Academic literature on the topic 'Trains – Aérodynamique'

L’amélioration de la qualité du transport ferroviaire passe par l’augmentation des vitesses opérationnelles sans altération des niveaux de sécurité et de confort. Dans ces conditions, les aspects aérodynamiques jouent un rôle important et imposent des contraintes de conception parfois contradictoires. Pour y répondre, cette thèse expose les bases d’une méthode globale d’optimisation. Ce travail s’appuie sur la simulation numérique du comportement aérodynamique des rames, nécessitant des moyens de calcul importants. La complexité du domaine de recherche à prospecter impose de recourir à une procédure d’optimisation flexible et performante. L’étude concerne donc les méthodes métaheuristiques, et plus particulièrement l’emploi d’un algorithme génétique couplé à une procédure d’estimation des solutions automatisée. Les méthodes hybrides, consistant à greffer une méthode de recherche locale à l’algorithme général, sont avantageuses mais sont difficiles à mettre en place. Une solution originale est proposée, consistant à intégrer la méthode de recherche locale à l’élaboration d’une génération de l’algorithme génétique. Cette procédure, appelée génération ciblée, combine les qualités de l’algorithme génétique avec la précision de la recherche locale, tout en s’affranchissant de transition entre chaque méthode. Après avoir été validée sur des exemples classiques, la génération ciblée a été appliquée à des profils bidimensionnels représentatifs de formes ferroviaires. Les sensibilités des caractéristiques des algorithmes génétiques et de l’estimateur ont été étudiées. Enfin, une application tridimensionnelle mono-objectif a été réalisée pour démontrer la faisabilité de la méthode
Improving the quality of railway transport requires higher operational speeds with equivalent security and comfort levels. Under these conditions aerodynamic effects play an important role and can imply conflicting design constraints. This work lays the basis of a global optimization method. This work is based on numerical simulations of trains aerodynamics, demanding substantial computing resources. The complexity of the search space to be explored imposes the use of a flexible and highly efficient optimization process. The study concerns metaheuristic methods and particularly a genetic algorithm relying on a fully automatic process for the flow simulations. The hybrid method, consisting in using a local search method with the general algorithm, are advantageous but are difficult to set up. An original solution is proposed, consisting in incorporating the simplex method in the generation process of a genetic algorithm. This method, called Targeted Generation Simplex, combines the genetic algorithm advantages with the accuracy of the local search and does not need any transitions between each method. The Targeted Generation Simplex has been first validated on classical examples. Therefore, it has been applied to two dimensional profiles representative of railway shapes. Sensitivity with respect to the genetic algorithm characteristics and to the estimator has been studied. The method has been successfully applied to a three dimensional single objective application to demonstrate its feasibility

Les fluctuations rapides de pression, créées à l'intérieur des tunnels lors du passage de trains à grande vitesse peuvent poser des problèmes, tant sur le plan du confort des passagers que sur celui de la fatigue des structures du train·. Dans cette étude est proposée, dans un premier temps, une modélisation des phénomènes aérodynamiques liés au passage, avec ou sans croisement, de convoi ferroviaires en tunnel. A partir de cette modélisation, un logiciel permettant d'obtenir, par un calcul unidimensionnel ou bidimensionnel, l'évolution des paramètres aérodynamiques à l'extérieur ainsi qu'à l'intérieur des voitures a été développé. La validation de l'analyse théorique et du logiciel est ensuite effectuée à partir de résultats expérimentaux obtenus dans différents tunnels. Pour terminer, une étude paramétrique est menée afin de déterminer l'influence de certains paramètres tels que la vitesse du train, la géométrie du tunnel ou la surface équivalente de fuite des voitures, notamment sur le confort des passagers
