Design and Optimisation of a Virtual Prototype of a Ground Transportation System at Very High-Speeds in Conditions Close to Vacuum

Abstract

[ES] Hyperloop es considerado el quinto medio de transporte, después del coche, barco, tren y avión. Consiste en una capsula de levitación magnética que viaja dentro de un tubo en el que la presión de aire ha sido reducida. Entonces, la fricción con el suelo y resistencia aerodinámica son minimizadas, alcanzando ultra altas velocidades a nivel de tierra. Actualmente hay en desarrollo varios trenes maglev y conceptos hyperloop. La mayoría proponen levitar usando Suspensión Electromagnética (EMS). Zeleros, la compañía donde esta Tesis ha sido realizada, tiene una propuesta similar. Zeleros usa un EMS Híbrido (HEMS), combinando imanes y electroimanes para reducir los requerimientos de energía. Respecto a la propulsión, la propuesta es única ya que hace uso de un compresor de la industria aeroespacial. Simulaciones CFD prueban que usar un compresor reduce considerablemente la resistencia aerodinámica en el ambiente cerrado, ya que el efecto pistón es mitigado. Para el mismo tamaño de tubo y presión, un hyperloop con compresor requiere hasta 70 % menos potencia. En otros términos, si la misma potencia es instalada en el vehículo, el diámetro de la infraestructura puede ser 2.8 veces más pequeño. Esta Tesis desarrolla un simulador 0D para evaluar el rendimiento de la solución hyperloop propuesta. Resolver su aerodinámica requiere solucionar un fujo interno y externo de Fanno. El último combina efectos de Couette y Poisuille en un dominio anular. Así, se desarrolla un modelo simplificado para flujos de Fanno, acelerando así el modelado básico. Esta aproximación matemática incluye información de la velocidad de la pared y de la forma del dominio, evitando integrar un sistema de EDOs. La solución tiene una desviación en la ratio de presiones de 5 % respecto a CFD, y del 10 % en la longitud crítica. El simulador modela toda la termodinámica del vehículo, incluyendo el compresor, conductos, turbina, tobera y flujo externo. Este modelado es similar al del ciclo de Bryton, sin cámara de combustión. Además, se incluye un modelo para predecir la masa y longitud de la cápsula y sus componentes. Así, las pérdidas de fricción y requerimientos de potencia y energía son obtenidos. Estos resultados presentan una desviación máxima del 20 % respecto a CFD. Además, un proceso de optimización para encontrar la solución más eficiente se ha desarrollado con el código, para vehículos de 50 y 150 pasajeros. Se ha encontrado que es más beneficioso absorber menos gasto másico con el compresor, ya que la energía requerida para comprimir el flujo interno es más alta que las pérdidas en el canal externo. Comparando el consumo de energía específico de esta solución con otros medios de transporte, el hyperloop se encuentra cercano al rendimiento de los maglev. Éste es, también, entre tres y cinco veces más eficiente que los aviones. Además, es más competitivo que el avión en términos de velocidad media en una ruta hasta los 800 km. Por último, se desarrolla un modelo similar para un sistema de escala media. Este prototipo, cuya velocidad objetivo es de 500 km/h, es diseñado por Zeleros previo al sistema de escala real. Su simulador incluye además los efectos transitorios y la termodinámica del tubo, asumiendo una velocidad del sonido infinita. Gracias a este código, se puede obtener el rendimiento en una misión. Inicialmente, el prototipo incrementa la presión del tubo aguas arriba, y la reduce aguas abajo debido al efecto pistón, generando una velocidad inducida. Al final de la misión, el flujo puede ser transferido otra vez, y las presiones se equilibran otra vez. Este modelo también predice el par y potencia del motor eléctrico, además de los parámetros de la batería (voltaje, corriente y profundidad de descarga).

