Etude de l'aérodynamique des trains en situation de vents traversiers : impact de la présence d'appendices

Study of the Aerodynamics of Railway Vehicles in Crosswind Conditions : Impact of Roof-Mounted Details

• Auteur / Autrice : Frédéric Deliancourt
• Direction : Jacques Borée, Christophe Sicot, Jean-Paul Bouchet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des milieux fluides
• Date : Soutenance le 04/11/2015
• Etablissement(s) : Chasseneuil-du-Poitou, Ecole nationale supérieure de mécanique et d'aérotechnique
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique et aéronautique (Poitiers ; 2009-2018)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pprime- ENSMA
• Jury : Président / Présidente : Steve Cochard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Paul Bouchet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Olivier Cadot, Laurent Joly

Mots clés

Mots clés contrôlés

Effets du vent

Trains

Charge aérodynamique

Mécanique des fluides

Pression

Aérodynamique

Accidents ferroviaires

Mots clés libres

Vent latéral

Crosswind

Résumé

Lorsqu’un train circule en situation de vent traversier, il est exposé à un risque de renversement. L’évaluation de ce risque est possible à partir d’un calcul dynamique basé sur les efforts aérodynamiques, plus particulièrement le moment de renversement. Les coefficients aérodynamiques d’un véhicule ferroviaire peuvent être évalués en soufflerie. Lors de ce type d’essais, le nombre de Reynolds ne peut être respecté. L’expérience a montré que dans ces conditions, une mise à l’échelle directe des détails sur les maquettes de train ne conduit pas nécessairement à une représentation réaliste des efforts aérodynamiques.Ces travaux de thèse portent sur l’étude de l’impact de lignes placées en toiture sur les caractéristiques aérodynamiques de véhicules ferroviaires. Le but est de déterminer dans quelle mesure l’échelle de représentation de ces détails impacte les coefficients aérodynamiques.Deux modèles de trains simplifiés sont employés, le premier est un véhicule idéalisé déjà largement étudié auparavant dans la littérature sur les vents traversiers, le second est plus proche d’un train réel. Les moyens d’investigation employés pour mener cette étude sont principalement expérimentaux. Les efforts et moments aérodynamiques sont mesurés au moyen d’une balance aérodynamique et la répartition de pression à la surface des corps est évaluée à l’aide de capteurs de pression pariétale. Des simulations numériques par approche RANS viennent compléter la base de données afin d’affiner la compréhension de l’écoulement autour du train.Nous avons ainsi démontré que la présence des lignes sur le toit des véhicules augmente le risque de renversement des deux modèles de trains étudiés. Nous avons aussi mis en évidence une forte dépendance de cette augmentation à la taille des lignes de toiture. Une configuration s’est avérée particulièrement critique d’un point de vue industriel. En effet, nous avons identifié une taille des lignes de toiture conduisant à de très faibles modifications des efforts sur le modèle régional. Ainsi, une échelle de reproduction des détails non adaptée lors d’essais de certification pourrait conduire à une large sous-estimation du risque de renversement.Afin de comprendre les causes de l’augmentation du risque de renversement, nous avons identifié les modifications de pression ayant un impact sur les efforts globaux. Nous avons ensuite relié ces modifications de pression à la topologie de l’écoulement. Nous avons finalement démontré que l’augmentation du risque de renversement est liée d’une part à des modifications de pression locales très importantes, mais aussi à des modifications de pression plus globales.

When expoecd to strong crosswinds, railway trains experience aerodynamic loads which tend to overturn them. The evaluation of the risk of overturning can be done with a dynamic calculation based on the aerodynamic loads and more precisely on the rolling moment. The aerodynamic characteristics of the vehicles can be evaluated in windtunnels. The Reynolds number of a full scale train is not applicable in these tests. Experimental tests showed that a reproduction of the train surface details at the same scale as the model would not necessarily lead to a correct estimation of the real aerodynamic loads.The topic of this work is to investigate the effect of roof mounted cables on the aerodynamic characteristics of railway vehicles. The aim is to determine the influence of the reproduction scale of these appendices on the aerodynamic coefficients. Two train models are employed. The first one is an extensively-studied simplified train model. The second one is more similar to a real train, modelled after a regional train. Visualisation tools are employed to investigate the flow topology. Global aerodynamic loads (lift, lateral force and rolling moment) are evaluated with a dynamometric force balance and surface pressure distribution is evaluated with pressure sensors. Additional RANS numerical simulations are performed to improve understanding of the flow topology.We demonstrated an increase of the risk of overtum for the two train models when cables are added on the roof. We also showed that this increase strongly depends on the cable's size.To understand this increase, we identified pressure modifications which are involved in the global load modifications. Then, we linked these pressure changes to flow topology. We finally showed that the incrcase of the risk of overtun is both due to local and global pressure modifications.