Rapid pressure fluctuations generated inside tunnels when high speed trains pass through, may cause problems both for passengers comfort and for train structure's fatigue. In this study, first we propose to modelize aerodynamics phenomena related to movements of trains in tunnel with or without crossing. Based on this model, a program, that computes the evolution of aerodynamic parameters outside and inside of the coaches through a unidimensional or bidimensional calculation, has been developed. The validation of the theoretical analysis and of the software is then validated using experimental results obtained in different tunnels. Lastly, a parametric study is carried out in order to determine the influence of certain parameters such as train speed, tunnel geometry or equivalent leaking surface of t he coaches, specially on passengers comfort

Dans le domaine des transports, la nécessité de se conformer à des normes acoustiques sans cesse plus sévères et l'accession de la notion de confort acoustique au rang de critère essentiel de qualité du produit, ont conduit les industriels à s'intéresser au développement de modèles prédictifs du comportement vibroacoustique des véhicules, encore très mal compris. Il est ainsi apparu nécessaire d'engager des recherches sur le comportement vibroacoustique de grandes structures complexes en mouvement dans un fluide léger infini. Notre travail s'inscrit plus particulièrement dans le domaine basses fréquences pour lequel les sollicitations survenant à grande vitesse sont principalement d'origine aéroacoustique. L'objectif est de proposer une nouvelle approche, basée sur la compréhension physique des principaux phénomènes générateurs du bruit interne, et qui se positionne comme une alternative aux méthodes de discrétisation pour des études avant-projet. La méthode retenue est une méthode mixte simplifiée alliant théorie et expérience : s’appuyant sur des connaissances expérimentales pour diminuer la complexité du système, la modélisation repose sur une approche analytique intégra-modale associée à une technique de RAYLEIGH-RITZ. Développée d'abord dans le cadre général de structures minces quelconques, l'approche est illustrée dans un second temps sur un système parallélipipédique constitué de plaques planes orthotropes. L'une des principales originalités de notre étude consiste à envisager la transmission acoustique de structures hétérogènes soumises à des excitations aéroacoustiques. Nous aboutissons alors à la définition d'un outil numérique souple capable de déterminer les modes et chemins de transmission privilégiés du bruit, améliorant ainsi notre connaissance de ces systèmes et autorisant de surcroît des actions visant à réduire les niveaux sonores subis par les passagers. Une application spécifique est réalisée sur le cas du T. G. V. Duplex, dans le cadre d'une collaboration avec la SNCF sur un projet d'amélioration du confort acoustique dans le domaine 0-500 Hertz
The noise transmission through moving structures is of high interest in transport industries which have to conform more and more severe acoustic standards. Development of researches on acoustic behaviour of large and complex structures moving in a light fluid becomes then very topical. Our work concerns especially low frequency range and high speeds where loadings are mainly due to aeroacoustic sources. The purpose is to propound for this kind of problems a new approach, based on the understanding of the principal physical phenomena producing high internal sound levels and which places as an alternative of discretization methods for preliminary draft studies. We carry out a simplified method combining theoretical and experimental aspects: Being supported on experimental knowledge in order to decrease the complexity level of the system, our model lies on an analytical modal description associated with a RAYLEIGH-RITZ technique. First developed in the case of general thin heterogeneous structures, the model is then written for a parallelipipedic structure made up of orthotropic plane plates. One of the best originalities of our study is to analyze the acoustic transmission through heterogeneous structures excited by aeroacoustic sources. It has led us to define a flexible numerical tool which allows the preferential ways of noise transmission to be identified and which increases our knowledge on such systems. Solutions for reducing internal acoustic levels embarrassing passengers are defined. A specific application is done on the double deck T. G. V. In the context of a collaboration with the French Rail Ways Society (S. N. C. F. ) on an acoustic comfort improvement project for the 0-500 Hertz range

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

