1. Introducción
El presente Trabajo de Fin de Máster (TFM) se centra en el análisis aerodinámico comparativo de diferentes modelos de dinámica longitudinal aplicados al Hyperloop y al Maglev, dos tecnologías de transporte de alta velocidad. Utilizando la Dinámica de Fluidos Computacional (CFD), se investigan características aerodinámicas de ambas tecnologías con el objetivo de optimizar sus diseños y mejorar su eficiencia operativa. Este trabajo pretende ser una continuación y ampliación de mi TFG, presentado en 2023, donde se llevó a cabo la Estimación de Parámetros para un Modelo de Dinámica Longitudinal de un Vehículo Hyperloop.
Respecto al contexto, el transporte de alta velocidad ha evolucionado significativamente, emergiendo el Hyperloop y el Maglev como alternativas prometedoras para el futuro. Ambas opciones proponen sistemas de levitación magnética para eliminar el contacto con las vías, reduciendo así la fricción. La diferencia principal entre ellos es que el Hyperloop propone un sistema donde los vehículos viajen en tubos de baja presión, mientras que el tren Maglev se encuentra sometido a condiciones ambientales. Ambas tecnologías presentan desafíos y ventajas únicas. El Maglev ya está en operación en países como Japón y China, demostrando su viabilidad. Por otro lado, el Hyperloop aún se encuentra en fases de desarrollo y prueba, pero promete velocidades superiores a las del Maglev y menor consumo energético. De este modo, se justifica la realización del análisis aerodinámico comparativo, crucial para identificar áreas de mejora y optimización en el diseño de estos sistemas de transporte. La eficiencia aerodinámica puede reducir costes operativos en cada viaje y aumentar la sostenibilidad de estas tecnologías.
2. Objetivos y Metodología
El principal objetivo del TFM es realizar un análisis aerodinámico comparativo utilizando CFD. Para ello, se ha aplicado una metodología completa y exhaustiva que incluye:
– Revisión del estado del arte: Investigación profunda de la literatura existente sobre el Hyperloop y el Maglev, incluida la Normativa Europea publicada en 2024.- Estudio de Patentes: Investigación de las patentes referentes al Hyperloop e identificación de innovaciones clave en tecnologías de levitación y propulsión.- Repaso de Conceptos Teóricos: Revisión de conceptos teóricos esenciales para el desarrollo del trabajo, como las ecuaciones de Navier-Stokes (RANS), modelos de turbulencia y solvers de mecánica de fluidos.- Modelado: Creación de modelos CFD aplicables a ambos sistemas para la simulación y análisis de datos, haciendo uso de GMSH, OpenFOAM y ParaView.- Análisis CFD: Estudio del comportamiento aerodinámico en estado estacionario bajo distintas condiciones operativas y análisis comparativo de los diferentes modelos de dinámica longitudinal aplicados al Hyperloop y al Maglev.
3. Desarrollo del proyecto
– Estudio de PatentesPrimeramente, para completar la investigación del TFM sobre el Hyperloop, se realizó un análisis de patentes que complementa la investigación. Este análisis ofrece una visión concisa del estado actual y las tendencias de la tecnología Hyperloop. Se utilizaron principalmente las bases de datos de PATENTSCOPE y PatBase.
– Conceptos relevantesEl apartado de conceptos relevantes incluye la explicación de la tecnología y principios del sistema de transporte Hyperloop, así como los fundamentos del sistema de trenes de levitación magnética (Maglev). Además, se detallan las técnicas y modelos de Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) empleados en el análisis aerodinámico, junto con las hipótesis y premisas básicas del estudio. También se discuten las principales ecuaciones y leyes físicas relevantes, como las ecuaciones de Navier-Stokes, y se aborda el fenómeno de la turbulencia y su modelado en este contexto.
– Estimación de parámetrosEn el apartado de parámetros, siguiendo la misma estructura que en el TFG, se estiman, definen y justifican los valores de presión, temperatura y velocidad necesarios para el análisis aerodinámico. También se describen las características específicas del aire utilizadas en los modelos, y se presenta un resumen consolidado de todos estos parámetros para proporcionar una base clara y precisa para el estudio posterior.
