Integración de un modelo 1D de acción de ondas de volúmenes finitos en un gemelo digital de sistema propulsivo de un concepto Hyperloop

Abstract

[ES] El sistema propulsivo del concepto Hyperloop consiste en un motor de inducción lineal que permite el desplazamiento del POD dentro de un tubo en condiciones de vacío relativo, donde la fricción es mucho menor que en condiciones ambiente. El sistema propulsivo consta a mayores de un compresor (fan) de baja relación de compresión, arrastrado por un motor eléctrico, que permite aumentar la presión del flujo interno al vehículo y expandirlo en una tobera de salida generando empuje adicional. El trabajo consiste en la integración de un modelo 1D de acción de ondas mediante volúmenes finitos en un gemelo digital del sistema propulsivo de un concepto de Hyperloop que permita calcular la interacción del vehículo en movimiento con las ondas de presión producidas en el tubo en el que opera. Para poder realizar los cálculos del modelo de acción de ondas, se ha discretizado un dominio 1D de volúmenes finitos que consiste en un tubo cerrado de una longitud dada en el que mediante términos fuente se simula el comportamiento del vehículo obtenido mediante análisis CFD. Este modelo de un único tubo produce buenos resultados, pero tiene limitaciones en cuanto a la longitud del tubo y la duración de la misión. Por ello, se ha realizado un modelo de dos tubos en el que se utiliza el tubo principal del modelo anterior, más un tubo de mallado más fino que simula la zona ocupada por el vehículo. De este modo, se pueden realizar simulaciones con tubos mucho más largos sin que esto presente problemas de memoria y de aumento excesivo del tiempo de computación. Además, el nuevo modelo permite realizar convergencia de malla con tiempos de cálculo razonables.

[EN] The propulsion system of the Hyperloop concept consists of a linear induction motor that enables the movement of a pod within a tube under conditions of relative vacuum, where friction is much lower than in ambient conditions. The propulsion system also includes a low-compression ratio fan, driven by an electric motor. It increases the pressure of the internal flow in the vehicle and expands it through an outlet nozzle, generating additional thrust. The task involves integrating a 1D wave action model using finite volumes discretization in a digital twin of the propulsive system of a Hyperloop concept, which allows calculating the interaction of the moving vehicle with the pressure waves produced in the tube where it operates. In order to perform the wave action model calculations, a 1D domain of finite volumes has been discretized, consisting of a closed tube with a given length in which the vehicle's behavior obtained through CFD analysis is simulated by adding source terms. This single-tube model produces good results but has limitations regarding tube length and mission duration. Therefore, a two-tube model has been developed, utilizing the main tube from the previous model and adding a tube with finer mesh to simulate the section occupied by the vehicle. This approach allows for simulations with much longer tubes without memory problems or excessive increases in computation time. Additionally, the new model enables mesh convergence with reasonable computation times.

[CA] El sistema propulsiu del concepte Hyperloop consisteix en un motor lineal que permet el desplaçament del vehicle dins d’un tub en condicions de buit relatiu, on la fricció és molt de menor que en condicions ambiente. A més, el sistema propulsiu consta a majors d’un compressor (fan) de baixa relació de compressió, arrossegat per un motor elèctric, que permet augmentar la pressió del flux intern al vehicle i expandir-lo en una tovera d’eixida generant empenyiment addicional. El treball consisteix en la integració d’un model 1D d’acció d’ones mitjançant volums finits en un bessó digital del sistema propulsiu d’un concepte de Hyperloop. Per a poder realitzar els càlculs del model d’acció d’ones, es discretizó un domini 1D que consisteix en un tub d’una longitud donada en el qual mitjançant termes font se simula el comportament del vehicle obtingut mitjançant anàlisi CFD. Aquest model d’un únic tub té limitacions quant a la longitud del tub i duració de la missió, per la qual cosa es va presentar un model de dos tubs en el qual s’utilitza el tub principal de l’anterior model, més un tub d’emmallat més fi que simula la zona ocupada pel vehicle. D’aquesta manera, es poden realitzar simulacions amb tubs molt més llargs sense que això present problemes de memòria i d’augment excessiu del temps de computació.