L'augmentation globale du trafic aérien mondial est susceptible de fortement augmenter les nuisances sonores induites autour des aéroports. De fait, des initiatives à diverses échelles sont prises afin de réduire le bruit des aéronefs. Le "bruit de cellule" de l'avion (airframe noise) est un contributeur majeur du bruit total en phase d'approche, dont environ un tiers est émis par le train d'atterrissage. La simulation aux grandes échelles (LES) des équations de Navier-Stokes compressibles a été identifiée comme une candidate pour la prédiction du bruit de train d'atterrissage. Elle permet de résoudre l'écoulement intrinsèquement instationnaire autour du train, et de capturer les différentes échelles des structures turbulentes mise en jeu dans le sillage. En outre, une approche non-structurée est retenue afin de traiter des géométries réalistes et complexes de trains d'atterrissage. Répondant à ces critères, le logiciel AVBP est choisi pour de telles simulations. Une analogie de Ffowcs-Williams et Hawkings est ensuite utilisée pour propager les sources acoustiques en champ lointain. La détermination des paramètres de simulation optimaux ainsi qu'une validation du code sont effectuées sur le cas académique du "barreau-profil" réalisé à l'Ecole Centrale de Lyon. Un bon accord des résultats aérodynamiques et acoustiques est observé avec la base de donnée expérimentale ainsi qu'avec d'autres résultats numériques. Une analyse des sources acoustiques a également été mise en oeuvre, mettant en évidence une contribution significative du cylindre aux angles rasants ainsi que des phénomènes interférentiels entre les émissions du cylindre et du profil, constructifs ou destructifs selon l'angle d'observation. Le code AVBP est ensuite utilisé pour la simulation des écoulements autour des trois trains simplifiés de la base de donnée LAGOON, supportée par Airbus. Un bon accord est globalement obtenu pour les résultats aérodynamiques et acoustiques pour les trois géométries de train, et les tendances des résultats expérimentaux lors de le complexification de la géométrie sont retrouvés à l'aide de la LES. Une étude des sources acoustique est ensuite réalisée. Les contributions respectives de chaque élément des trains sont identifiées, et une attention particulière est portée sur les tons de cavité. La structure de ces derniers est clairement mise en évidence à l'aide d'un solveur des équations d'Helmholtz (AVSP), expliquant également l'absence de tons pour les micros en survol. Les effets de l'ajout d'éléments supplémentaires pour les deux dernières configurations de train sont également étudiés, et il est montré en particulier qu'un bruit d'interaction, similaire à celui observé dans le cas "barreau-profil", entre le sillage de la barre de traction et l'essieu du train explique la prédominance d'un ton supplémentaire dans les spectres en champ lointain sur les tons de cavité.

Dans le domaine du transport, l'augmentation de la vitesse et l'allégement des structures sont responsables de la détérioration du confort acoustique. Afin d'intégrer cette notion dès la conception, il est nécessaire de caractériser les sources acoustiques. Dans le cadre d'une application ferroviaire, pour les vitesses considérées (Nombre de Mach<0,35) et pour le domaine des basses fréquences (0-500Hz), celles-ci sont principalement d'origine aérodynamique. La démarche retenue repose sur la compréhension des principaux phénomènes physiques mis en jeu dans le cas d'une cavité ouverte sollicitée par un écoulement turbulent. Grâce à une analyse bibliographique critique et à une expérimentation menée en soufflerie sur maquette, nous avons pu identifier, puis localiser les sources aéroacoustiques majeures. Les principaux paramètres de l'écoulement et de la cavité ouverte gouvernant ces phénomènes ont été identifiés. Un modèle robuste est proposé et confronté aux résultats obtenus pour les maquettes, puis pour une configuration réelle sur TGV. Celui-ci nous permet d'accéder aux paramètres critiques vitesse moyenne d'écoulement, fréquences d'émergence aéroacoustiques pour lesquels le niveau de pression acoustique généré est maximal. Les sources aéroacoustiques étant identifiées, nous développons un outil numérique RAMCES qui nous permet de calculer la pression acoustique pariétale induite sur toute la structure en mouvement. A cette fin des modèles de rayonnement ont développés : la méthode des sources images pour le problème intérieur à la cavité et une formulation intégrale en milieu convectif pour le problème extérieur. La mise en œuvre nécessite la connaissance de l'amplitude des sources mono polaires équivalentes, estimée à partir d'une grandeur moyenne de l'écoulement : l'énergie cinétique de turbulence. Grâce aux connaissances acquises, nous avons pu dégager une stratégie de réduction du niveau acoustique des sources. Deux solutions techniques proposées sont validées expérimentalement. Un outil global de type avant-projet a été développé dans le cadre d'une collaboration avec la SCNF
