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Fluidodinâmica computacional é utilizada em análises aerodinâmicas do Metrô de Medellín

Ensino & Pesquisa Fluidodinâmica Tecnologia de Simulação

Mais de um milhão de passageiros utilizam diariamente o sistema de trens urbanos da Empresa de Transporte Masivo do Vale do Aburrá Ltda, de Medellín, Colômbia. O veículo coletivo mais acessado pela população local opera em seis municípios da região e é composto por duas linhas (A e B) que atravessam 27 estações, em quase 35 quilômetros de extensão. Os trens operam em velocidades que vão desde 50 até 200km/h. A frota urbana foi projetada há mais de 30 anos e pouco considerou o comportamento aerodinâmico das máquinas.

Com uma geometria externa típica de um sistema não aerodinâmico, devido à sua forma quadrada, o arrasto aerodinâmico gerado no movimento dos trens produz uma força oposta que é altamente representativa no consumo total de energia. Pensando nisso, os engenheiros da Universidade Pontifícia Bolivariana Andrés Tabares, Natalia Gómez, César Nieto e Mauricio Giraldo se dedicaram a estudar o valor desse consumo, levando a identificar as fontes críticas de arrasto e as modificações que poderiam proporcionar um melhor comportamento aerodinâmico aos trens – a fim de reduzir o uso de energia e, portanto, recursos econômicos.

A análise aerodinâmica é a mais parte difícil do processo de design, pois requer avaliação do fluxo de ar em diferentes velocidades. As simulações computacionais do comportamento aerodinâmico dos trens da Masivo do Vale do Aburrá, também conhecida como Metro de Medellín, foram realizadas com a ferramenta de CFD ANSYS Fluent, que utiliza um método de volume finito para resolver as equações de fluido que governam. Estas simulações permitiram calcular a distribuição de arrasto nas superfícies que compõem o corpo do trem para identificar os lugares onde as mudanças geométricas poderiam ser feitas e, então, reduzir o arrasto.

O que é o arrasto aerodinâmico?

O arrasto aerodinâmico, também conhecido por resistência aerodinâmica, é a força que se opõe ao deslocamento do veículo através da atmosfera. Quanto maior o arrasto, maior a força necessária para acelerar o trem até determinada velocidade e para mantê-la. O arrasto é criado pelo deslocamento do ar em torno do veículo e pela fricção desse ar contra sua superfície. Ele age na direção contrária ao deslocamento e varia com a velocidade, área frontal, coeficiente de arrasto (cd) e a densidade do ar (que varia com a altitude e a temperatura).

Análises feitas com ANSYS Fluent

O estudo avaliou o comportamento aerodinâmico de um trem que opera em velocidades médias, por meio da dinâmica computacional dos fluidos. O principal objetivo foi identificar as principais fontes de arrasto aerodinâmico. A pesquisa consistiu em duas fases:

I. Análise aerodinâmica do trem usando certos parâmetros de malha e o modelo de turbulência k – ε para obter uma condição real da operação;

II. Identificação e análise das principais áreas de resistência aerodinâmica que o sistema metroviário pode gerar em sua interação com o ar, para fazer uma avaliação preliminar de algumas modificações que permitiram a redução da resistência nessas áreas críticas.

A partir da primeira análise foi obtido o consumo total de energia correspondente ao valor de arrasto aerodinâmico lançado pela simulação. Esses resultados foram comparados qualitativamente com os dados experimentais para validar o processo.

Já os resultados obtidos com a segunda análise mostram as áreas críticas e as fontes de resistência aerodinâmica que afetam negativamente o sistema. São apresentadas também evidências de que há uma redução potencial na força de arrasto total capaz de influenciar o consumo de energia através de algumas mudanças aerodinâmicas inferiores na estrutura frontal – sem afetar as características operacionais do sistema metroviário.

Vantagens da simulação na análise aerodinâmica dos trens

O desenvolvimento e teste de produtos e processos por meio de CFD estão se tornando cada vez mais populares na engenharia, graças à possibilidade de estudar com um baixo custo relativo (comparado a uma análise experimental), à redução do tempo e à confiabilidade que pode ser garantida, desde que a configuração e a abordagem do problema estejam corretas.

O estudo da aerodinâmica de veículos ferroviários pesados possibilita a criação de novos designs que podem diminuir o consumo de combustível com a redução do arrasto aerodinâmico, com demonstrado na pesquisa com a malha da Transporte Masivo do Vale do Aburrá.

Resultados das simulações do estudo

Para que as simulações pudessem gerar resultados confiáveis e com a maior precisão possível, o estudo considerou as condições de operação das linhas ferroviárias, o desenvolvimento da geometria, o controle de volume, o processo da malha e as condições de contorno dos trens. Avaliou também o fluxo e o arrasto e, por fim, realizou a validação experimental da simulação. A partir das análises, foi possível concluir que:

I. A malha de refino na zona frontal através de corpo de influência permite a devida solução dos gradientes de pressão e o correto desenvolvimento do perfil de velocidade nessa zona. O outro corpo de influência usado na parte traseira do trem permitiu a geração correta da esteira e a solução precisa de parâmetros como a energia cinética da turbulência e a taxa de dissipação de energia. Ao fazer um controle na malha da superfície do trem foi possível obter um Y * limiar interno que garante a correta solução das funções da parede.

II. A implementação do modelo de turbulência funciona de acordo com o que é esperado. O modelo permite resolver corretamente diferentes condições de fluxo presentes no caso em consideração, como descolamento de fluxo, recirculação, gradientes de pressão adversa e efeitos viscosos (negligenciando o intermolecular).

III. A geometria do trem não possui um design aerodinâmico eficiente devido às formas planas diretamente voltadas para o fluxo, criando perturbações importantes que são traduzidas em força de arrasto significativa. A zona frontal do para-brisa e inferior (onde as unidades de tração e alguns acessórios estão localizados) foram as áreas críticas para aumentar o arrasto aerodinâmico.

IV. Uma protrusão do para-brisa foi avaliada como uma solução preliminar para diminuir o arrasto nessa área, obtendo uma redução de 3,38% no número de força. Para melhorar o desempenho da zona inferior, duas geometrias de saia foram avaliadas; os resultados mostraram que essas modificações evitam a inclusão de ar de alta velocidade nessa zona, resultando em diminuição de força de 50,8%. Uma redução importante nas áreas críticas do arrasto aerodinâmico pode ser alcançada por meio de modificações simples, cujos resultados se refletem em menor consumo de energia e melhor uso da mesma.

Saiba como foram feitas as simulações baixando o artigo abaixo.



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