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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.

Moving model experiments are used to investigate the flow around three different train geometries. Due to the difference in the Reynolds number, the flow might not be directly comparable to full-scale measurements. Boundary layer control is used to influence the flow around the train model and increase the boundary layer velocity. With view on the standards given by the Technical specification of Interoperability, the analysis of the wake shows increased maximum induced flow velocities at the specific standard measurement position.

Trackside induced airflow velocities, also known as slipstream velocities, are an important criterion for the design of high-speed trains. The maximum permitted values are given by the Technical Specifications for Interoperability (TSI) and have to be checked in the approval process. For train manufactures it is of great interest to know in advance, how new train geometries would perform in TSI tests. The Reynolds number in moving model experiments is lower compared to full-scale. Especially the limited model length leads to a thinner boundary layer at the rear end. The hypothesis is that the boundary layer rolls up to characteristic flow structures in the train wake, in which the maximum flow velocities can be observed. The idea is to enlarge the boundary layer using roughness elements at the train model head so that the ratio between the boundary layer thickness and the car width at the rear end is comparable to a full-scale train. This may lead to similar flow structures in the wake and better prediction accuracy for TSI tests. In this case, the design of the roughness elements is limited by the moving model rig. Small rectangular roughness shapes are used to get a sufficient effect on the boundary layer, while the elements are robust enough to withstand the high accelerating and decelerating forces during the test runs. For this investigation, High-Speed Particle Image Velocimetry (HS-PIV) measurements on an ICE3 train model have been realized in the moving model rig of the DLR in Göttingen, the so called tunnel simulation facility Göttingen (TSG). The flow velocities within the boundary layer are analysed in a plain parallel to the ground. The height of the plane corresponds to a test position in the EN standard (TSI). Three different shapes of roughness elements are tested. The boundary layer thickness and displacement thickness as well as the momentum thickness and the form factor are calculated along the train model. Conditional sampling is used to analyse the size and dynamics of the flow structures at the time of maximum velocity in the train wake behind the train. As expected, larger roughness elements increase the boundary layer thickness and lead to larger flow velocities in the boundary layer and in the wake flow structures. The boundary layer thickness, displacement thickness and momentum thickness are increased by using larger roughness especially when applied in the height close to the measuring plane. The roughness elements also cause high fluctuations in the form factors of the boundary layer. Behind the roughness elements, the form factors rapidly are approaching toward constant values. This indicates that the boundary layer, while growing slowly along the second half of the train model, has reached a state of equilibrium., {"references":["2008/232/EG, Entscheidung der Kommission vom 21. Februar 2008\nüber die technische Spezifikation für die Interoperabilität des Teilsystems\n'Fahrzeuge' des transeuropäischen Hochgeschwindigkeitsbahnsystems,\nAmtsblatt der Europäischen Union, 2008.","C.J. Baker, A. Quinn, M. Sima, L. Hoefener, R. Licciardello, Full-scale\nmeasurement and analysis of train slipstreams and wakes. Part 1:\nEnsemble averages, Proceedings of the Institution of Mechanical\nEngineers, Part F: Journal of Rail and Rapid Transit, Vol 228, Issue 5,\npp. 451 – 467, 2014 doi:10.1177/0954409713485944.","T.W. Muld, Slipstream and Flow Structures in the Near Wake of\nHigh-Speed Trains, Royal Institute of Technology Stockholm, 2012.","T.W. Muld, G. Efraimsson, D.S. 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