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Fluidodinámica computacional es utilizada en análisis aerodinámico del Metro de Medellín

Estudios & Investigación Fluidodinámica Tecnología de Simulación

Más de un millón de pasajeros se mueven diariamente por el sistema de trenes de cercanías de la Compañía de Transporte Masivo de Vale do Aburrá Ltda, Medellín, Colombia. El vehículo colectivo más utilizado por la población local opera en seis ciudades de la región y tiene dos líneas (A y B) de casi 35 kilómetros de largo, que cruzan 27 estaciones. Los trenes operan a velocidades que van de 50 a 200 km/h. La flota urbana fue diseñada hace más de 30 años y recibe poca atención por el comportamiento aerodinámico de las máquinas.

Con una geometría externa típica de un sistema no aerodinámico, debido a su forma cuadrada, la resistencia aerodinámica generada por el movimiento del tren produce una fuerza opuesta que es altamente representativa del consumo total de energía. Con esto en mente, los ingenieros de la Universidad Pontificia Bolivariana Andrés Tabares, Natalia Gómez, César Nieto y Mauricio Giraldo se dedicaron a estudiar el valor de este consumo, lo que condujo a la identificación de fuentes de arrastre críticas y modificaciones que podrían proporcionar un mejor comportamiento aerodinámico a los trenes, a fin de reducir el uso de energía y, por lo tanto, los recursos económicos.

El análisis aerodinámico es la parte más difícil del proceso de diseño, ya que requiere una evaluación del flujo de aire a diferentes velocidades. Las simulaciones computacionales del comportamiento aerodinámico de los trenes Masivo Vale do Aburrá, también conocidos como Metro de Medellín, se realizaron con la herramienta de CFD ANSYS Fluent, que utiliza un método de volumen finito para resolver las ecuaciones de fluidos. Estas simulaciones permitieron calcular la distribución de arrastre en las superficies del cuerpo del tren para identificar los lugares donde podrían realizarse los cambios geométricos y luego reducir el arrastre.

¿Qué es la resistencia aerodinámica?

La resistencia aerodinámica es la fuerza que se opone al desplazamiento del vehículo a través de la atmósfera. Cuanto mayor es la resistencia, mayor fuerza se requiere para acelerar el tren a una cierta velocidad y mantenerlo. El arrastre se crea por el desplazamiento del aire alrededor del vehículo y la fricción del aire contra su superficie. Actúa en la dirección opuesta de desplazamiento y varía con la velocidad, el área frontal, el coeficiente de arrastre (cd) y la densidad del aire (que varía con la altitud y la temperatura).

Análisis hechos con ANSYS Fluent

El estudio evaluó el comportamiento aerodinámico de un tren que opera a velocidades medias a través de la dinámica computacional de los fluidos. El objetivo principal era identificar las principales fuentes de resistencia aerodinámica. La investigación consistió en dos fases:

I. Análisis aerodinámico del tren utilizando ciertos parámetros de malla y el modelo de turbulencia k – ε para obtener una condición de operación real;

II. Identificación y análisis de las principales áreas de resistencia aerodinámica que el sistema de metro puede generar en su interacción con el aire, para realizar una evaluación preliminar de algunas modificaciones que permitirían la reducción de la resistencia en estas áreas críticas.

Desde el primer análisis, se obtuvo el consumo total de energía correspondiente al valor de resistencia aerodinámica liberado por la simulación. Estos resultados se compararon cualitativamente con los datos experimentales para validar el proceso.

Los resultados obtenidos con el segundo análisis muestran las áreas críticas y las fuentes de resistencia aerodinámica que afectan negativamente al sistema. También se presentan evidencias de que existe una reducción potencial en la fuerza de arrastre total que puede influir en el consumo de energía a través de algunos cambios aerodinámicos más bajos en la estructura frontal – sin afectar las características operativas del sistema de metro.

Ventajas de la simulación en el análisis aerodinámico del tren

El desarrollo más las pruebas de productos y procesos con el uso del CFD se está volviendo cada vez más popular en la ingeniería, gracias a la capacidad de estudiar a un costo relativamente bajo (en comparación con un análisis experimental), en tiempo reducido y con la confiabilidad que se puede lograr siempre que la configuración y el enfoque del problema sean correctos.

El estudio de la aerodinámica de los vehículos ferroviarios pesados permite la creación de nuevos diseños que pueden ahorrar el consumo de combustible al reducir la resistencia aerodinámica, como lo demuestra la investigación con los trenes de la red de Transporte Masivo del Valle de Aburrá.

Resultados de la simulación en el estudio

Para que las simulaciones pudieran generar resultados confiables y lo más precisos posible, el estudio consideró las condiciones de operación de las líneas ferroviarias, el desarrollo de la geometría, el control de volumen, el proceso de malla y las condiciones de contorno de los trenes. También evaluó el flujo, la resistencia y finalmente realizó la validación experimental de la simulación. Del análisis, se concluyó que:

I. La malla de refinación en la zona frontal a través del cuerpo de influencia permite la solución adecuada de los gradientes de presión y el desarrollo correcto del perfil de velocidad en esta zona. El otro cuerpo de influencia utilizado en la parte trasera del tren permitió la generación correcta de la vía y la solución precisa de parámetros como la energía cinética de turbulencia y la tasa de disipación de energía. Al hacer un control en la malla de la superficie del tren, fue posible obtener un umbral interno Y * que garantiza la solución correcta de las funciones de la pared.

II. La implementación del modelo de turbulencia funciona como se esperaba. El modelo permite resolver correctamente diferentes condiciones de flujo presentes en el caso en consideración, tales como desprendimiento de flujo, recirculación, gradientes de presión adversos y efectos viscosos (descuidando el intermolecular).

III. La geometría del tren carece de un diseño aerodinámico eficiente debido a las formas planas que se enfrentan directamente al flujo, creando perturbaciones importantes que se traducen en una fuerza de arrastre significativa. El parabrisas delantero y del fondo (donde se encuentran las unidades de tracción y algunos accesorios) fueron las áreas críticas para aumentar la resistencia aerodinámica.

IV. Se evaluó una protuberancia del parabrisas como una solución preliminar para disminuir la resistencia en esta área, logrando una reducción de 3.38% en el número de fuerza. Para mejorar el rendimiento de la zona inferior, se evaluaron dos geometrías de faldón. Los resultados mostraron que estas modificaciones evitan la inclusión de aire a alta velocidad en esta zona, lo que resulta en una disminución del 50.8% en la fuerza. Se puede lograr una reducción significativa en áreas críticas de resistencia aerodinámica a través de modificaciones simples, cuyos resultados se reflejan en un menor consumo de energía y un mejor uso.

Conoce más sobre como fueron hechas las simulaciones en el artículo abajo.

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