

F. Cheli

3. Funzione di ammettenza

Forze aerodinamiche F(t,x,y,z)

0

200

400

0

50

100

1500

50

[m][s]

[m/s

]

0 20 40 60 80 100 1200

10

20

30

U T [m/s

][s]

2. Definizione del vento turbolento

CFy

1. Test galleria del

vento

4. Modello multi body della

dinamica del veicolo

5. CWC

CWC media e banda di incertezza (Umedia 3

CWC)

0 20 40 60 80 10020

40

60

80

100

120

140

160

180

[deg]

Ug [m

/s]

Calcolo delle CWC: calcolo delle forze aerodinamiche

46

Metodologia stocastica numerico-sperimentale

Page 46: La caratterizzazione aerodinamica dell’ETR500

F. Cheli

TEORIA QUASI STATICA CORRETTA

21 ( )2 rel relF AC V

UT(t) U

V V

TEORIA QUASI STATICA

Definizione delle forze aerodinamiche: effetto della turbolenza

2

_1( )2 rel rel TCVF t AC

UT

V

Vrel

rel

Vrel_TC è la velocità corretta con la funzione di ammettenza

Vrel_TCUTC

47

Calcolo delle CWC: calcolo delle forze aerodinamiche

Page 47: La caratterizzazione aerodinamica dell’ETR500

F. Cheli

3. Funzione di ammettenza

Forze aerodinamiche F(t,x,y,z)

0

200

400

0

50

100

1500

50

[m][s]

[m/s

]

0 20 40 60 80 100 1200

10

20

30

U T [m/s

][s]

2. Definizione del vento turbolento

CFy

1. Test galleria del

vento

4. Modello multi body della

dinamica del veicolo

5. CWC

CWC media e banda di incertezza (Umedia 3

CWC)

0 20 40 60 80 10020

40

60

80

100

120

140

160

180

[deg]

Ug [m

/s]

48

Calcolo delle CWC: calcolo risposta dinamica veicolo

Metodologia stocastica numerico-sperimentale

Page 48: La caratterizzazione aerodinamica dell’ETR500

F. Cheli

Caratteristiche:

- marcia in rettilineo/curva

- effetti non lineari associati alle sospensioni (tamponi,…)

- reali profili di contatto

- irregolarità binario

Modello MB di simulazione dinamica

49

Calcolo delle CWC: calcolo delle forze aerodinamiche

Page 49: La caratterizzazione aerodinamica dell’ETR500

F. Cheli

3. Funzione di ammettenza

Forze aerodinamiche F(t,x,y,z)

0

200

400

0

50

100

1500

50

[m][s]

[m/s

]

0 20 40 60 80 100 1200

10

20

30

U T [m/s

][s]

2. Definizione del vento turbolento

CFy

1. Test galleria del

vento

4. Modello multi body della

dinamica del veicolo

5. CWC

CWC media e banda di incertezza (Umedia 3

CWC)

0 20 40 60 80 10020

40

60

80

100

120

140

160

180

[deg]

Ug [m

/s]

50

Calcolo delle CWC: calcolo risposta dinamica veicolo

Metodologia stocastica numerico-sperimentale

Page 50: La caratterizzazione aerodinamica dell’ETR500

F. Cheli

Scarico ruota

(filtro 2 Hz)

2

up_ k down_ kk=12

up_ k down_ kk=1

1 1_ lim

Q - Q

Q + Qη = ≤η =0.9Ribaltamento

(filtro 2 Hz)

02m lim

P∑Y =α 10+3Proud’homme

Qup carico verticale ruota sopraventoQdown carico verticale ruota sottovento

Svio (non significativo)

2

up_ kk=12

up0_ kk=1

2 2_ lim

Q

Qη = η =0.1

Qup0 carico verticale ruota statico

Indici di sicurezza: definizioni

51

Calcolo delle CWC

Page 51: La caratterizzazione aerodinamica dell’ETR500

F. Cheli

0 50 100 150-15

-10

-5

0 x 104

Forza aerodinamica

Forze verticali di contatto

0 50 100 1500

2

4

6

8

10 x 104

0 50 100 1500

0.5

1

1.5

Calcolo indici di sicurezza

CWCCWC

Modello multibody del veicolo

Calcolo delle CWC

Schema

52

Page 52: La caratterizzazione aerodinamica dell’ETR500

F. Cheli

Coefficiente di scarico ruota

0

10

20

30

40

50

100 150 200 250 300 350

V [km/h]

Ulim

[m/s

]

CWC0 50 100 150

0

0.5

1

1.5

U=U1

0 20 40 60 80 100 1200

0.5

1

[s]

2

carrello 1carrello 2soglia

lim 1 3 uU U I

U=U2

V=V

2

up_ kk=12

up0_ kk=1

2 2_ lim

Q

Qη = η =0.1

Calcolo delle CWC

Definizione della CWC

53

Page 53: La caratterizzazione aerodinamica dell’ETR500

F. Cheli

STOCHASTIC APPROACH

Calcolo delle CWC

0 20 40 60 80 10020

40

60

80

100

120

140

160

180

[deg]

Ug [m

/s]

10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 305

10

15

20

25

30

35

time [s]

UT [

m/s

]

Definizione della distribuzione di CWCFisse caratteritiche del vento

CWCs Fissato veicolo – scenario – vento

Differenti storie temporali

0 20 40 60 80 10020

40

60

80

100

120

140

160

180

[deg]

Ug [m

/s]

CWC media e BANDA di incertezzaCWC media e BANDA di incertezza

54

Page 54: La caratterizzazione aerodinamica dell’ETR500

F. Cheli

CWC ETR500

100 150 200 250 300 350

25

30

35

40

45

50

[km/h]

Ug [m

/s]

STOCASTICOCH TSI limit

55

100 150 200 250 300 350

25

30

35

40

45

50

[km/h]

Ug [m

/s]

STOCASTICOCHTSI limit

Rettilineo Curva aq=1 m/s2

Scenario flat ground

Page 55: La caratterizzazione aerodinamica dell’ETR500

F. Cheli

CWC ETR500

56

Scenario flat ground V= 300 km/h

0 20 40 60 80 10020

30

40

50

60

70

80

w [°]

Ug [m

/s]

STOCASTICCHTSI Limit

Page 56: La caratterizzazione aerodinamica dell’ETR500

F. Cheli

INDICE

• Introduzione al problema• Prove in galleria del vento• Coefficienti aerodinamici• CWC• Conclusioni

LA CARATTERIZZAZIONE AERODINAMICA DELL’ETR500

57

Page 57: La caratterizzazione aerodinamica dell’ETR500

F. Cheli

CONCLUSIONI

58

• galleria del vento italiana accreditata

• ETR500 treno accreditato TSI

• messa a punto metodologia stocastica italiana

• utilizzo della metodologia per analisi rischio linea

• utilizzo della metodologia come ausilio progettazione linee

• metodologia stocastica attualmente inserita tra i metodi utilizzabili per il calcolo delle CWC all’interna della nuova normativa CEN sul vento trasversale

• crescita di un team RFI, Trenitalia, Unige, PoliMi che deve continuare ad essere presente a livello europeo

proposta PoliMi ……

Page 58: La caratterizzazione aerodinamica dell’ETR500

F. Cheli 59

• 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 (Politecnico di Milano – Ing. Gisella Tomasini)

•Provvedimenti adottati da RFI e cenno alla situazione internazionale (RFI – Mario Testa)• Conclusioni (Ing. Angelo Pezzati)

AERODYNAMICS IN OPEN AIR