Passenger train aerodynamic drag prediction: evaluation of numerical and experimental methods

Railway transport has long been at the centre of the development of society and continues to play a crucial role today. With the growth of urban areas and increasing challenges related to environmental sustainability and the mobility of people and goods, rail transport is expected to remain a key component of future transport systems. Alongside its potential, technical challenges require dedicated research and innovation. Among these, aerodynamic phenomena have long been central to railway engineering and remain highly relevant. In particular, aerodynamic drag represents a major contribution to the energy demand of trains at cruising speed. For this reason, the accurate estimation of aerodynamic drag is essential at key stages in the life of a railway vehicle, including design, commissioning, and subsequent modifications to its geometry. The estimation of aerodynamic drag, however, remains complex. This thesis investigates its assessment through a comprehensive analysis of experimental and numerical approaches. The study considers wind tunnel tests, full-scale running resistance measurements, and CFD simulations, evaluating their capabilities, limitations, and applicability. The analysis is conducted on real train geometries, including one high-speed train and two regional trains. The latter represent an innovative aspect of this work, as aerodynamic studies on low-speed passenger trains are limited in the literature. The results show generally good agreement between experimental and numerical methods, while also highlighting the influence of modelling assumptions and geometric simplifications. Based on these findings, guidelines are proposed for the appropriate use and interpretation of aerodynamic data in industrial contexts, with particular emphasis on the balance between accuracy, computational cost, and engineering relevance.

Il trasporto ferroviario è da tempo al centro dello sviluppo della società e continua ancora oggi a svolgere un ruolo cruciale. Con la crescita delle aree urbane e le crescenti sfide legate alla sostenibilità ambientale e alla mobilità di persone e merci, si prevede che il trasporto ferroviario continuerà a rappresentare una componente fondamentale dei futuri sistemi di trasporto. Accanto alle sue potenzialità, permangono sfide tecniche che richiedono attività dedicate di ricerca e innovazione. Tra queste, i fenomeni aerodinamici rivestono da tempo un ruolo centrale nell’ingegneria ferroviaria e mantengono tuttora una notevole rilevanza. In particolare, la resistenza aerodinamica rappresenta un contributo significativo al fabbisogno energetico dei treni alla velocità di crociera. Per questo motivo, una sua stima accurata è essenziale nelle principali fasi della vita di un veicolo ferroviario, tra cui la progettazione, la messa in servizio e le successive modifiche alla geometria. La valutazione della resistenza aerodinamica rimane, tuttavia, complessa. La presente tesi ne analizza la determinazione attraverso uno studio completo di approcci sperimentali e numerici. Sono considerate prove in galleria del vento, misure di resistenza all’avanzamento in scala reale e simulazioni CFD, valutandone potenzialità, limitazioni e ambiti di applicabilità. L’analisi è condotta su geometrie di treni reali, comprendenti un treno ad alta velocità e due treni regionali. Questi ultimi rappresentano un aspetto innovativo del lavoro, poiché gli studi aerodinamici sui treni passeggeri a velocità ridotta sono ancora limitati nella letteratura scientifica. I risultati mostrano, in generale, un buon accordo tra i metodi sperimentali e numerici, evidenziando al contempo l’influenza delle ipotesi di modellazione e delle semplificazioni geometriche. Sulla base di tali risultati, vengono proposte linee guida per un utilizzo e un’interpretazione appropriati dei dati aerodinamici in ambito industriale, con particolare attenzione al compromesso tra accuratezza, costo computazionale e rilevanza ingegneristica.