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Towing tank experiments on the aerodynamic drag of trains / Schleppkanalversuche zum Luftwiderstand von Schienenfahrzeugen

Authors
  • Tschepe, Jonathan
Publication Date
Jan 20, 2022
Identifiers
DOI: 10.14279/depositonce-14797
OAI: oai:depositonce.tu-berlin.de:11303/16023
Source
DepositOnce
Keywords
Language
English
License
Unknown
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Abstract

Due to increasing requirements regarding low energy consumption, the aerodynamic drag of rail vehicles has become more and more important in recent years. Many studies have dealt with the aerodynamic drag in the last decades and have provided a good understanding of fundamentals and boundary conditions. A variety of experimental methods and measurement techniques have been used in this context. Nevertheless, some questions remain regarding the transferability of drag coefficients from model-scale to full-scale. The present work describes the development of a new experimental method in the towing tank for determining the drag of rail vehicles and discusses the results obtained with this method. The boundary conditions required in the towing tank for transferring test results obtained in water to vehicles in air are considered, as well as peculiarities of the investigation and scaling of the drag coefficient of rail vehicles at model-scale. The present work comprises three central studies. In the first study, the developed test rig in the towing tank is presented and analysed in detail with regard to its suitability for fluid drag measurements. The advantages of the new measurement method are contrasted with possible interferences, e.g., surface waves or cavitation, and challenges regarding measurement techniques. A high-speed train model at 1:22 scale is used for the investigations. The second study focuses on investigating and evaluating the aerodynamic drag of insulators on the train roof. Since the simulation of such roof elements’ flow effects on a model scale has not yet been conclusively clarified, full-scale wind tunnel tests are carried out. Different types of insulators and a wide range of boundary conditions with regard to inflow are investigated. In the third study, the findings of the two previous works are combined, and recommendations are derived for optimising model tests and transferring the results to full-scale. For this purpose, wind tunnel tests, as well as numerical simulations are conducted, using the train model presented in the first study. The investigations focus on frictional drag. To enable an evaluation of the frictional drag’s influence on the scalability of model tests, the application of boundary layer theory for the flat plate in the context of trains is analysed in more detail and compared with data from the current tests and literature. Besides, the influence of the trackbed condition is also investigated experimentally and included in the scaling approach. A concluding discussion analyses the results of the three studies with regard to their relevance for determining the aerodynamic drag of rail vehicles. Possible shortcomings of the presented measurement method are discussed, and suggestions for future applications are made. / Aufgrund steigender Anforderungen hinsichtlich eines geringen Energieverbrauchs hat der Luftwiderstand von Schienenfahrzeugen in den letzten Jahren immer mehr an Bedeutung gewonnen. In den vergangenen Jahrzehnten beschäftigten sich zahlreiche Studien mit der Thematik des Luftwiderstandes und schufen ein gutes Verständnis der Grundlagen und Randbedingungen. Dabei wurden unterschiedlichste Versuchs- und Messmethoden verwendet. Dennoch bestehen einige ungeklärte Fragen hinsichtlich der Übertragbarkeit von Widerstandsbeiwerten aus dem Modell- auf den Vollmaßstab. Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung einer neuen experimentellen Untersuchungsmethode im Wasserkanal zur Bestimmung des Luftwiderstandes von Schienenfahrzeugen und diskutiert die mit dieser Methode gewonnenen Ergebnisse. Dabei werden sowohl erforderliche Randbedingungen im Schleppkanal betrachtet, die für die Übertragbarkeit von Versuchsergebnissen in Wasser auf Fahrzeuge in Luft erfüllt sein müssen, als auch spezielle Eigenheiten bei der Untersuchung und Skalierung des Luftwiderstandes von Schienenfahrzeugen im Modellmaßstab erörtert. Die vorliegende Arbeit umfasst drei Hauptuntersuchungen. In der ersten Studie wird der entwickelte Versuchsstand im Wasserkanal vorgestellt und detailliert hinsichtlich seiner Eignung für Luftwiderstandsmessungen analysiert. Dabei werden die Vorteile der neuen Messmethode möglichen Störeinflüssen, z.B. durch Oberflächenwellen oder Kavitation, sowie messtechnischen Herausforderungen gegenübergestellt. Für die Untersuchungen wird das Model eines Hochgeschwindigkeitszuges im Maßstab 1:22 verwendet. Das Hauptaugenmerk der zweiten Studie liegt auf der Untersuchung und Bewertung des Luftwiderstandes von Isolatoren auf dem Zugdach. Da die Simulation des Strömungsverhaltens solcher Dachelemente im Modellmaßstab noch nicht abschließend geklärt ist, werdenWindkanalversuche im Vollmaßstab durchgeführt. Verschiedene Typen von Isolatoren, sowie unterschiedlichste Randbedingungen bezüglich der Einströmung werden untersucht. In der dritten Studie werden die Erkenntnisse der beiden vorangegangenen Arbeiten kombiniert und Empfehlungen für die Optimierung von Modellversuchen und die Übertragung der Ergebnisse auf den Vollmaßstab abgeleitet. Dazu werden Windkanalversuche, sowie numerische Simulationen mit dem in der ersten Studie verwendeten Zugmodell durchgeführt. Der Fokus liegt hier auf der Untersuchung des Reibungswiderstandes. Um dessen Einfluss auf die Skalierbarkeit von Modellversuchen bewerten zu können, wird die Verwendung der Grenzschichttheorie der ebenen Platte im Zusammenhang mit Zügen genauer analysiert und mit Daten aus den eigenen Versuchen, sowie der Literatur verglichen. Zusätzlich wird auch der Einfluss der Gleisbettbeschaffenheit experimentell untersucht und in den Skalierungsansatz mit aufgenommen. In einer abschließenden Diskussion werden die Ergebnisse der Studien hinsichtlich ihrer Relevanz für die Luftwiderstandsbestimmung von Schienenfahrzeugen bewertet. Mögliche Defizite der vorgestellten Messmethode werden erörtert und Verbesserungsvorschläge für künftige Anwendungen gemacht.

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