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La caratterizzazione aerodinamica dellETR500 F. Cheli GIORNATA CIFI AERODYNAMICS IN OPEN AIR Firenze 20 febbraio 2009.

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1 La caratterizzazione aerodinamica dellETR500 F. Cheli GIORNATA CIFI AERODYNAMICS IN OPEN AIR Firenze 20 febbraio 2009

2 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) Laerodinamica 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 dellETR 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) Lanalisi 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

3 F. Cheli 3 LA CARATTERIZZAZIONE AERODINAMICA DELLETR500 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)

4 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 Railway applications Aerodynamics Progetti internazionali: AOA: Aerodynamics in Open Air RICERCA EUROPEA SUL VENTO TRASVERSALE Normative e progetti LA CARATTERIZZAZIONE AERODINAMICA DELLETR500

5 F. Cheli NORMATIVA EUROPEA TSI Responsabilità dellOperatore: caratterizzare la propria flotta nei confronti del vento laterale Responsabilità del Gestore dellinfrastruttura: assicurare il permanere delle condizioni di sicurezza di marcia nelle condizioni di esercizio più critiche Lattuale revisione di TSI, della quale è in corso il processo di approvazione, comporta responsabilità a carico dellOperatore e del Gestore dellInfrastruttura Responsabilità 5

6 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 linea è dichiarata interoperabile se equipaggiata con un sistema di protezione atto a garantire la sicurezza di circolazione dei treni interoperabili. NORMATIVA EUROPEA TSI Linea interoperabile 6

7 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 veicolo è dichiarato interoperabile se progettato e verificato in modo tale da garantire un livello di stabilità predefinito sotto leffetto del vento laterale. Veicolo interoperabile NORMATIVA EUROPEA TSI 7

8 F. Cheli INDICE Introduzione al problema Prove in galleria del vento Coefficienti aerodinamici CWC Conclusioni LA CARATTERIZZAZIONE AERODINAMICA DELLETR500 8

9 F. Cheli Introduzione al problema Perché il problema è critico per i treni ad alta velocità? U T =30 m/s V rel =275 km/h= 75 m/s rel =25° V treno =250 km/h F y = 5 tons V treno =0 F y =14 tons V treno =250 km/h FDFDFDFD FLFLFLFL FyFyFyFy 9

10 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

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

12 F. Cheli U T =30 m/s=105 km/h V =70 m/s= 250 km/h V rel= 75 m/s= 275 km/h rel =25° Introduzione al problema Le caratteristiche del vento relativo [s] UTUT 12

13 F. Cheli Introduzione al problema Sul treno nascono delle forze aerodinamiche funzioni del tempo che dipendono da: velocità di avanzamento del veicolo V treno profilo del vento trasversale caratteristiche aerodinamiche del veicolo C Fy F [tons] [s] [s] Le forze aerodinamiche U T =30 m/s V rel =275 km/h= 75 m/s rel =25° V tr =250 km/h FDFDFDFD FLFLFLFL FyFyFyFy 13

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

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

16 F. Cheli Introduzione al problema U lim (velocità massima di raffica) funzione della velocità del treno e dellangolo 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,…) Critical wind curve CWC U V rel rel V tr w 16

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

18 F. Cheli INDICE Introduzione al problema Prove in galleria del vento Coefficienti aerodinamici CWC Conclusioni LA CARATTERIZZAZIONE AERODINAMICA DELLETR500 18

19 F. Cheli 2 1 Potenza massima installata Dimensioni globali x 15 x 15 [MW] [m] Sezione di misura Dimensioni [m] Max Vel. [m/s] I= /u % Boundary layer (2)14 x 418< ± 2 % High speed (1)4 x 460< ± 0.2 % Prove in galleria del vento La galleria del vento del Politecnico di Milano 19

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

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

22 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= – ) Scenari: - flat ground - flat ground+ballast&rail - rilevato TSI - camera boundary layer e high-speed (Re= – ) 22

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

24 F. Cheli Prove in galleria del vento Modello in scala 1: m 2.5m 5.6m 3.3m 6m Tipico viadotto italiano Bilancia dinamometrica interna CASSA CARRELLI Tipico rilevato italiano 24 6m 30°

25 F.Cheli INDICE Introduzione al problema Prove in galleria del vento Coefficienti aerodinamici CWC Conclusioni LA CARATTERIZZAZIONE AERODINAMICA DELLETR500 25

