High-speed train aerodynamics under crosswinds: from standard wind tunnel testing to the effect of the train cooling systems

Abstract

Ventos laterais, ou cruzados, ocorrem à medida que um trem viaja em campos abertos. O vento, combinado com a velocidade do trem, provoca um vento relativo causador de esforços o trem. Esse carregamento aerodinâmico pode ser forte o suficiente para tomar o veículo. Testes em túneis-de-vento não representam as condições do escoamento observadas em altas velocidades em sua totalidade, já que seu número de Reynolds (~1E5) é pequeno comparado à escala real (~1E7). Além disso, modelos estáticos não modelam o movimento relativo entre o trem e o solo assim como não contabilizam o ar proveniente do equipamento de controle térmico e conforto do trem. A Dinâmica dos Fluidos Computacional (CFD, sigla em inglês) foi aplicada para abordar estas questões e os resultados obtidos são comparados com dados experimentos do trem-de-alta-velocidade Stadler EC250. Foi observado que as paredes do túnel-de-vento afetam a escoamento, curvando a esteira gerada pelo trem. Esse problema foi resolvido aumentando a largura do túnel-de-vento, porém observa-se que o escoamento próximo ao trem não é afetado, produzindo os mesmos carregamentos aerodinâmicos. A configuração de solo padrão STBR gera um vórtice em sua extremidade que afeta a esteira a sotavento do trem, aumenta o coeficiente de sustentação em 5% comparado a um STBR infinitamente longo (para β=45°) em modelos estáticos em escala reduzida. A modelagem do movimento do veículo em escala reduzida afeta os coeficientes de força lateral e sustentação (5% e 7%) comparados ao STBR infinitamente longo, afetando o coeficiente de momento sobre o trilho a sotavento em 3%. Para avaliar a influência do número de Reynolds, o trem foi simulada em escala real. Com isso a sustentação aumenta em 15% e a força lateral reduz em 10%, o que leva a um coeficiente de momento sobre o trilho a sotavento 5% menor. Finalmente, os efeitos do o ar proveniente do equipamento de controle térmico e conforto do trem foi avaliado. Comparados aos resultados do modelo estático em escala reduzida a sustentação foi reduzida em 25% e a força lateral aumentada em 4%, resultando em um coeficiente de momento sobre o trilho a sotavento 3% menor. A análise da estabilidade em ventos cruzados mostrou semelhanças entre o modelo estático em escala reduzida e o trem em escala real com os sistemas térmicos. Isso mostra que experimentos em escala reduzida são confiáveis para análise da estabilidade de trens-de-alta-velocidade em situações de vento cruzado.