[CA] Hyperloop és considerat el cinquè mitjà de transport, després del cotxe, vaixell, tren i avió. Consisteix en una càpsula de levitació magnètica que viatja dins d'un tub on la pressió d'aire es reduïda. Aleshores, la fricció amb el sòl i resistència aerodinàmica són minimitzades, aconseguint ultra altes velocitats a nivell de terra. Actualment hi ha en desenvolupament diversos trens maglev i conceptes hyperloop. La majoria proposen levitar usant Suspensió Electromagnètica (EMS). Zeleros, la companyia on aquesta Tesi ha sigut realitzada, té una proposta similar. En particular, el concepte de Zeleros utilitza un EMS Híbrid (HEMS), combinant imants i electroimants per reduir els requeriments d'energia. Pel que fa a la propulsió, la proposta és única, ja que fa ús d'un compressor de la indústria aeroespacial. Simulacions CFD proven que utilitzar un compressor redueix considerablement la resistència aerodinàmica en un ambient tancat, ja que l'efecte pistó és mitigat. Per a la mateixa grandària de tub i pressió, un hyperloop amb compressor requereix fins a 70 % menys potència. En altres termes, si la mateixa potència és instal·lada al vehicle, el diàmetre de la infraestructura pot ser 2.8 vegades més menut. Aquesta Tesi desenvolupa un simulador 0D per avaluar el rendiment de la solució hyperloop proposada. Resoldre l'aerodinàmica del hyperloop requereix solucionar un flux intern i extern de Fanno. L'últim combina efectes de Couette i Poiseuille en un domini anular. Així, es desenvolupa un model simplificat per a fluxos de Fanno, accelerant així el modelatge bàsic. Aquesta aproximació matemàtica inclou informació de la velocitat de la paret i de la forma del domini, evitant integrar un sistema de EDOs. La solució té una desviació a la ràtio de pressions de 5 % respecte a CFD, i del 10 % a la longitud crítica. El simulador modela tota la termodinàmica del vehicle, incloent-hi el compressor, conductes, turbina, tovera i flux extern. Aquest modelat es similar al del cicle de Bryton, sense càmera de combustió. A més, s'inclou un model per predir la massa i la longitud de la càpsula i els seus components. Així, les pèrdues de fricció i requeriments de potència i energia són obtinguts. Aquests resultats presenten una desviació màxima del 20 % comparat amb CFD. A més, un procés d'optimització per trobar la solució més eficient ha estat desenvolupat amb el codi, per a vehicles de 50 i 150 passatgers. S'ha trobat que és més beneficiós absorbir menys massa amb el compressor, ja que l'energia requerida per comprimir el flux intern és més alta que les pèrdues al canal extern. Comparant el consum d'energia específic d'aquesta solució amb altres mitjans de transport, el hyperloop és proper al rendiment dels maglev. Aquest també és entre tres i cinc vegades més eficient que els avions. A més, és més competitiu en termes de velocitat mitjana en una ruta fins a 800 km. Finalment, es desenvolupa un model semblant per a un sistema d'escala mitjana. Aquest prototip, la velocitat objectiu del qual és de 500 km/h, és dissenyat per Zeleros previ al sistema d'escala real. El seu simulador inclou a més els efectes transitoris i la termodinàmica del tub, assumint una velocitat del so infinita. Gràcies a aquest codi, es pot obtenir el rendiment en una missió. Inicialment, el prototip incrementa la pressió del tub aigües amunt, i la redueix aigües avall degut a l'efecte pistó, generant una velocitat induïda. Al final de la missió, el flux pot ser transferit una altra vegada, i les pressions s'equilibren una altra vegada. Aquest model també prediu el parell i potència del motor elèctric, a més dels paràmetres de la bateria (voltatge, corrent i profunditat de descàrrega).

[EN] Hyperloop is considered the fifth means of transportation, after the car, boat, train and plane. It consists of a magnetically levitating capsule that travels within a tube in which the air pressure has been reduced. Thus, the ground friction and aerodynamic drag are minimised, reaching ultra high-speeds at ground level. Several maglev trains and hyperloop concepts being developed currently. Most of them propose levitating using Electromagnetic Suspension (EMS). Zeleros, the company where this Thesis was done, has a similar approach. It employs a Hybrid EMS (HEMS)In particular, the Zeleros approach employs a Hybrid EMS (HEMS), combining permanent and electromagnets to reduce energy requirements. As for the propulsion, the approach is unique as it uses a compressor from the aeronautical industry. CFD simulations prove that using a compressor considerably reduces the aerodynamic drag in the closed environment, as the piston effect gets mitigated. For the same tube size and pressure, a hyperloop with compressor requires up to 70 % less power. In other terms, if the same power is installed on the vehicle, the infrastructure diameter can be 2.8 times smaller. This Thesis develops a 0D simulator to evaluate the performance of the proposed hyperloop solution. Solving the aerodynamics of the hyperloop requires solving internal and external Fanno flows. For the latter, the flow combines Couette and Poiseuille effects in an annular domain. Thus, a simplified model for Fanno flows is developed to accelerate the basic modelling. This mathematical approach includes the information of the wall speed and the shape of the domain, avoiding integrating an ODE system. The solution has a deviation in the pressure ratio of 5 % and 10 % in the critical length regarding CFD. The simulator models all the vehicle thermodynamics, including the compressor, duct, turbine, nozzle, and external flow. This modelling is similar to a Bryton cycle, without a combustion chamber. Also, a model to predict the mass and length of the capsule and its components is included. Thus, the friction losses and the energy and power requirements can be extracted. These outputs are compared with CFD results, with a maximum deviation of 20 %. Moreover, an optimisation process is conducted with the code to find the most efficient solution for 50- and 150-passenger vehicles. It is found that shallowing less mass flow with the compressor is better, as the energy required to compress the internal flow is higher than the losses on the external channel. Comparing the specific energy consumption of this solution with other means of transportation, the hyperloop is close to the maglev performance. It is also between three and five times more efficient than aeroplanes. Furthermore, the hyperloop is more competitive than the plane in terms of average speed on a route, up to 800 km. The last part of this work develops a similar model for a middle-scale system. This prototype, which aims to reach 500 km/h, is being designed by Zeleros before the real-scale one. Its simulator also includes the transient effects and the tube thermodynamics, assuming an infinite sound speed. Thanks to this code, the performance in a mission is obtained. The prototype initially increases the upstream tube pressure and reduces the downstream one due to the piston effect, generating an induced speed. At the end of the mission, the flow can be transferred again, and the pressures equilibrate again. This model also predicts the electric motor torque and power and the battery parameters (voltage, current, and deep of discharge).