In transport industries, the increase of the velocity, and the lightning of the structures is responsible for the deterioration of acoustic comfort. In order to take into account this fact since the beginning of the design (draft studies), it is necessary to characterize acoustic sources. Within the framework of railways our study concerns especially low frequency range (0-500 Hertz) and high speeds (Mach t umber < 0,35). Hence, the source are mainly due to aerodynamic interactions. Our approach is based on the understanding of principal physical phenomena connected to a grazing turbulent t1ow over an opened cavity. Thanks to a critical bibliography analysis and to an experimental study held in a wind tunnel with scale models, we have identified and located major aeroacoustics sources. The main parameters of both flow and cavity which control those phenomena have been identified. A sturdy model is proposed and compared with the results concerning the scale models and a real configuration, the TGV. The model enable us to calculate the critical parameters that is to say the mean flow velocity and the aeroacoustics’ frequency leading to the maximum sound pressure level. As the aeroacoustics sources are identified, we develop a numerical tool RAMCES, for the prediction of the wall acoustic pressure over the whole structure. Radiating models are developed: the image sources model for the internal problem and an integral formulation with a convective media for the external problem. The implementation required the knowledge of the amplitude of equivalent monopolar source. These data are estimated from u mean value of the flow: The turbulent kinetic energy. Thanks to the granted knowledge, we propose a strategy for the reduction of aeroacoustics’ sources. Two practical solutions are presented and validated experimentally. A global cool for draft studies is developed. In the framework of a collaboration with the SNCF on a Low frequency field acoustic comfort improvement project

Ce travail concerne l’analyse et le contrôle de l’écoulement affleurant des cavités présentant la particularité d’être ouvertes latéralement et à proximité d’une paroi, avec pour visée applicative le développement de solutions de contrôle de la trainée induites par les cavités bogie de trains à grande vitesse. Pour étudier cette configuration, représentative des cavités ferroviaires et réputée moins sensible au bruit acoustique que les cavités présentant des rapports d’aspect plus petits, des essais expérimentaux ainsi que des simulations numériques (IDDES) d’accompagement ont été entrepris. Les motivations de nos recherches portent sur l’identification des liens entretenus entre l’écoulement et les charges aérodynamique appliquées sur la cavité d’une part et sur le contrôle de la trainée induite d’autre part. Dans ce cadre des essais synchronisés PIV-pression pariétales ont été spécifiquement menés en complément des mesures de forces visant à quantifier la contribution à la traînée (donc à la résistance à l’avancement) de la cavité. Ces derniers développements nous ont également permis d’identifier et de paramétrer une solution de contrôle actif par soufflage continu, basée sur la réduction de la quantité de mouvement à l’interface de la cavité et de débit sous caisse. Les gains de traînée maximum associés sont de l’ordre de 20% pour une géométrie de cavité vide et de l’ordre de 15% pour une cavité avec son bogie
This work concerns the analysis and control of the flow over cavities, which have the particularity of being laterally open and near a wall, with the aim of developing drag control solutions induced by bogie cavities of high-speed trains. To study this configuration, representative of railway cavities and known to be less sensitive to acoustic noise than cavities with smaller aspect ratios, experimental tests and numerical simulations (IDDES) were conducted. The motivations of our research focus on identifying the relationships between the flow and the aerodynamic loads applied on the cavity on one hand, and on the control of induced drag on the other hand. In this context, synchronized PIV-wall pressure tests were specifically conducted in addition to force measurements aimed at quantifying the contribution to drag (and thus to resistance to motion) of the cavity. These recent developments also allowed us to identify and parameterize a continuous blowing active control solution, based on reducing momentum at the cavity interface and underbody flow rate. The maximum associated drag reductions are around 20% for an empty cavity geometry and around 15% for a cavity including the bogie

