Caracterización de la dinámica de ondas provocada por un vehículo hyperloop mediante dinámica de fluidos computacional

Abstract

[ES] El hyperloop es un concepto de transporte terrestre de alta velocidad, consistente en vehículos, similares a cápsulas, que viajan en el interior de tubos parcialmente despresurizados. Pese a las ventajas que esto entraña, cuando un sistema a alta velocidad viaja en un espacio confinado, su aerodinámica puede resultar un factor limitante. El flujo tiende a acumularse en la parte delantera del vehículo, creando una región de alta presión, mientras que, en la zona libre entre el vehículo y el tubo, se dan fuertes aceleraciones, que podrían derivar en ondas de choque. A su vez, al restringirse la disipación espacial de las ondas de presión generadas, coexistirán en el conducto ondas de distinta naturaleza (compresión y expansión) que interactuarán, acrecentando la complejidad de su estudio.

El propósito del presente trabajo será el análisis, mediante técnicas CFD, de las características aerodinámicas de un sistema hyperloop y la caracterización de las ondas de presión generadas en las distintas fases de su viaje en un tubo parcialmente despresurizado: aceleración, desaceleración y crucero. Los resultados se compararán con los obtenidos para el caso de un vehículo hyperloop que incorpore un compresor en su parte frontal, para evaluar los beneficios potenciales en la reducción de la resistencia aerodinámica, la acumulación de presión en la parte delantera del vehículo y su efecto en la dinámica de ondas.

Los estudios de la aceleración y desaceleración se llevarán a cabo de forma transitoria, implementando condiciones de contorno no reflexivas (NRBC), lo que permitirá una correcta caracterización de las ondas de presión, al prevenir su reflexión en los extremos del conducto. Los resultados muestran la existencia de un patrón de flujo constante durante todo el trayecto, lo cual será indicativo de que la aceleración y desaceleración son procesos cuasiestacionarios, en los que la adaptación del flujo ocurre de forma rápida. Por ende, su análisis por medio de una sucesión de estacionarios equivalentes será posible. Se demuestra que el tiempo característico de adaptación del flujo a los cambios en la velocidad será pequeño, haciendo necesario un estudio mediante cambios abruptos en la velocidad (cambio escalón) para una adecuada descripción de los fenómenos de ondas que acontecen para un vehículo hyperloop.

[EN] The hyperloop is a high-speed ground transport concept, consisting of capsule-like vehicles travelling inside partially-evacuated tubes. Despite the advantages that this entails, when a high-speed system travels in a confined space, its aerodynamics can be a limiting factor. Flow tends to accumulate at the front of the vehicle, creating a high-pressure region, while in the free area between the vehicle and the tube, strong accelerations occur, which could result in shock waves. In turn, as the spatial dissipation of the pressure waves generated is restricted, waves of different natures (compression and expansion) will coexist in the duct and interact, increasing the complexity of their study.

The purpose of this work is the analysis, using CFD techniques, of the aerodynamic characteristics of a hyperloop system and the characterisation of the pressure waves generated in the different phases of its journey in a partially depressurised tube: acceleration, deceleration and cruise. The results will be compared with those obtained for the case of a hyperloop vehicle incorporating a compressor at the front of the vehicle to assess the potential benefits in terms of aerodynamic drag reduction, pressure build-up at the front of the vehicle and its effect on wave dynamics.

Acceleration and deceleration studies will be carried out in a transient manner, implementing non-reflective boundary conditions (NRBC), which will allow a correct characterisation of the pressure waves by preventing their reflection at the ends of the duct. The results show the existence of a constant flow pattern along the entire path, which will be indicative of the fact that acceleration and deceleration are quasi-stationary processes, in which the flow adaptation occurs rapidly. Therefore, their analysis by means of a succession of equivalent stationaries will be possible. It is shown that the characteristic time of flow adaptation to changes in velocity will be small, making a study using abrupt changes in velocity (step change) necessary for an adequate description of the wave phenomena occurring for a hyperloop vehicle.

[CA] El propòsit del present treball serà l’anàlisi, mitjançant tècniques CFD, de les característiques aerodinàmiques d’un sistema hyperloop i la caracterització de les ones de pressió generades en les diferents fases del seu viatge en un tub parcialment despressuritzat: acceleració, desacceleració i creuer. Els resultats es compararan amb els obtinguts per al cas d’un vehicle hyperloop que incorpore un compressor en la seua part frontal, per avaluar els beneficis potencials en la reducció de la resistència aerodinàmica, l’acumulació de pressió en la part davantera del vehicle i el seu efecte en la dinàmica d’ones. Els estudis de l’acceleració i desacceleració es duran a terme de manera transitòria, implementant condicions de contorn no reflexives (NRBC), la qual cosa permetrà una correcta caracterització de les ones de pressió, en previndre la seua reflexió en els extrems del conducte.