Zur Beeinflussung der instationären Strömungsstrukturen im Nachlauf von bewegten Zugmodellen

Titelangaben

Buhr, Alexander:
Zur Beeinflussung der instationären Strömungsstrukturen im Nachlauf von bewegten Zugmodellen.
Bayreuth , 2023 . - xxiv, 290 S.
( Dissertation, 2022 , Universität Bayreuth, Fakultät für Ingenieurwissenschaften)

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Abstract

Die aerodynamische Wirkung von Hochgeschwindigkeitszügen und das Gefahrenpotential für Personen, Objekte und Gebäude in Gleisnähe ist nach Verordnung der Europäischen Union im Rahmen eines vollen Konformitätsnachweises in Versuchen im 1:1-Maßstab zu prüfen. Die erforderlichen Feldmessungen auf offener Strecke sind aufgrund der spezifischen Normbedingungen äußerst zeit- und kostenintensiv. Aus diesem Grund wird aktuell untersucht, ob Modellexperimente mit bewegten Zugmodellen eine effizientere Möglichkeit bieten, einen vollen Konformitätsnachweis gemäß Technischer Spezifikationen für Interoperabilität (TSI) unter Laborbedingungen durchzuführen. In ersten Studien an der Tunnelsimulationsanlage Göttingen wurde gezeigt, dass mit einer geeigneten Grenzschichtbeeinflussung in Modellexperimenten, trotz zu niedriger Reynoldszahl und zu kurzer Modelllänge relativ zur Modellbreite, bei der induzierten Strömungsgeschwindigkeit neben dem Gleis eine gute Übereinstimmung mit Fahrversuchen erreicht werden kann. Diese Untersuchungen basieren auf der Hypothese, dass durch Rauigkeiten am Modellkopf die Grenzschicht so aufgeweitet wurde, dass am Modellheck die relative Grenzschichtdicke bezogen auf die Zugbreite genauso groß ist wie im Fahrversuch. Es wurde angenommen, dass nur unter diesen Bedingungen eine realistische Nachbildung der Nachlaufströmung erfolgen kann. Das ist wichtig, da insbesondere bei Hochgeschwindigkeitszügen die höchsten induzierten Strömungsgeschwindigkeiten erst im Nachlauf auftreten. Im Rahmen dieser Forschungsarbeit wurde die Wirkung von speziellen Rauigkeiten auf die Grenzschichtentwicklung und die Nachlaufströmung von bewegten Zugmodellen näher untersucht. Dazu wurden experimentelle Untersuchungen mit drei verschiedenen Zuggeometrien im Maßstab 1:25 an der Tunnelsimulationsanlage Göttingen durchgeführt. Die induzierte Strömungsgeschwindigkeit bei einer Modellvorbeifahrt wurde stationär mit Hitzdraht-Anemometrie und High-Speed Particle Image Velocimetry gemessen. In der Grenzschichtanalyse konnte gezeigt werden, dass der Einsatz von Rauigkeiten, bestehend aus vielen kleinen Wirbelgeneratoren, zu einer Erhöhung der Verdrängungs- und Impulsverlustdicke in der Grenzschicht führt. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass sich die Grenzschichtform, trotz zusätzlicher Störungen durch die Wirbelgeneratoren, entlang der Zugmodelle wieder stabilisiert. In der Nachlaufanalyse konnte mit statistischen Methoden die grundlegende Dynamik im Nachlauf dargestellt und ein Zusammenhang zu den maximal induzierten Strömungsgeschwindigkeiten an den spezifischen TSI-Messpositionen hergestellt werden. Mit einer Dynamic Mode Decomposition konnte gezeigt werden, dass sich die turbulente, abklingende Nachlaufströmung, trotz starker Variation zwischen den einzelnen Messfahrten, mit einer geringen Anzahl dominanter Moden beschreiben lässt. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass sich die Wirbelgeneratoren primär auf diese dominanten Nachlaufstrukturen auswirken und keine künstliche Dynamik im Nachlauf erzeugt wurde. Die Ergebnisse dieser Forschungsarbeit bilden die Grundlage für zukünftige Studien, in denen Wirbelgeneratorelemente an bewegten Zugmodellen eingesetzt werden können, um die aerodynamische Wirkung von Hochgeschwindigkeitszugmodellen für eine bessere Vergleichbarkeit von Modellexperiment und Feldmessung zu beeinflussen.

Abstract in weiterer Sprache

The European Union has regulations on the maximum slipstream values of high-speed passenger trains. During the passage of a train, the induced flow creates a potential hazard for people, objects and buildings near the track. Adherence to these maximum induced flow velocities must be demonstrated on full-scale tests on an open track. Due to the requirements on the ambient conditions and number of multiple independent measurements, the implementation of full-scale tests on open track is very time-consuming and expensive. Reduced-scale moving-model experiments provide a more efficient and cost-effective method to simulate a proof of conformity according to the Technical Specifications for Interoperability (TSI) under laboratory conditions. Previous investigations at the tunnel simulation facility in Göttingen have shown that boundary layer control in model experiments can be used to achieve comparable induced flow velocities at the specific TSI measuring positions, despite a low Reynolds number and a reduced model length relative to the model width. These investigations are based on the hypothesis, that vortex generators at the model head affect the boundary layer at the model rear end in such a way that the boundary layer thickness relative to the train width is comparable to full-scale. It was assumed that these conditions can be crucial for a realistic simulation of the wake flow. This is important because in the case of high-speed trains the highest induced flow velocities occur in the wake. Within the scope of this research, the effect of special roughnesses on the boundary layer development and the wake flow of moving train models has been investigated in more detail. Experimental investigations with three different train geometries on a scale of 1:25 were performed at the tunnel simulation facility in Göttingen. During the passage of a train model, the induced flow velocity was measured in a stationary setup with hot-wire anemometry and high-speed particle image velocimetry. The analysis of the boundary layer showed that special roughnesses at the model head, consisting of small vortex generators, lead to an increase of the displacement and momentum thickness of the boundary layer. Furthermore, the boundary layer shape, despite additional disturbances by the vortex generators, was shown to stabilise along the train model. Statistical methods were used to show the correlation between the basic dynamics in the wake flow and the maximum induced flow velocities at the specific TSI measurement positions. Dynamic mode decomposition identified that the turbulent, decaying wake flow - which varies greatly between the individual measurement runs - can be described by a small number of dominant modes. Furthermore, the vortex generators primarily affect these dominant wake structures without creating any artificial dynamics in the wake. This research provides a basis for future studies in which vortex generator elements can be used to improve the accuracy of moving-model experiments for a better comparability to full-scale measurements.