– ModeladoPartiendo de la geometría axil simétrica utilizada en el TFG para simular un vehículo Hyperloop, se mejora y diseña otra geometría que sirva de base para los modelos 2D. A partir de estas dos geometrías primarias se crean los modelos base a alterar. Posteriormente, antes de las simulaciones, los modelos se mallan inteligentemente para que proporcionen resultados precisos sin dedicar un tiempo computacional excesivo.
– Configuración del caso OpenFoamEn esta sección se detalla el proceso de configuración de los diferentes tipos de casos en OpenFOAM, tanto el modelo axil simétrico concreto del Hyperloop, como los modelos 2D aplicados y adaptados por separado al Hyperloop y al Maglev. Este proceso implica organizar y gestionar diversos archivos y parámetros a través de una estructura de directorios específica: “0” para las condiciones iniciales, “constant” para las propiedades físicas y geométricas, y “system” para los archivos de configuración del solucionador. Esta etapa es esencial para una simulación efectiva, a pesar de que resulte bastante laboriosa y minuciosa. Es crucial para asegurar la organización y reproducibilidad de los resultados en futuras simulaciones.
– PosprocesamientoEl Posprocesamiento en la simulación CFD es esencial para interpretar y presentar los resultados de manera clara. Tras completar la simulación, se utiliza ParaView para visualizar y analizar datos como la velocidad del flujo y las distribuciones de presión.
Se inicia con una revisión de la simulación previa realizada en el TFG y se presentan los resultados base, incluyendo presión, temperatura, velocidad y número de Mach.
Posteriormente, se resumen otros resultados del TFG importantes para entender los apartados posteriores, como la comparación con el modelo de referencia, el efecto de la calidad del mallado, la forma del vehículo, comparaciones entre solvers y otros.
Finalmente, se detallan las suposiciones y parámetros iniciales de la nueva simulación, tales como dimensiones y características de turbulencia. Este apartado servirá de base inicial para el análisis aerodinámico comparativo.
– Análisis aerodinámicoEste apartado analiza cómo la forma del perfil del vehículo afecta su rendimiento aerodinámico, siendo válidos los resultados tanto para la vista lateral como superior. La Sección 11.1 examina diferentes consideraciones generales necesarias para entender cómo se llega al resultado final. La Sección 11.2 se enfoca en optimizar el Maglev, teniendo en diferentes factores y realizando múltiples comparaciones. Finalmente, la Sección 11.3 evalúa el diseño del Hyperloop, considerando los resultados anteriores, válidos y coincidentes para un modelo del Hyperloop 2D sin compresor.
4. Resultados
Los resultados del Análisis arrojan diferentes tipos de información valiosa, como es la proporción ideal entre la longitud de la cabeza del vehículo y su altura, siendo esta de 14/3 aproximadamente, la forma de la cabeza y la cola ideal del vehículo Hyperloop o tren Maglev, las diferencias entre el modelo axil simétrico ideal y el modelo 2D del Hyperloop, la comparación del modelo Maglev 2D dentro y fuera de túneles, y muchas otras apreciaciones válidas no solo para modelos Hyperloop y Maglev, sino también para trenes convencionales de alta velocidad o cualquier vehículo que levite.
Además, se muestra la aplicación de los resultados del análisis de modelos 2D a modelos 3D, así como su comparación y coincidencia con prototipos reales.
5. Conclusiones
Entre las conclusiones destacan la Revisión de patentes, que facilita la transferencia de conocimientos entre tecnologías; la Precisión en la modelización mediante la estimación minuciosa de parámetros; y la Optimización del diseño, con la identificación de la forma aerodinámica idónea para mejorar la eficiencia y reducir la resistencia aerodinámica.
Así, este TFM contribuye significativamente al diseño y desarrollo de sistemas de transporte de alta velocidad, proporcionando una base sólida para futuras investigaciones y optimizaciones en este campo revolucionario.
