Transporte más eficiente gracias a la mecánica de fluidos

Por Javier García García.

En el actual contexto energético se hace cada más más necesario el uso de medios de transportes más eficientes y respetuosos con el medio ambiente. De entre los medios de transporte actuales, quizás uno de los más eficientes sea el tren.  Evidentemente hay muchos factores que hay que tener en cuenta para reducir el consumo energético y mejorar la eficiencia de un tren, pero si pensamos en largas distancias, inevitablemente para que dicho transporte sea competitivo, iremos a trenes de alta velocidad (TAV) (por encima de 300 km/h). Con el incremento de las velocidades, se ha visto que los problemas aerodinámicos que hasta entonces no se consideraban, empiezan a tener importancia. Temas como el ruido aerodinámico, vibraciones, fuerzas cuando dos trenes se cruzan, la onda de presión a la salida de un túnel, confort acústico en el interior del tren, etc. han pasado a estudiarse con más detalle. No sólo es necesario dedicar esfuerzos a mejorar la eficiencia de los sistemas de tracción, sino también a conocer mejor los fenómenos físicos asociados al flujo alrededor del tren y que ello redunde en un mejor control de la resistencia al avance, ruido y vibraciones. En estas circunstancias la aerodinámica es un tema clave. En trenes que circulan a más de 250 km/h el 80 % de la resistencia al avance está relacionada con su aerodinámica, y teniendo en cuenta que la resistencia crece con la velocidad del tren al cuadrado, su importancia es cada mayor.

Estudio del flujo alrededor de trenes de alta velocidad

El flujo alrededor de un TAV en campo abierto se caracteriza por ser altamente turbulento. El elevado número de Reynolds de estos flujos (Re ~10⁶-10⁷), los desprendimientos y vórtices que aparecen hacen que su estudio sea muy complejo.  Una buena alternativa al ensayo en túneles aerodinámicos, no siempre viable, es la mecánica de fluidos computacional. Para ello es necesario utilizar modelos de turbulencia que sean capaces de capturar las características más importantes del flujo, pero sin que el coste computacional sea excesivo. Hay que tener en cuenta que la simulación directa de las ecuaciones de Navier-Stokes, es decir, la resolución de todas las escalas turbulentas implicaría que en un estudio tridimensional el número de celdas debería ser del orden de Re_L^9/4, a lo que habría que añadir que se trata de una simulación transitoria. Estos números hacen inviable una simulación de este tipo incluso en los mejores supercomputadores existentes hoy en día.

Es necesario pues recurrir a modelos LES («Large Eddy Simulation»), en los que se resuelven sólo las escalas de la turbulencia más grandes y, por tanto, las más energéticas, pero que aun así tienen un coste computacional elevado; o bien acudir a modelos que resuelven las ecuaciones promediadas de Navier-Stokes (RANS). Esta última es la línea que estamos siguiendo en nuestro grupo, desarrollar modelos de turbulencia que sean capaces de resolver las estructuras turbulentas del flujo, pero con un coste inferior. Nuestro grupo está trabajando, en colaboración con el MIT, en modelos de este tipo, en concreto en modelos URANS de segunda generación que son capaces de obtener resultados próximos a LES con un coste similar al de los modelos RANS. Los resultados obtenidos han sido muy prometedores en términos de precisión y tiempo de simulación, y pueden ser muy adecuados para estudios que impliquen el análisis de un gran número de configuraciones, estudios paramétricos o métodos de optimización mediante algoritmos genéticos, proporcionando ventajas frente a modelos turbulencia ya existentes.

Estudio en el interior de túneles

Otra situación habitual y de gran interés desde un punto de vista fluidodinámico aparece cuando un TAV entran en un túnel. La alta velocidad del tren y la elevada relación de bloqueo entre la sección transversal del tren y la del túnel da lugar a fenómenos característicos de este tipo de vehículos. Cuando un TAV entra en un túnel se genera una onda de compresión en la parte frontal del tren que se propaga a lo largo del túnel. En la salida del túnel, la onda de compresión se refleja hacia el interior del túnel, formando una onda de expansión. Estas ondas de presión causan fuerzas y momentos adicionales sobre el tren (la fuerza de arrastre aerodinámico puede superar el 90 % de la fuerza total de arrastre cuando un tren pasa por el interior de un túnel) y sobre los elementos estructurales dentro del túnel. Además, estas ondas suponen una pérdida de confort para los pasajeros. La intensidad de la onda de compresión depende principalmente de la relación de bloqueo y de la velocidad de entrada. Nuestro grupo ha realizado estudios de optimización para obtener tendencias de diseño para el testero del tren, de manera que los saltos de presión y el gradiente correspondiente no excedan los valores aconsejados en la norma.

Hyperloop

Precisamente en los últimos años ha surgido una nueva y prometedora propuesta que podría revolucionar el transporte terrestre. Se trata del Hyperloop, la idea fundamental es reducir la resistencia tanto aerodinámica como la debida a la fricción mecánica, que permita aumentar la velocidad del vehículo sin aumentar en exceso la potencia necesaria.  Para conseguirlo se hace desplazar el tren por un tubo en el que se ha hecho parcialmente el vacío (presiones de 1 kPa o menores), con ello se consigue reducir drásticamente la fuerza de resistencia aerodinámica, si a ello le sumamos que se está planteando un sistema de levitación magnética que reduce la fricción mecánica, podríamos pensar en mover los vehículos por el interior del tubo a velocidades del orden de 1000 km/h. Aunque todavía está en fase de estudio la viabilidad técnica y económica del sistema, supone un reto desde un punto de vista fluidodinámico por la riqueza de fenómenos implicados: ondas de compresión y expansión, reflexión de ondas, efectos térmicos y de bloqueo, etc. Es un tema en el que estamos trabajando actualmente junto con otros grupos. 

Javier García García es Catedrático de Mecánica de Fluidos en el Dpto. de Ingeniería Energética. Su actividad investigadora se centra en el estudio aerodinámico de trenes de alta velocidad, y el estudio de flujos cardiovasculares.

Bibliografía

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Ondas de compresión y expansión en un Hyperloop.