Estudio aerodinámico de un tren de alta velocidad mediante el método de los paneles

Abstract

El presente TFG tiene como objetivo el estudio aerodinámico de trenes de alta velocidad mediante la aplicación del método numérico conocido como método de los paneles.
Se comienza con un análisis de los distintos efectos aerodinámicos que pueden aparecer durante el servicio de un tren de alta velocidad. Se analizan los efectos producidos por la circulación del tren a velocidad constante en ausencia de viento lateral, la circulación del tren en presencia de viento lateral, y por último el cruce de dos trenes. Así mismo se relaciona con la normativa europea correspondiente que se aplica a este tipo de situaciones centrándose en las variaciones de presión producidas por el paso de un tren. Una vez definidas las situaciones a estudiar se analizan las ventajas y desventajas de la aplicación del método de los paneles para este tipo de simulaciones. La aplicación de este tipo de simulaciones también es analizada desde el punto de vista de la elaboración de evaluaciones de conformidad (requisito legal) y son comparadas con otras formas de ensayo como pueden ser, ensayos a escala real o con modelos a escala en túneles de viento. Así mismo se exponen las utilidades de este tipo de estudios cara al diseño y seguridad de la circulación de trenes de alta velocidad. A continuación se resume brevemente el método numérico de los paneles describiendo los distintos cálculos que se efectúan y la forma de aplicarlos para finalmente conseguir resolver el problema de mecánica de fluidos que se plantea. También se establecen todas las hipótesis que en el método de los paneles son aplicadas. Cuando se tiene el software terminado, el siguiente paso consiste en validarlo. Para ello se aplican las simulaciones a un caso que tenga solución analítica para así poder comparar los resultados. Como modelo se escoge una esfera de radio unidad en un flujo también de velocidad unitaria y se obtienen los resultados. Partiendo de un modelo CAD (Computer aided design) del ICE 3, un modelo de tren de alta velocidad desarrollado por SIEMENS y que actualmente es empleado en distintas líneas de alta velocidad, se obtiene el modelo mallado con cuadriláteros que se utilizará para las simulaciones. A continuación los distintos resultados de las simulaciones son mostrados y analizados. Se comienza con el caso más sencillo correspondiente al tren circulando al aire libre, solo en ausencia de viento lateral u otros trenes. En los resultados se aprecia la distribución del Cp y por consiguiente de la presión sobre la superficie de la cabeza tractora. Se analizan los resultados comprobando la presencia de los puntos de remanso del flujo así como las zonas de altas y bajas presiones. Se observa el posible uso de este método para este tipo de simulaciones siempre y cuando el ángulo de incidencia no sea demasiado grande, ya que habría separación del flujo y ya no se cumplirían las hipótesis para la aplicación de este método. Finalmente se hacen las simulaciones para el evento de cruce de dos trenes. Esta simulación se hace como sucesión de estados estacionarios con un tren en reposo y el otro en movimiento. Parece una zona de alta presión delante del morro del tren en movimiento seguida de una zona de bajas presiones (succión). Esto es un pulso de presión que es objeto de estudio ya que puede afectar a ventanillas, puertas y si se transmite al interior del tren también puede afectar al confort de los viajeros. De las simulaciones del cruce de trenes se pueden obtener curvas que representan la variación de la presión a lo largo del tiempo del cruce en los puntos deseados. En conclusión, con la aplicación del método de los paneles se pueden estimar resultados de ensayos de homologación que tendrá que superar el material rodante, así como se podrán estimar presiones en puertas y ventanillas cara al diseño, optimizar la ubicación de las tomas de aire del sistema de aire acondicionado o analizar el efecto sobre la estabilidad de vientos cruzados.