Estudio aerodinámico de circulación de trenes de alta velocidad en túneles. Análisis de fatiga

Abstract

Las redes ferroviarias de alta velocidad están aumentando en gran medida por todo el mundo debido a la cercanía de las estaciones por su ubicación en las ciudades y los breves tiempos de espera para viajar con respecto al de los aviones. Asimismo, las altas velocidades de circulación permiten recorrer grandes trayectos en breves periodos de tiempo, como por ejemplo el caso de la línea de Madrid-Barcelona, la cual es posible recorrer en 2 horas y 45
minutos aproximadamente.
Sin embargo, el aumento de las velocidades de circulación supone que las fuerzas aerodinámicas presenten una elevada importancia, más aún cuando se atraviesa un túnel a dichas velocidades.
Entre los efectos aerodinámicos más importantes durante el paso de un tren a través de un túnel, cabe destacar la generación de ondas de presión, las cuales afectan tanto a la resistencia al avance, como a la estructura del tren y túnel, e incluso al confort de los pasajeros.
Un tren que atraviesa un túnel genera ondas de presión que se propagan a la velocidad del sonido a lo largo del mismo y rebotan al llegar a la boca opuesta. El conjunto de las ondas que se forman en el interior del túnel son la causa principal de las fluctuaciones de presión generadas, las cuales pueden originar múltiples problemas, alguno de ellos originados por la propia estructura del tren.
En este proyecto, se considerarán los trenes herméticos a las ondas de presión, los cuales no permiten el flujo de dichas ondas entre el interior y el exterior del vehículo. El principal problema que surge con este tipo de trenes es la diferencia de presión entre el interior y el exterior del tren. Dicha diferencia de presión se traduce en un conjunto de cargas transitorias sobre la estructura que pueden ser la causa principal para el fallo por fatiga.
El objetivo principal de este Trabajo de Fin de Grado consiste en analizar la fatiga en los trenes ocasionada por el conjunto de ondas de presión generadas a su paso por un túnel. Para ello, el proyecto se ha estructurado de la siguiente manera:
En primer lugar, se ha analizado el Estado del Arte de la aerodinámica de trenes durante su paso por un túnel, así como el concepto de fatiga y los métodos desarrollados para su cálculo.
A continuación, se han llevado a cabo distintas simulaciones numéricas con un software validado para el cálculo de presiones en túneles, para más adelante desarrollar una serie de herramientas de post-procesado de datos. Dentro del postprocesado se han implementado diversas funciones en Matlab con el fin de validar los resultados obtenidos en las simulaciones mediante la comparación de éstos con
resultados experimentales obtenidos en varios túneles ofrecidos por el Centro de Modelado en Ingeniería Mecánica, CEMIM.
Con las herramientas de post-procesado desarrolladas, se ha continuado con el cálculo de la fatiga para diversos escenarios considerados. Con el fin de comprobar una aplicación real para los cálculos de fatiga realizados, se ha simulado la línea de explotación de Madrid-Barcelona bajo ciertas condiciones operativas.
Por último, se han analizado los resultados obtenidos tanto de presión como de fatiga mediante comparaciones entre distintos casos simulados, con el fin de entender qué
parámetros son más influyentes en la fatiga del tren. Además, a partir de los resultados obtenidos en la línea simulada, se ha analizado la vida útil que tendría un tren al operar en dicha línea bajo las condiciones mencionadas.