1. Introducción
El presente Trabajo de Fin de Máster (TFM) se centra en el análisis aerodinámico comparativo de diferentes modelos de dinámica longitudinal aplicados al Hyperloop y al Maglev, dos tecnologías de transporte de alta velocidad. Utilizando la Dinámica de Fluidos Computacional (CFD), se investigan características aerodinámicas de ambas tecnologías con el objetivo de optimizar sus diseños y mejorar su eficiencia operativa. Este trabajo pretende ser una continuación y ampliación de mi TFG, presentado en 2023, donde se llevó a cabo la Estimación de Parámetros para un Modelo de Dinámica Longitudinal de un Vehículo Hyperloop.
Respecto al contexto, el transporte de alta velocidad ha evolucionado significativamente, emergiendo el Hyperloop y el Maglev como alternativas prometedoras para el futuro. Ambas opciones proponen sistemas de levitación magnética para eliminar el contacto con las vías, reduciendo así la fricción. La diferencia principal entre ellos es que el Hyperloop propone un sistema donde los vehículos viajen en tubos de baja presión, mientras que el tren Maglev se encuentra sometido a condiciones ambientales. Ambas tecnologías presentan desafíos y ventajas únicas. El Maglev ya está en operación en países como Japón y China, demostrando su viabilidad. Por otro lado, el Hyperloop aún se encuentra en fases de desarrollo y prueba, pero promete velocidades superiores a las del Maglev y menor consumo energético. De este modo, se justifica la realización del análisis aerodinámico comparativo, crucial para identificar áreas de mejora y optimización en el diseño de estos sistemas de transporte. La eficiencia aerodinámica puede reducir costes operativos en cada viaje y aumentar la sostenibilidad de estas tecnologías.
2. Objetivos y Metodología
El principal objetivo del TFM es realizar un análisis aerodinámico comparativo utilizando CFD. Para ello, se ha aplicado una metodología completa y exhaustiva que incluye:
– Revisión del estado del arte: Investigación profunda de la literatura existente sobre el Hyperloop y el Maglev, incluida la Normativa Europea publicada en 2024.- Estudio de Patentes: Investigación de las patentes referentes al Hyperloop e identificación de innovaciones clave en tecnologías de levitación y propulsión.- Repaso de Conceptos Teóricos: Revisión de conceptos teóricos esenciales para el desarrollo del trabajo, como las ecuaciones de Navier-Stokes (RANS), modelos de turbulencia y solvers de mecánica de fluidos.- Modelado: Creación de modelos CFD aplicables a ambos sistemas para la simulación y análisis de datos, haciendo uso de GMSH, OpenFOAM y ParaView.- Análisis CFD: Estudio del comportamiento aerodinámico en estado estacionario bajo distintas condiciones operativas y análisis comparativo de los diferentes modelos de dinámica longitudinal aplicados al Hyperloop y al Maglev.
3. Desarrollo del proyecto
– Estudio de PatentesPrimeramente, para completar la investigación del TFM sobre el Hyperloop, se realizó un análisis de patentes que complementa la investigación. Este análisis ofrece una visión concisa del estado actual y las tendencias de la tecnología Hyperloop. Se utilizaron principalmente las bases de datos de PATENTSCOPE y PatBase.
– Conceptos relevantesEl apartado de conceptos relevantes incluye la explicación de la tecnología y principios del sistema de transporte Hyperloop, así como los fundamentos del sistema de trenes de levitación magnética (Maglev). Además, se detallan las técnicas y modelos de Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) empleados en el análisis aerodinámico, junto con las hipótesis y premisas básicas del estudio. También se discuten las principales ecuaciones y leyes físicas relevantes, como las ecuaciones de Navier-Stokes, y se aborda el fenómeno de la turbulencia y su modelado en este contexto.
– Estimación de parámetrosEn el apartado de parámetros, siguiendo la misma estructura que en el TFG, se estiman, definen y justifican los valores de presión, temperatura y velocidad necesarios para el análisis aerodinámico. También se describen las características específicas del aire utilizadas en los modelos, y se presenta un resumen consolidado de todos estos parámetros para proporcionar una base clara y precisa para el estudio posterior.
