La caratterizzazione aerodinamica dellETR500 F. Cheli GIORNATA CIFI AERODYNAMICS IN OPEN AIR Firenze...
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La caratterizzazione aerodinamica dell’ETR500
F. Cheli
GIORNATA CIFI
AERODYNAMICS IN OPEN AIR
Firenze 20 febbraio 2009
GIORNATA CIFI
AERODYNAMICS IN OPEN AIR
Firenze 20 febbraio 2009
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 AIRAERODYNAMICS IN OPEN AIR
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)
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 Normative e progetti
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
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 Responsabilità
5
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.
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 Linea interoperabile
6
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.
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 Veicolo interoperabile
NORMATIVA EUROPEA TSI
7
F. Cheli
INDICE
• Introduzione al problema• Prove in galleria del vento• Coefficienti aerodinamici• CWC• Conclusioni
LA CARATTERIZZAZIONE AERODINAMICA DELL’ETR500
8
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=0
FFyy =14 tons V =14 tons Vtrenotreno=250 km/h=250 km/h
FFyy = 5 tons V = 5 tons Vtrenotreno=0=0
FFyy =14 tons V =14 tons Vtrenotreno=250 km/h=250 km/h
FFDDFFDD FFLL
FFLL
0 20 40 60 80 100-1.4
-1.2
-1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
C
Fy
FFyyFFyy
212 rely FyF C AV
9
F. Cheli
Introduzione al problema
Il vento reale è turbolento ed è una funzione del tempo e dello spazio
La caratteristica del vento reale La caratteristica del vento reale
[s][s]
Storia temporale del vento
10
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 trenoIl vento “visto” dal treno
11
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
100
Uj (t) wind speed at a fixed reference point
[m
/s]
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 1000020
40
60
80
100
UT (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
100
Uj (t) wind speed at a fixed reference point
[m
/s]
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 1000020
40
60
80
100
UT (t) wind speed at a point moving with the train V = 300 km/h
[m
/s]
Introduzione al problema
Le caratteristiche del vento relativo Le caratteristiche del vento relativo
[s][s]
UTUT
12
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
0x 10
4
F [tons]F [tons]F [tons]F [tons]
[s][s] [s][s]
Le forze aerodinamiche Le forze aerodinamiche
UT=30 m/s
Vrel =275 km/h= 75 m/s
rel =25°
Vtr=250 km/hFFDD
FFDD FFLLFFLL
FFyyFFyy
212 rely FyF C AV
13
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 treno
U= velocità assoluta vento
Vrel= velocità relativa
w= angolo di attacco relat.
Introduzione al problema
Critical wind curve CWC Critical wind curve CWC
UVrel
rel
Vtr
Forze aerodinamicheForze aerodinamicheForze aerodinamicheForze aerodinamiche
Codice di Codice di simulazione simulazione multi-bodymulti-body
Codice di Codice di simulazione simulazione multi-bodymulti-body
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 Critical wind curve CWC
F. Cheli
Introduzione al problema
Ulim (velocità massima di raffica) funzione della velocità del treno e dell’angolo di incidenza del vento
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/h
Vtr=260 km/h
Vtr=270 km/h
Vtr=280 km/h
Vtr=290 km/h
Vtr=300 km/h
Vtr=310 km/h
Vtr=320 km/h
Vtr=330 km/h
Vtr=340 km/h
Vtr=350 km/h
Critical wind curve CWC Critical wind curve CWC
U
Vrel
rel
Vtr
w
16
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 1200
10
20
30
UT [
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]
F. Cheli
INDICE
• Introduzione al problema• Prove in galleria del vento• Coefficienti aerodinamici• CWC• Conclusioni
LA CARATTERIZZAZIONE AERODINAMICA DELL’ETR500
18
F. Cheli
2
1Potenza massima installata
Dimensioni globali
1.5
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 MilanoLa galleria del vento del Politecnico di Milano
19
F. Cheli
La galleria del vento del Politecnico di Milano
è stata accreditata per prove TSI tramite test su ICE2
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
F. Cheli
Normativa TSI 2005 Normativa TSI 2005
Normativa CEN 2009 Normativa CEN 2009
Flat groundFlat groundEmbankment standard alto 6m Embankment standard alto 6m
Single track ballast and railSingle track ballast and rail
… …
Prove in galleria del vento
Scenari di riferimento Scenari di riferimento
F. Cheli
Modello in scala 1:20 Modello in scala 1:20
Prove in galleria del vento
Modello in scala 1:10 Modello in scala 1:10
Scenari:- viadotto standard- rilevato- camera boundary layer
(Re=1.0 105 – 2.5 105)
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)
Scenari:- flat ground- flat ground+ballast&rail- rilevato TSI- camera boundary layer e
high-speed
(Re=1.0 105 – 1.0 106)22
F. Cheli
Prove in galleria del ventoModello in scala 1:10
Rilevato TSI alto 6m
Flat ground con e senza ballast&rail
Boundary layer test sectionBoundary layer test section
Boundary layer test sectionBoundary layer test section High speed test sectionHigh speed test sectionFlat ground con rail
Bilancia dinamometrica esterna
Z X
192- Bilancia dinamometrica
Barra di collegamento
P
Modello sospeso
VENTO
23
F. Cheli
Prove in galleria del ventoModello in scala 1:20
12.4m
2.5m
5.6m
3.3m
6m
Tipico viadotto italianoTipico viadotto italiano
Bilancia dinamometrica interna
UPPER PLATE
LOWER PLATE
VERTICAL DYNAMOMETERS
LONGITUDINAL DYNAMOMETER
LATERAL DYNAMOMETERS
LATERAL VIEW
CASSA
CARRELLI
Tipico rilevato italianoTipico rilevato italiano
24
6m
30°
F.Cheli
INDICE
• Introduzione al problema• Prove in galleria del vento• Coefficienti aerodinamici• CWC• Conclusioni
LA CARATTERIZZAZIONE AERODINAMICA DELL’ETR500
