Switches and crossings are vital components of the railway network. Obstacles to the smooth functioning of these components could result in delays and network traffic. Given the geographical location of Sweden, snow is one of the major obstacles for the switches. The presence and hardening of snow act as an obstacle to the movement of the switch rail, thus hindering its function. Electrically heated switches melt and clear the snow for movement of the switch rail. They typically operate at a power level of 10 kW–30 kW. With 6800 switches operational in Sweden, the potential for energy savings is huge. This master thesis intends to investigate the possibility of reducing energy consumption through insulating a side of the rail. To achieve that, a comprehensive transient conjugate heat transfer analysis is carried out using CFD simulations. The initial refinement of the measured data highlighted the uncertainties in them, and which shaped the course of the thesis. The analysis of these uncertainties gave critical insights and led to useful recommendations for future work. The fluid-solid interactions between the rail and flow of air and their impact on transient heat loss have been analyzed to gain critical insights regarding the choice of side of implementation of insulation. The validation of the model at lower electrical power levels threw light on the dire requirement of numerical modeling of snow melting, which happens at the higher power levels of the heating element. One of the critical observations made after the implementation of the insulation is the reduction in the temperature of the heating element, which leads us to conclude that the insulation not only saves energy but also prolongs the life of the heating element by reducing thermal fatigue. / Växlar och korsningar är viktiga komponenter i järnvägsnätet. Om dessa komponenter inte fungerar smidigt kan det resultera i förseningar och avbruten nätverkstrafik. Med tanke på Sveriges geografiska läge är snö ett av de största hindren för växlarna. Snö och hårt packad snö kan hindra spårväxelns rörelse och funktion. Elektriskt uppvärmda spårväxlar smälter bort snön så att spårväxeln kan fungera. Spårväxlarna har vanligtvis en effektnivå på 10 kW - 30 kW. Med 6 800 växlar i drift i Sverige är potentialen för energibesparingar är enorm. Denna masteruppsats syftar till att undersöka möjligheten att minska energiförbrukningen genom att isolera en sida av rälsen. För att uppnå detta utförs en omfattande transient konjugerad värmeöverföringsanalys med hjälp av CFD-simuleringar. Den inledande dataförädlingen av mätdata belyste osäkerheterna i datan vilket formade det fortsatta arbetet med avhandlingen. Analysen av dessa osäkerheter gav kritiska insikter och användbara rekommendationer för framtida arbete. Fluid - solid-interaktionerna mellan skenan och luftflödet och deras inverkan på den transienta värmeförlusten har analyserats för att få kritiska insikter om valet av sida för isolering. Valideringen av modellen vid lägre effektnivåer kastade ljus över det akuta behovet av numerisk modellering av snösmältningen som sker vid värmeelementets högre effektnivåer. En av de kritiska observationerna som gjordes efter implementeringen av isoleringen är minskningen av värmeelementets temperatur, vilket drar slutsatsen att isoleringen inte bara sparar energiförbrukningen utan också förlänger elementets livslängd genom att minska den termiska utmattningen.

Une analyse critique de la modélisation des échanges thermiques des câbles d’énergie en galerie est réalisée, avec l’étude de facteurs d’influences propres aux modes de pose des câbles dans ces ouvrages. Les câbles, de plusieurs kilomètres, chauffent du fait du courant transmis dans leurs âmes. Ils sont alors refroidis par une convection forcée turbulente, dans l’axe des câbles, et échangent par rayonnement avec les parois. Pour étudier ce refroidissement, un banc d’essais expérimental a été conçu, en similitude de Reynolds, modélisant différents câbles soumis à un écoulement turbulent développé. Les résultats sont comparés et étayés par des simulations numériques 3D, développées sous l’outil OpenFOAM. Les études réalisées ont permis de mettre en évidence la mésestimation importante de l’échange convectif par la norme existante. Celle-ci propose un refroidissement qui se compose en réalité pour un tiers de l’effet de supports maintenant les câbles et d’un autre tiers d’un écoulement encore en début d’établissement. Le dernier tiers étant le refroidissement effectif des câbles. L’impact des groupements des câbles est aussi étudié, avec un résultat étonnant où un groupe de deux câbles en nappe est trouvé mieux refroidis qu’un seul, lorsque ceux-ci sont placés en proche paroi de la galerie. A l’issue des travaux, une unique loi de refroidissement conservative est proposée, permettant de modéliser tous les cas traités. Cette loi a un impact important sur l’intensité maximale admissible des câbles, qui est dégradée de 5% à 9% par rapport à précédemment pour un cas idéalisé. / A critical analysis of the thermal rating of power cables in tunnels is carried out, with the study of factors of influence specific to cable laying constrains. The heat generation in the cables, due to the transiting current, is dissipated by an axial turbulent forced convection and by radiation with the tunnel walls. To characterize this cooling, an experimental mock-up tunnel has been designed, modelling various cables in a fully-developed turbulent flow. The results are compared and bolstered by 3D numerical simulations, developed under the OpenFOAM code. The studies have highlighted an important underestimation of the convective exchange by the existing standard. Their cooling law is actually a sum of the effects of racks supporting the cables, for a third, and the effect of a flow still underdeveloped for another third. The last third being the actual cooling of the cables. The impact of groups configurations is also studied, with an astonishing result for groups of two cables, which are better cooled than a single cable case, when installed close to a wall. Following the analysis, a single conservative cooling law is proposed to model all studied cases. This law has a significant impact on the permissible current in the cables, which is downgraded from 5% to 9% from previous ratings.