Diseño de un prototipo demostrador para la competición 2018 SpaceX Hyperloop Pod Competition

Abstract

[ES] El presente Trabajo Fin de Grado trata sobre el estudio aerodinámico necesario para el proceso de diseño del prototipo del equipo Hyperloop UPV de la Universitat Politècnica de València para la “III SpaceX Hyperloop Pod Competition” a partir de la geometría propuesta por el departamento de diseño. En una primera parte introductoria se resume la historia que enmarca a este nuevo medio de transporte denominado Hyperloop, se lleva a cabo un estudio de viabilidad para realizar una comparación con otros medios y su impacto económico. También, se explica en qué consiste la competición universitaria. Por último, se fijan los antecedentes y objetivos de este trabajo. Tras conocer los fundamentos teóricos necesarios para comprender el trabajo, se procede al preprocesado del estudio aerodinámico. Para ello, ha sido necesaria la creación de una geometría simplificada, la realización de un mallado, un estudio de la capa límite, de independencia de ma- lla y del dominio. A continuación, se procede al cálculo y obtención de los resultados del análisis aerodinámico estacionario del prototipo mediante el programa de simulaci ́on en CFD ANSYS Fluent 18.2 R © . Se hallan los coeficientes aerodinámicos que definen dicha geometría, las fuerzas aerodinámicas de resistencia y de sustentación y el momento de cabeceo a través de un estudio paramétrico en función de la velocidad del prototipo y de la presión interna del tubo. También, se consigue la relación entre dicha presión interna del tubo y la máxima velocidad que puede alcanzar la cápsula, único requisito para ganar la competición, tras introducir los coeficientes en el simula- dor dinámico del equipo. La presión interna del tubo es fijada por la organización de SpaceX sin concretar anteriormente el valor exacto. Para finalizar la parte del CFD, se resuelve la cuestión sobre si el prototipo es más aerodinámicamente eficiente si viaja con el carenado en posición invertida (parte trasera en la parte delantera) y cuánto puedo influir esto en la velocidad máxima alcanzada. También, se muestran los tres ensayos experimentales realizados en el t ́unel de viento a par- tir de una maqueta escalada 1:10 fabricada para esta finalidad. En el primero se inyecta humo a baja velocidad sobre el modelo situado dentro de un tubo de metacrilato para observar con cámara lenta los remolinos producidos y la estela provocada. En el siguiente, se toman medidas a velocidades intermedias. En el último, se alcanza la m ́axima velocidad permitida por el t únel y se procede con la toma de medidas, retirando el tubo de metacrilato por problemas de flameo. Por último, se comparan y se extraen conclusiones de ambos estudios, computacional y experimental, con el fin de obtener unos resultados definitivos y analizar las posibles discrepancias entre ellos. El trabajo finaliza con el presupuesto de toda la parte relacionada con el estudio aerodinámico.

[EN] The current Final Degree Thesis is about the aerodynamic study required for the design pro- cess of the prototype which has been proposed by Hyperloop UPV team from the “Universitat Polit`ecnica de Val`encia” for the “III SpaceX Hyperloop Pod Competition” using the geometry created by the design department of the team. In the first introductory chapter, the history of this new transport named Hyperloop is sum- marized, a feasibility study is carried out in order to compare Hyperloop with other transports and to know its economy effects. Moreover, the university competition organized by SpaceX and its several procedures are explained. Finally, the previous researches and the goals of the project are described. After the exposition of the theoretical notions needed to understand the current research, the aerodynamic preprocessing of the study is carried out. For this purpose, a simplified geometry and a mesh have been created. In addition, a boundary layer study, a mesh independence study and a domain independence study are shown. Then, the aerodynamic results of the prototype are calculated in a steady analysis using the CFD software ANSYS Fluent 18.2 R © . The aerodynamic coefficients which define this geo- metry are obtained as well. The aerodynamic forces (drag and lift) and the pitch moment are calculated in a parametric study depending on the velocity of the prototype and the internal pressure of the tube. In addition, the relation between this internal pressure and the maximum velocity of the prototype are obtained introducing the aerodynamic coefficients in the dynamic simulator. This maximum velocity is the most relevant parameter to win the competition. The internal pressure is just decided by SpaceX in the moment of the competition. In the last part of the CFD, the issue about if the inverted configuration of the fairing is more efficient than the original configuration is solve and how it might affect the maximum velocity. Three experimental tests have been carried out in a wind tunnel using a scalable 1:10 model of the prototype. In the first test, white smoke has been injected at low velocity in order to see the generated vortexes and the turbulent wake within a scalable methacrylate tube. In the next test, several measurements are obtained at middle velocity. In the last test, the maximum velocity of the wind tunnel is reached without the methacrylate tube due to flutter problems. Finally, the final results of the computational study and the experimental tests are compared and the conclusions of the project are obtained with the aim of getting a final and concluding solution of the study. The research ends presenting a estimation of the cost of the aerodynamic study.