Efectos aerodinámicos y térmicos en trenes a velocidad transónica dentro de túneles a baja presión

En el presente trabajo se estudian los efectos aerodinámicos y térmicos de cápsulas con distintas geometrías a velocidades transónicas cuando son sometidas a una aceleración severa. El objetivo final de este trabajo es la obtención de la geometría apropiada desde un punto de vista aerodinámico y térmico para soportar las solicitaciones del sistema con éxito. Para ello se han comparado resultados de diferentes diseños de cabeza y cola de cápsula. El estudio comienza con un breve repaso sobre los conceptos fundamentales sobre teoría de flujo compresible, indispensable para la comprensión de los resultados que se obtendrían más adelante y, por lo tanto, la consecución del trabajo. A continuación, se realizó una aproximación en dinámica de fluidos computacional (CFD) con el software ANSYS Fluent, cuyo uso ha sido fundamental para la obtención de los resultados. En ANSYS Fluent se modelizaron los tres casos a estudiar, contando cada uno de ellos con distintas geometrías de cabeza y cola de la cápsula. Para ello se empleó una técnica de mallado conocida como “Overset Meshing”, que consiste en solapar un mallado más pequeño y fino sobre otro mucho más grande y menos fino con el fin de obtener datos de manera precisa en las zonas de interés sin hacer uso de una potencia computacional desmedida. Este tipo de técnica se emplea cuando los dominios computacionales son grandes y los datos importantes a analizar se encuentran concentrados en una misma zona. En cuanto a la modelización de los casos se ha de comentar que se aprovecha la simetría axial que existe para evitar que los tiempos de simulación sean demasiado largos. Tanto el “inlet” como el “outlet” trabajan bajo la premisa de no reflejar las ondas de choque que incidan sobre estos evitando que los resultados se vean afectados. Además, la superficie de la cápsula trabaja bajo la premisa de no transferencia de calor de un punto a otro de la misma, para poder observar única y exclusivamente el calentamiento y/o enfriamiento de esta debido a la interacción fluido-cápsula. La validación de los resultados obtenidos se ha realizado basándose en los artículos “Effect of acceleration and deceleration of a capsule train running at transonic speed on the flow and heat transfer in the tube” (Jiqiang et al. 2020) y “Aerodynamic thermal enviroment around transonic tube train in choked/unchoked flow” (Yu et al. 2021). En el primero se comprueba cómo varían para una misma cápsula el coeficiente de temperatura, el coeficiente de presión y el coeficiente de arrastre en función de la aceleración y deceleración a la que se le somete, y en el segundo, se comprueba cómo varían para una misma cápsula el número de Mach y el coeficiente de temperatura en función del (Blockage Ratio) y el (número de Mach del flujo incidente). Para la obtención de los resultados de cada uno de los casos, se programaron gráficos y contornos del coeficiente de temperatura y presión sobre la superficie de la cápsula y del fluido circundante, además de contornos del número de Mach de las partículas fluidas, permitiendo observar con claridad las estructuras de flujo formadas durante la simulación en todos los casos. También se programó la obtención en tiempo real tanto del coeficiente de arrastre como de la fuerza de arrastre al que se veía sometido la cápsula en todo instante. Tras analizar los resultados, principalmente se observa que una geometría de cabeza y cola de la cápsula más esbelta se traduce en unos gradientes de presión y temperatura menos agresivos pero unas temperaturas y presiones máximas y mínimas superiores a los casos de geometrías menos esbeltas. Se observa también que para unas mismas condiciones ambientales y (Blockage Ratio), el coeficiente de arrastre ve aumentado su módulo conforme aumenta la velocidad, independientemente de la geometría de la cabeza y cola de la cápsula, siempre y cuando estas sean elipsoides truncados. Estas son las principales conclusiones entre otras