Estudio aerodinámico del pantógrafo de un tren de alta velocidad

摘要

En las últimas décadas, el transporte ferroviario ha vivido un importante apogeo en Europa y en particular, en España. Se ha invertido una gran cantidad de fondos en el desarrollo de infraestructuras y vehículos de alta velocidad que permitan conectar lugares cada vez más lejanos en el menor tiempo posible haciendo el transporte ferroviario más competitivo. udEstas circunstancias han impulsado el estudio de las tecnologías presentes en este tipo de transporte, como pueden ser los estudios aerodinámicos. En particular, se han realizado múltiples investigaciones sobre el comportamiento aerodinámico del pantógrafo en los trenes de alta velocidad. udEl pantógrafo es un elemento clave en los vehículos ferroviarios de tracción eléctrica al ser la única conexión con la fuente de energía del tren, la catenaria. Esto hace vital el control sobre el comportamiento aerodinámico del pantógrafo, que incluye: el coeficiente de resistencia al avance o “drag” y el coeficiente de sustentación o “lift”. udEl drag del pantógrafo se suma a la resistencia global al avance del tren, teniendo mayor peso en la suma total de resistencias según la velocidad aumenta. Además, a mayor drag se genera un mayor número de vórtices en la parte trasera del pantógrafo, generando ruidos dentro de la frecuencia audible. Esto implica, que una reducción del drag del pantógrafo no solo mejora la eficiencia energética del tren si no que mejora el confort de los pasajeros. udEl lift también posee un papel primordial en estos análisis. El contacto pantógrafo-catenaria se lleva a cabo por medio de un circuito neumático que regula la fuerza de contacto en función de la velocidad. Según la velocidad aumenta, el lift puede contribuir a aumentar o reducir esa fuerza de contacto dependiendo del comportamiento aerodinámico del pantógrafo. Si no se regula dicha contribución, los materiales en contacto tendrán menor vida útil (mayor coste de mantenimiento) además de poder propiciar un contacto insuficiente con la catenaria y como consecuencia, una alimentación discontinua. udEste proyecto se basará en el artículo “Pantograph aerodynamic effects on the pantograph-catenary interaction”, en el cual se ensayan cuatro diseños distintos de pantógrafo en un túnel de viento. Se busca en este proyecto, realizar una comparación entre los resultados experimentales obtenidos para la sección A0, los resultados CFD del artículo y los obtenidos en este trabajo. udPara poder realizar estas simulaciones mediante el empleo de CFD, el alumno deberá llevar a cabo un proceso de aprendizaje de los conceptos que fundamentan los fenómenos aerodinámicos, los modelos de simulación CFD y adquirir un buen control del software que se emplea en empresas del sector. Dicho software se basa en el empleo del programa Fluent (ANSYS 18.0) y resto de herramientas necesarias para el diseño del modelo CAD, realización del mallado y análisis de resultados.udEl primer paso para llevar a cabo una simulación CFD, es plantear las hipótesis en las cuales se basará el análisis. En este caso, se decide que la simulación será en 2D debido a la geometría regular del pantógrafo. Además, se emplearán modelos RANS para poder comparar con los resultados del artículo realizados también con RANS.udUna vez fijados los modelos que se usarán, se puede proceder a la definición del dominio pensando en las características que debe cumplir el mallado. Los límites del dominio deben estar lo suficientemente alejados de la sección para no influir en el resultado, y además se deben hacer subdominios que permitan refinar el mallado en aquellas zonas más críticas. Además, los modelos nombrados usarán todos funciones de pared, debiendo definir correctamente la capa límite en torno a la sección para obtener cálculos correctos. udUna vez definido el dominio y realizado el mallado, se procede a simular. El proceso de simulación se caracteriza por ser claramente iterativo. En función de las soluciones obtenidas en cada simulación, se podría requerir un cambio de los límites de dominio, del mallado, del set-up de la simulación…udSe llevará a cabo la simulación para los casos de flujo incidente de 0º, +3º y -3º. En cada caso, se simulará el mallado inicial y se irá refinando el mallado en las zonas más críticas, como la estela y los puntos de desprendimiento. En sucesivos adaptados se debería ir reduciendo el error del drag y lift obtenidos en comparación con los experimentales. udUna vez simulados los tres casos se procede al análisis de dichos resultados. udTeniendo en cuenta que se han empleado modelos promediados, que no calculan la turbulencia dentro de su carácter transitorio, el error obtenido es bastante adecuado. Haber realizado el análisis con tres modelos distintos permite ver las discrepancias en el cálculo del drag y del lift, permitiendo estudiar las causas de dichas discrepancias. Para ello, se estudiarán distribuciones como la velocidad, presiones estáticas, energía cinética turbulenta y la viscosidad turbulenta. Este último parámetro es un indicador de la amortiguación de la turbulencia que realiza cada modelo y donde se produce esa amortiguación dentro del dominio fluido. udLa realización de sucesivos adaptados o refinados para obtener menores errores permitirá analizar la sensibilidad del mallado del modelo. Se podrá concluir como el drag depende fuertemente del refinado de la malla hasta que este se mantiene estable, punto en el cual se ha alcanzado la solución final de las simulaciones. udEl último paso del proceso consiste en visualizar algunos de los fenómenos adquiridos por el alumno a lo largo del desarrollo del proyecto aplicados a la sección simulada. Algunos de estos fenómenos son la formación de capa límite en el entorno de la sección, la condición de no deslizamiento en la pared o la disipación producida en la estela según se aleja de la sección. Esto permitirá comprobar la correcta simulación de la sección y afianzar los conceptos adquiridos.udDe la realización del proyecto se puede concluir que es posible complementar los ensayos en túnel de viento con análisis CFD para estudiar el comportamiento del pantógrafo. De esta manera, se ahorraría presupuesto en el mantenimiento y realización de ensayos en túnel de viento, además de reducir el tiempo empleado en obtener los resultados. Se omitiría también la etapa de fabricación de un prototipo en caso de que se quisiera optimizar el diseño del pantógrafo, permitiendo mejorar la competitividad del grupo de trabajo.