Simulación de fluidos en la industria ferroviaria

13-12-2023 | Publicado por Joaquín Martí

Simulación de fluidos en la industria ferroviaria

La aerodinámica juega un papel significativo en la eficiencia energética y el consumo de combustible de los trenes. La dinámica de fluidos computacional (CFD) permite a los ingenieros analizarla y minimizar la resistencia del aire mucho antes de realizar pruebas en túnel de viento. 

La industria ferroviaria fue pronto consciente de la importancia de la aerodinámica. Ya en la década de 1930, las icónicas locomotoras “streamliner” en Europa y América alcanzaron velocidades destacadas gracias en parte a sus diseños aerodinámicos. Más adelante, el Shinkansen japonés y el TGV francés hicieron famosa la «nariz de tren bala». La importancia de la fuerza de arrastre en trenes de alta velocidad es evidente, ya que crece con la velocidad al cuadrado y domina otras fuentes de resistencia, pero también afecta a la eficiencia de trenes más lentos e incluso de mercancías.

La simulación CFD modeliza el flujo alrededor y en el interior de los cuerpos, incluidos fenómenos de turbulencia, capa límite, estelas y chorros, que deben resolverse con precisión. Las técnicas utilizadas para simular este comportamiento complejo son Reynolds Averaged Navier Stokes (RANS) y el método Lattice Boltzmann (LBM).

La simulación CFD permite analizar y optimizar la resistencia aerodinámica de locomotoras y vagones durante el diseño, mucho antes de crear prototipos y de ensayar en túnel de viento. Una mejora en la eficiencia energética ayuda a reducir los costos operativos y a cumplir con los objetivos de emisiones. La simulación CFD también afecta a muchas otras áreas del diseño ferroviario, desde el ruido aerodinámico hasta el aire acondicionado.

Cuanto antes se identifica un problema, más fácil es solucionarlo. Cuando se ha construido un prototipo y comienzan las pruebas en la vía, se han invertido recursos significativos. La simulación permite reducir el riesgo de cambios de diseño en etapas tardías y de sobrecostes. También ayuda a descubrir causas que de otro modo serían difíciles de identificar. SIMULIA PowerFLOW ofrece una visualización clara y de alta resolución en 3D que permite observar el flujo de aire, la distribución térmica y la propagación del ruido, lo que ayuda a los ingenieros a entender las causas subyacentes de los problemas y a desarrollar métodos efectivos de mitigación. El diseño automatizado de experimentos y la optimización hacen posible explorar numerosos escenarios diferentes con rapidez.Simulación de fluidos en la industria ferroviaria

Hay muchas fuentes potenciales de resistencia aerodinámica en un tren, no solo la parte delantera, sino también la trasera, los espacios entre vagones, el fondo, los pantógrafos y la carga en trenes de mercancías. Los fabricantes pueden utilizar la simulación para optimizar la aerodinámica de la locomotora y los vagones, y los operadores de mercancías para organizar los contenedores y su espaciado, o elegir complementos aerodinámicos para reducir el arrastre.

Los transitorios de presión generados por los trenes de alta velocidad al pasar por túneles son motivo de preocupación tanto para los pasajeros como para los residentes cercanos. Principia ha utilizado la simulación CFD para analizar ese problema en túneles de ferrocarril de alta velocidad.

Los motores, transformadores y frenos generan calor y necesitan refrigeración eficiente. La simulación puede emplearse en el diseño de ventiladores y sistemas de refrigeración, analizando por ejemplo el flujo de aire y la distribución de calor dentro del motor. Incluso el ruido de los ventiladores del sistema de refrigeración se puede simular y mitigar.

Un problema relacionado es el sistema de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC) en la cabina y los vehículos de pasajeros. Los requisitos de diseño incluyen una distribución uniforme del aire tratado, así como limitar el ruido percibido por los pasajeros.

En suma, los problemas aerodinámicos son clave en el desarrollo de vehículos ferroviarios. La simulación CFD permite a los ingenieros analizar la aerodinámica y minimizar las fuerzas de arrastre mucho antes de las pruebas en túnel de viento. También se puede utilizar para estudiar y minimizar el ruido de los trenes para pasajeros y residentes próximos. Y la simulación acoplada CFD y térmica se puede utilizar para diseñar los sistemas de refrigeración de la locomotora y para garantizar que los sistemas HVAC proporcionan un entorno seguro y confortable para los pasajeros.

Si quieres saber más sobre este tema, este post se basa en gran parte en otro reciente de Dassault Systèmes.