Estudio de los efectos derivados del viento lateral en la circulación de trenes de alta velocidad

Abstract

El TFG que aquí se presenta tiene como objetivo principal el analizar en profundidad los efectos derivados del viento lateral en la circulación de trenes de alta velocidad.
En primer lugar se realiza un estudio de la situación actual y su evolución histórica. Se expondrá el porqué de la creciente problemática que supone el viento cruzado en el diseño de los ferrocarriles modernos. Así mismo, se presentan la normativa vigente y los diferentes proyectos que se han encontrado que versan sobre este tema.
Para concluir el acercamiento previo, se exponen las principales vías de desarrollo que se están llevando a cabo a día de hoy para mitigar dichos efectos adversos.
Actualmente, destacan tres corrientes de pensamiento cuya función es la de mitigar los efectos del viento lateral: detectores de viento, elementos de protección (barreras) y el diseño aerodinámico óptimo de los nuevos trenes de alta velocidad.
El siguiente paso consiste en demostrar y presentar el fundamento teórico de la dinámica de fluidos que gobierna el comportamiento del viento en su interacción con el material rodante.
La forma de cuantificar y comparar los datos que se va a tener es en base a los coeficientes aerodinámicos. Estas expresiones permiten convertir las fuerzas resultantes en magnitudes adimensionales que las relacionan con su velocidad y, por consiguiente, con la presión dinámica.
Se estudian las relaciones que se establecen por legislación entre la velocidad del viento lateral y la máxima velocidad del tren correspondiente. Cada modelo de material rodante dispone de una curva eólica característica (CEC) que establece dichas limitaciones en base a su diseño aerodinámico y a la estabilidad lateral.
Después, se procede a estudiar las infraestructuras reales, a la detección de las geometrías que serán clave en el proceso de simulación y a su simplificación.
El objetivo es poder establecer en base a estos diseños unos modelos generales en los que se encuentre un equilibrio entre el grado de detalle necesario y su complejidad.
En base a las condiciones ya mencionadas, se modelizan todos los elementos que intervienen en el problema en el programa de mecánica de fluidos computacional (CFD) que se ha elegido, Ansys AIM.
Es necesario establecer un volumen de control adecuado a la geometría estudiada. El mallado y la definición de las condiciones de contorno serán un factor clave a la hora de darle la validez buscada a las simulaciones.
Del mismo modo, se regularán las condiciones del aire (densidad y viscosidad) y se establecerá el método de evaluación de las ecuaciones de Navier-Stokes y la influencia del régimen turbulento.
Al tratarse de un ensayo en 3D se puede evaluar el movimiento del tren en vez de considerarlo en estático. Para ello, se define un volumen de control auxiliar que permite introducir la corriente de aire derivada de la circulación del vehículo.
Llegados a este punto se deben de decidir qué escenarios se van a estudiar en los ensayos tridimensionales que se van a llevar a cabo. Cada uno de ellos estará compuesto por la combinación de una sección tipo de vía, un modelo de tren de alta velocidad y unas condiciones de contorno.
La próxima tarea consiste en definir el objetivo de los ensayos. El conjunto de ellos se ha dividido en dos grandes bloques. El primero de ellos busca cuantificar la correlación que existe (o no) entre la interacción del movimiento del tren con el viento lateral que incide sobre él.
Se persigue demostrar la dependencia directa entre ambos fenómenos y con ello la imposibilidad de su estudio por separado, lo que se ha denominado como el modelo dual de velocidad.
El segundo bloque de ensayos se centra en la búsqueda de la metodología óptima para el diseño de las barreras para-viento, elementos de mitigación de los efectos del viento lateral que se acoplan a la infraestructura de la vía.
Las conclusiones son categóricas. Los ensayos previos han podido demostrar la interrelación que se establece entre el movimiento del tren y el viento lateral. Por lo tanto, no son fenómenos cuyo estudio pueda ser abarcable de manera individual.
Es necesario en todo momento su evaluación mediante el modelo dual de velocidades.
La metodología utilizada para el diseño de las barreras ha resultado adecuada para los objetivos previstos. Se ha identificado que su altura máxima es crítica para la sustentación aerodinámica y que la mayor mejora posible la ofrecen los aleros orientados hacia fuera de la vía. Por el contrario, el hecho de añadir un hueco inferior a las pantallas no implica mejorías significativas, obteniéndose de esta forma un resultado diferente a los estudios en 2D que no consideran el modelo dual.