Aerodynamic Analysis of High-Speed Trains Passing Freight Trains In Tunnels Using A Simplified 2D CFD Model With Realistic Train Geometries
Dito Afandi, Ir. Taqia Rahman, S.T., M.Sc., Ph.D. ; Ir. Latif Budi Suparma, M.Sc., Ph.D.
2025 | Tesis | S2 Mag. S. & T.Transportasi
Udara pada terowongan harus dipantau ketika kereta barang dan kereta cepat beroperasi bersamaan. Beban kelelahan dan getaran yang dihasilkan dari aliran udara ini dapat mengganggu benda-benda di sekitarnya. Simulasi 3D memerlukan banyak sumber daya, sehingga prediksi menjadi mahal. Penelitian ini bertujuan untuk menggunakan model 2D guna menyederhanakan simulasi model 3D sambil menjaga akurasi prediksi variasi tekanan dinamika fluida secara komputasional.
Model 3D diskalakan 1/20 dan disederhanakan dengan menggunakan hydraulic diameter dan blockage ratio untuk menghitung lebar kereta dan terowongan serta membagi hidung kereta menjadi beberapa irisan untuk mendapatkan penampang permukaan dinamis yang baru. Ada tiga tahap pemodelan. Pertama, validasi parameter numerik, kemudian menerapkan konsep tersebut pada geometri kereta dan kondisi fluida yang realistis, dan terakhir menerapkan metode gabungan pada dua kereta yang bergerak menggunakan dynamic mesh layering. Titik pengukuran di jalur mendeteksi gelombang tekanan ketika bagian-bagian kereta bertemu tip-to-tip, tip-to-tail, tail-to-tip, dan tail-to-tail. Dinding kereta juga ditempatkan titik pengukuran tambahan.
Hasil eksperimen dan MBE mengonfirmasi parameter dengan kepercayaan 95,5?n 96,1%. Fluida kompresibel meningkatkan visualisasi gelombang tekanan terowongan pada pemodelan tahap 2. Gelombang tekanan meningkat saat dua kereta bertemu di dalam terowongan. Sampai bagian ekor HST keluar dari titik pengukuran setelah ujung ke ujung, tekanan tengah sama dengan dinding samping kereta barang. Jarak antar gerbong kereta menyeimbangkan tekanan. Tepi luar HST yang terisolasi memiliki tekanan terendah (-116 dan -65 Pa). Perubahan deviasi tekanan di kedua sisi kereta barang meningkatkan empat pada kondisi pertemuan kereta. Di gerbong terakhir, hanya ekor yang menunjukkan deviasi tekanan minimal. Ketika HST bertemu dengan setiap gerbong, ujung depan HST memberikan tekanan udara pada gerbong dari arah tengah jalur ke arah dinding terowongan. Kemudian, tekanan mendorong udara dari arah dinding terowongan ke arah jalur tengah ketika ekor HST mendekati setiap gerbong. Ujung depan dari gerbong belakang mengalami deviasi paling besar dari 4 pasang lokasi pengukuran dengan 156,4 Pa. Dengan demikian, goyangan dari tengah terowongan ke dinding mengalami potensi paling besar.
The tunnel air must be monitored when a freight train and high-speed train are mixed together. The fatigue load and vibration from these airflows could disrupt neighboring things. The 3D simulation requires a lot of resources, making prediction costly. This research aims to uses a 2D model to simplify 3D model simulation while keeping computational fluid dynamics' pressure variation forecasting accuracy.
The 3D model was scaled 1/20 and simplified by using hydraulic diameter and blockage ratio to calculate train and tunnel widths and slicing the train’s nose into several sections to get a new dynamic surface cross-section. There are three modeling stages. First, validate the numerical parameters, then apply the concept to realistic train geometry and fluid conditions, and lastly apply the combined method to two moving trains utilizing dynamic mesh layering. Measuring points on the track detect pressure waves when train parts meet tip-to-tip, tip-to-tail, tail-to-tip, and tail-to-tail. The train's wall also contains additional measuring points.
Experimental and MBE results confirm parameters with 95.5% and 96.1% confidence. Compressible fluids enhance stage 2 tunnel pressure wave visualisation. Pressure waves rise as two trains collide in a tunnel. Until HST's tail exits the measuring point after tip-to-tip, middle pressure equals freight train side wall. Train carriage empty distance balances pressure. The isolated HST's outer edge has the lowest pressure (-116 and -65 Pa). Pressure changes on both freight train side increases four train encounter deviations. In the last carriage, only the tail shows minimal pressure deviation. When meeting each carriage, the hst tip pushes the carriage from middle track to tunnel wall. Pressure pushes from tunnel wall to the middle of the track when the hst tail approaches each carriage. Front end of rear carriage deviated most from 4 pairs of measurement sites with 156.4 Pa. Thus, swaying from tunnel middle to wall maximises potential.
Kata Kunci : Pressure wave, Model transformation, High-speed train, Freight train, Tunnel