Aerodynamic Optimization of the Nose Shape of a High-speed Train

Resumen

La influencia de la aerodinámica en el diseño de los trenes de alta velocidad, unida a la necesidad de resolver nuevos problemas surgidos con el aumento de la velocidad de circulación y la reducción de peso del vehículo, hace evidente el interés de plantear un estudio de optimización que aborde tales puntos. En este contexto, se presenta en esta tesis la optimización aerodinámica del testero de un tren de alta velocidad, llevada a cabo mediante el uso de métodos de optimización avanzados. Entre estos métodos, se ha elegido aquí a los algoritmos genéticos y al método adjunto como las herramientas para llevar a cabo dicha optimización. La base conceptual, las características y la implementación de los mismos se detalla a lo largo de la tesis, permitiendo entender los motivos de su elección, y las consecuencias, en términos de ventajas y desventajas que cada uno de ellos implican. El uso de los algorimos genéticos implica a su vez la necesidad de una parametrización geométrica de los candidatos a óptimo y la generación de un modelo aproximado que complementa al método de optimización. Estos puntos se describen de modo particular en el primer bloque de la tesis, enfocada a la metodología seguida en este estudio. El segundo bloque se centra en la aplicación de los métodos a fin de optimizar el comportamiento aerodinámico del tren en distintos escenarios. Estos escenarios engloban los casos más comunes y también algunos de los más exigentes a los que hace frente un tren de alta velocidad: circulación en campo abierto con viento frontal o viento lateral, y entrada en túnel. Considerando el caso de viento frontal en campo abierto, los dos métodos han sido aplicados, permitiendo una comparación de las diferentes metodologías, así como el coste computacional asociado a cada uno, y la minimización de la resistencia aerodinámica conseguida en esa optimización. La posibilidad de evitar parametrizar la geometría y, por tanto, reducir el coste computacional del proceso de optimización es la característica más significativa de los métodos adjuntos, mientras que en el caso de los algoritmos genéticos se destaca la simplicidad y capacidad de encontrar un óptimo global en un espacio de diseño multi-modal o de resolver problemas multi-objetivo. El caso de viento lateral en campo abierto considera nuevamente los dos métoxi dos de optimización anteriores. La parametrización se ha simplificado en este estudio, lo que notablemente reduce el coste numérico de todo el estudio de optimización, a la vez que aún recoge las características geométricas más relevantes en un tren de alta velocidad. Este análisis ha permitido identificar y cuantificar la influencia de cada uno de los parámetros geométricos incluídos en la parametrización, y se ha observado que el diseño de la arista superior a barlovento es fundamental, siendo su influencia mayor que la longitud del testero o que la sección frontal del mismo. Finalmente, se ha considerado un escenario más a fin de validar estos métodos y su capacidad de encontrar un óptimo global. La entrada de un tren de alta velocidad en un túnel es uno de los casos más exigentes para un tren por el pico de sobrepresión generado, el cual afecta a la confortabilidad del pasajero, así como a la estabilidad del vehículo y al entorno próximo a la salida del túnel. Además de este problema, otro objetivo a minimizar es la resistencia aerodinámica, notablemente superior al caso de campo abierto. Este problema se resuelve usando algoritmos genéticos. Dicho método permite obtener un frente de Pareto donde se incluyen el conjunto de óptimos que minimizan ambos objetivos. ABSTRACT Aerodynamic design of trains influences several aspects of high-speed trains performance in a very significant level. In this situation, considering also that new aerodynamic problems have arisen due to the increase of the cruise speed and lightness of the vehicle, it is evident the necessity of proposing an optimization study concerning the train aerodynamics. Thus, the aerodynamic optimization of the nose shape of a high-speed train is presented in this thesis. This optimization is based on advanced optimization methods. Among these methods, genetic algorithms and the adjoint method have been selected. A theoretical description of their bases, the characteristics and the implementation of each method is detailed in this thesis. This introduction permits understanding the causes of their selection, and the advantages and drawbacks of their application. The genetic algorithms requirethe geometrical parameterization of any optimal candidate and the generation of a metamodel or surrogate model that complete the optimization process. These points are addressed with a special attention in the first block of the thesis, focused on the methodology considered in this study. The second block is referred to the use of these methods with the purpose of optimizing the aerodynamic performance of a high-speed train in several scenarios. These scenarios englobe the most representative operating conditions of high-speed trains, and also some of the most exigent train aerodynamic problems: front wind and cross-wind situations in open air, and the entrance of a high-speed train in a tunnel. The genetic algorithms and the adjoint method have been applied in the minimization of the aerodynamic drag on the train with front wind in open air. The comparison of these methods allows to evaluate the methdology and computational cost of each one, as well as the resulting minimization of the aerodynamic drag. Simplicity and robustness, the straightforward realization of a multi-objective optimization, and the capability of searching a global optimum are the main attributes of genetic algorithm. However, the requirement of geometrically parameterize any optimal candidate is a significant drawback that is avoided with the use of the adjoint method. This independence of the number of design variables leads to a relevant reduction of the pre-processing and computational cost. Considering the cross-wind stability, both methods are used again for the minimization of the side force. In this case, a simplification of the geometric parameterization of the train nose is adopted, what dramatically reduces the computational cost of the optimization process. Nevertheless, some of the most important geometrical characteristics are still described with this simplified parameterization. This analysis identifies and quantifies the influence of each design variable on the side force on the train. It is observed that the A-pillar roundness is the most demanding design parameter, with a more important effect than the nose length or the train cross-section area. Finally, a third scenario is considered for the validation of these methods in the aerodynamic optimization of a high-speed train. The entrance of a train in a tunnel is one of the most exigent train aerodynamic problems. The aerodynamic consequences of high-speed trains running in a tunnel are basically resumed in two correlated phenomena, the generation of pressure waves and an increase in aerodynamic drag. This multi-objective optimization problem is solved with genetic algorithms. The result is a Pareto front where a set of optimal solutions that minimize both objectives.