25
F.Cheli
• ETR500• Flat ground con solo binario: confronto primo/secondo veicolo
Wind
Fz
Mx 212
zFz
FC
U S
212
zMz
MC
U 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
[°]
CF
z
LocomotivaCarrozza
0 20 40 60 800
1
2
3
4
5
6
7
w
[°]
CM
x
LocomotivaCarrozza
F.Cheli
• ETR500 loco• Flat ground con solo binario: effetto Reynolds
212
zFz
FC
U S
212
zMz
MC
U 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
F.Cheli
V
1
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
[°]
CF
z
Flat ground con B&RFlat ground
28
Coefficienti aerodinamiciModello in scala 1:10
Wind
Fz
Mx
F.Cheli
0 20 40 60 80-8
-6
-4
-2
0
2
w [°]
CF
z
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
FC
U S
210S m
212
zMz
MC
U Sh
210 3S m H m
29
Coefficienti aerodinamiciModello in scala 1:10
Wind
Fz
Mx
F.Cheli
0 20 40 60 800
1
2
3
4
5
6
7
w [°]
CM
x
Flat groundEmbankment - V
1
Embankment - V2
RilevatoRilevato
RilevatoRilevato
• ETR500 loco• rilevato vs flat ground: Coeff. di momento al rollio
V2
V1
30
Coefficienti aerodinamiciModello in scala 1:10
Wind
Fz
Mx
F.Cheli
0 20 40 60 80 100-4
-3
-2
-1
0
1
w [°]
CF
z
Flat groundEmbankment - V
1
Embankment - V2
RilevatoRilevato
RilevatoRilevato
V
1
V2 without train
• ETR500 loco• rilevato vs flat ground: Coeff. forza verticale
31
Coefficienti aerodinamiciModello in scala 1:10
Wind
Fz
Mx
F.Cheli
0 20 40 60 80 100-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
w
[°]
CF
z
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
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
[°]
CF
z
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
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
CF
z
[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 105Re=2.9 105
Re=2.9 105Re=2.9 105
Wind
Fz
Mx
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
CF
z
[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
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 500
ICE3
TGV
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
RilevatoRilevato
Flat groundFlat ground
Wind
Fz
Mx
F.Cheli
INDICE
• Introduzione al problema• Prove in galleria del vento• Coefficienti aerodinamici• CWC• Conclusioni
LA CARATTERIZZAZIONE AERODINAMICA DELL’ETR500
37
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
UT [
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
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 turbolentoCaratteristiche del vento turbolento
39
F. Cheli
Funzione di coerenza spaziale
x y zu u uL L L
uuIU
Indice di turbolenzaIndice di turbolenza
Lunghezza di scala integraleLunghezza di scala integrale
Von Karman PSDVon 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
102
10-4
10-3
10-2
10-1
100
f xLu/U
f*S
uu/
u2
Caratteristiche del vento turbolentoCaratteristiche del vento turbolento
40
Calcolo delle CWC: definizione del vento
F. Cheli
Velocità del vento
assoluta
u(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
100U
TC (t) [km/h]
[s]
Definizione della velocità del vento vista dal punto mobileDefinizione 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
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
UT [
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
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
]
Sperimentale
Power low IIPower low III
Ammettenza aerodinamica misurata sperimentalmente Ammettenza aerodinamica misurata sperimentalmente
44
Calcolo delle CWC: calcolo ammettenza
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
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 Ammettenza aerodinamica
45
Calcolo delle CWC: calcolo ammettenza
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
UT [
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
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 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_TC
UTC
47
Calcolo delle CWC: calcolo delle forze aerodinamiche
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
UT [
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
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 Modello MB di simulazione dinamica
49
Calcolo delle CWC: calcolo delle forze aerodinamiche
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
UT [
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
F. Cheli
Scarico ruota
(filtro 2 Hz)
2
up_ k down_ kk=1
2
up_ k down_ kk=1
1 1_ lim
Q - Q
Q + Q
η = ≤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=1
2
up0_ kk=1
2 2_ lim
Q
Q
η = η =0.1
Qup0 carico verticale ruota statico
Indici di sicurezza: definizioniIndici di sicurezza: definizioni
51
Calcolo delle CWC
F. Cheli
0 50 100 150-15
-10
-5
0x 10
4
Forza aerodinamica
Forze verticali di contatto
0 50 100 1500
2
4
6
8
10x 10
4
0 50 100 1500
0.5
1
1.5
Calcolo indici di sicurezza
CWCCWCCWCCWC
Modello multibody del veicolo
Calcolo delle CWC
Schema Schema
52
F. Cheli
Coefficiente di scarico ruota
0
10
20
30
40
50
100 150 200 250 300 350
V [km/h]
Ulim
[m/s
]
CWC
0 50 100 1500
0.5
1
1.5
U=U1 U=U1
0 20 40 60 80 100 1200
0.5
1
[s]
2
carrello 1
carrello 2
soglia
lim 1 3 uU U I
U=U2 U=U2
V=V V=V
2
up_ kk=1
2
up0_ kk=1
2 2_ lim
Q
Q
η = η =0.1
Calcolo delle CWC
Definizione della CWCDefinizione della CWC
53
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
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
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
F. Cheli
INDICE
• Introduzione al problema• Prove in galleria del vento• Coefficienti aerodinamici• CWC• Conclusioni
LA CARATTERIZZAZIONE AERODINAMICA DELL’ETR500
57
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 ……
• 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 ……
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)
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