26 F.Cheli ETR500 Flat ground con solo binario: confronto primo/secondo veicolo Wind Fz Mx Coefficienti aerodinamici Modello in scala 1:10 26

27 F.Cheli ETR500 loco Flat ground con solo binario: effetto Reynolds 27 Coefficienti aerodinamici Modello in scala 1:10 Wind Fz Mx

28 F.Cheli V1V1 V 2 without train ETR500 loco Flat ground con e senza ballast and rail 28 Coefficienti aerodinamici Modello in scala 1:10 Wind Fz Mx

29 F.Cheli ETR500 loco Rilevato alto 6m: sopravento vs sottovento 29 Coefficienti aerodinamici Modello in scala 1:10 Wind Fz Mx

30 F.Cheli Rilevato ETR500 loco rilevato vs flat ground: Coeff. di momento al rollio V2V2 V1V1 30 Coefficienti aerodinamici Modello in scala 1:10 Wind Fz Mx

31 F.Cheli Rilevato V1V1 V 2 without train ETR500 loco rilevato vs flat ground: Coeff. forza verticale 31 Coefficienti aerodinamici Modello in scala 1:10 Wind Fz Mx

32 F.Cheli V ref Vena libera ETR500 loco Rilevato vs flat ground con Ballast&Rail 32 Coefficienti aerodinamici Modello in scala 1:10 V ref 2m sopra il binario Wind Fz Mx

33 F.Cheli ETR500 loco Viadotto (scala 1:20) vs flat ground (scala 1:10) 33 Coefficienti aerodinamici Modello in scala 1:20 Wind Fz Mx

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

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

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

37 F.Cheli INDICE Introduzione al problema Prove in galleria del vento Coefficienti aerodinamici CWC Conclusioni LA CARATTERIZZAZIONE AERODINAMICA DELLETR500 37

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

39 F. Cheli Storia temporale del vento Tipo di terreno z 0 [m]I u [%] I. Mare aperto II. Aperta campagna III. Aree boscose, piccole città IV. Aree centrali di grandi città Profilo di velocità Calcolo delle CWC: definizione del vento Caratteristiche del vento turbolento 39

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

41 F. Cheli Tipo di terreno Z 0 Definizione della storia temporale della velocità del vento 41 Calcolo delle CWC: definizione del vento

42 F. Cheli Velocità del vento assoluta u(t,s) tempo [s] spazio [m] [m/s] U T (t) velocità del vento di un punto di riferimento che si muove con il veicolo 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

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

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

45 F. Cheli correlazione spaziale 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 Ammettenza aerodinamica 45 Calcolo delle CWC: calcolo ammettenza

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

47 F. Cheli TEORIA QUASI STATICA CORRETTA U T (t) U V V TEORIA QUASI STATICA Definizione delle forze aerodinamiche: effetto della turbolenza UTUT V V rel rel V rel_TC è la velocità corretta con la funzione di ammettenza V rel_TC U TC 47 Calcolo delle CWC: calcolo delle forze aerodinamiche

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

49 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

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

51 F. Cheli Scarico ruota (filtro 2 Hz) Ribaltamento (filtro 2 Hz) Proudhomme Q up carico verticale ruota sopravento Q down carico verticale ruota sottovento Svio (non significativo) Q up0 carico verticale ruota statico Indici di sicurezza: definizioni 51 Calcolo delle CWC

52 F. Cheli Forza aerodinamica Forze verticali di contatto Calcolo indici di sicurezza CWC Modello multibody del veicolo Calcolo delle CWC Schema 52

53 F. Cheli Coefficiente di scarico ruota CWC U=U 1 U=U 2 V=V Calcolo delle CWC Definizione della CWC 53

54 F. Cheli STOCHASTIC APPROACH Calcolo delle CWC Definizione della distribuzione di CWC Fisse caratteritiche del vento CWCs Fissato veicolo – scenario – vento Differenti storie temporali CWC media e BANDA di incertezza 54

55 F. Cheli CWC ETR Rettilineo Curva a q =1 m/s 2 Scenario flat ground

56 F. Cheli CWC ETR Scenario flat ground V= 300 km/h

57 F. Cheli INDICE Introduzione al problema Prove in galleria del vento Coefficienti aerodinamici CWC Conclusioni LA CARATTERIZZAZIONE AERODINAMICA DELLETR500 57

58 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 allinterna 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 ……

59 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) Laerodinamica 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 dellETR 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) Lanalisi 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


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