– ModeladoPartiendo de la geometría axil simétrica utilizada en el TFG para simular un vehículo Hyperloop, se mejora y diseña otra geometría que sirva de base para los modelos 2D. A partir de estas dos geometrías primarias se crean los modelos base a alterar. Posteriormente, antes de las simulaciones, los modelos se mallan inteligentemente para que proporcionen resultados precisos sin dedicar un tiempo computacional excesivo.
– Configuración del caso OpenFoamEn esta sección se detalla el proceso de configuración de los diferentes tipos de casos en OpenFOAM, tanto el modelo axil simétrico concreto del Hyperloop, como los modelos 2D aplicados y adaptados por separado al Hyperloop y al Maglev. Este proceso implica organizar y gestionar diversos archivos y parámetros a través de una estructura de directorios específica: “0” para las condiciones iniciales, “constant” para las propiedades físicas y geométricas, y “system” para los archivos de configuración del solucionador. Esta etapa es esencial para una simulación efectiva, a pesar de que resulte bastante laboriosa y minuciosa. Es crucial para asegurar la organización y reproducibilidad de los resultados en futuras simulaciones.
– PosprocesamientoEl Posprocesamiento en la simulación CFD es esencial para interpretar y presentar los resultados de manera clara. Tras completar la simulación, se utiliza ParaView para visualizar y analizar datos como la velocidad del flujo y las distribuciones de presión.
Se inicia con una revisión de la simulación previa realizada en el TFG y se presentan los resultados base, incluyendo presión, temperatura, velocidad y número de Mach.
Posteriormente, se resumen otros resultados del TFG importantes para entender los apartados posteriores, como la comparación con el modelo de referencia, el efecto de la calidad del mallado, la forma del vehículo, comparaciones entre solvers y otros.
Finalmente, se detallan las suposiciones y parámetros iniciales de la nueva simulación, tales como dimensiones y características de turbulencia. Este apartado servirá de base inicial para el análisis aerodinámico comparativo.
– Análisis aerodinámicoEste apartado analiza cómo la forma del perfil del vehículo afecta su rendimiento aerodinámico, siendo válidos los resultados tanto para la vista lateral como superior. La Sección 11.1 examina diferentes consideraciones generales necesarias para entender cómo se llega al resultado final. La Sección 11.2 se enfoca en optimizar el Maglev, teniendo en diferentes factores y realizando múltiples comparaciones. Finalmente, la Sección 11.3 evalúa el diseño del Hyperloop, considerando los resultados anteriores, válidos y coincidentes para un modelo del Hyperloop 2D sin compresor.
4. Resultados
Los resultados del Análisis arrojan diferentes tipos de información valiosa, como es la proporción ideal entre la longitud de la cabeza del vehículo y su altura, siendo esta de 14/3 aproximadamente, la forma de la cabeza y la cola ideal del vehículo Hyperloop o tren Maglev, las diferencias entre el modelo axil simétrico ideal y el modelo 2D del Hyperloop, la comparación del modelo Maglev 2D dentro y fuera de túneles, y muchas otras apreciaciones válidas no solo para modelos Hyperloop y Maglev, sino también para trenes convencionales de alta velocidad o cualquier vehículo que levite.
Además, se muestra la aplicación de los resultados del análisis de modelos 2D a modelos 3D, así como su comparación y coincidencia con prototipos reales.
5. Conclusiones
Entre las conclusiones destacan la Revisión de patentes, que facilita la transferencia de conocimientos entre tecnologías; la Precisión en la modelización mediante la estimación minuciosa de parámetros; y la Optimización del diseño, con la identificación de la forma aerodinámica idónea para mejorar la eficiencia y reducir la resistencia aerodinámica.
Así, este TFM contribuye significativamente al diseño y desarrollo de sistemas de transporte de alta velocidad, proporcionando una base sólida para futuras investigaciones y optimizaciones en este campo revolucionario. Read More
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