Le transport aérien des marchandises et de personnes est devenu un des piliers de notre société mondialisée. Néanmoins, la croissance du secteur aéronautique a accentué les problèmes liés aux hauts niveaux sonores émis par les aéronefs. Dans le cadre de la réduction du bruit produit par les trains d’atterrissage en phases d’approche et d’atterrissage, cette thèse a pour but de proposer une méthodologie numérique précise et efficace permettant de prédire un tel bruit. Elle est basée sur l’utilisation du code Navier-Stokes CEDRE développé à l’ONERA mettant en œuvre des maillages non-structurés de haute qualité ainsi qu’un modèle de turbulence de type Zonal Detached Eddy Simulation. Cette démarche a été validée grâce au cas LAGOON, notamment à partir de deux simulations réalisées durant cette thèse, avec l’obtention de résultats très précis (moins de 1dB d’écart avec la mesure expérimentale des niveaux de bruit intégrés) avec un coût de calcul très raisonnable. Par la suite, cette méthodologie a été appliquée à un cas plus complexe, le PDCC, représentatif d’un train d’atterrissage réel. Une nouvelle fois, les résultats obtenus notamment les niveaux de bruit sont très précis, comme c’était le cas pour LAGOON. Ces bons résultats sont obtenus pour des choix différents : pour le PDCC des lois de paroi ont été utilisées en plusieurs endroits de la géométrie, dans le but de réduire encore plus le coût de calcul, tandis que dans le cas LAGOON, les couches limites ont été résolues à l’aide d’un maillage dédié. Finalement, la nature des sources acoustiques présentes dans le train LAGOON a été aussi étudiée. Pour cela, une simulation numérique d’un écoulement se développant autour d’une roue isolée du train a été réalisée afin d’identifier les mécanismes physiques responsables de la réponse tonale de la cavité, observée lors de la campagne expérimentale sur le train à 2 roues. Cette étude peut être aussi considérée comme celle d’une cavité installée soumise à un écoulement rasant non-uniforme. Les résultats obtenus sont comparés avec succès à ceux issus de la littérature du bruit de cavité
In a globalized world, air transportation of goods and persons has become an important pillar of our societies. However, the growth of this sector has raised an important issue, the high noise associated. In the framework of reducing the noise emitted by aircraft at approach and landing, and more precisely the noise emitted by the landing gear, this thesis aims to provide an accurate and efficient numerical methodology enabling to predict such noise. It is based on the use of ONERA’s in house Navier-Stokes code CEDRE coupled with the use of high quality unstructured meshes and a Zonal Detached Eddy Simulation turbulence model. This procedure has been developed thanks to the LAGOON test case, of which two simulations were performed during this thesis, obtaining very accurate results (less than 1dB of error in the OASPL results compared to the experimental measurements) at a moderated cost. In the following, it was applied to a more complex case, the PDCC, representative of a realistic landing gear. Once again, the results obtained were very accurate as was the case for LAGOON, even if an important difference existed between the two cases: for the PDCC, wall functions were used for several geometrical parts, aiming to decrease even more the cost of the simulation while all the boundary layers developing over the LAGOON case were completely solved with a devoted grid. Finally, the nature of the acoustic sources present in the LAGOON landing gear was also addressed. At this end, a simulation was carried out over an isolated wheel, aiming to identify the mechanisms underlying the tonal response of these cavities observed during the LAGOON experimental campaign. This study can be considered as the study of an installed cavity submitted to a non uniform grazing flow, and its analysis relied on comparisons with the results obtained on common cavities from literature