Captura de partículas finas en una estación de metro
En pocas palabras
EOLIOS realizó un estudio CFD en una estación de metro de París para evaluar la eficacia de los sensores de partículas finas instalados en los andenes.
Captura de partículas finas en una estación de metro
Año
2023
Cliente
SNCF - TRAPAPART
Ubicación
Francia/París
Tipología
Aire y viento
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Descripción del proyecto
El peligro de la mala calidad del aire en los espacios ferroviarios subterráneos (estaciones de Metro / RER)
Desde principios de la década de 2000, las mediciones de la calidad del aire han demostrado que, por término medio, las concentraciones de partículas en el aire en las zonas ferroviarias de Francia son tres veces superiores a las del aire exterior urbano.
La concentración de partículas medida en el aire suele expresarse como PM10 y PM2,5.
Estas partículas penetran en el sistema respiratorio, y las más finas se depositan directamente en los alvéolos pulmonares.
Además, la composición de las partículas finas observadas en el entorno ferroviario es muy diferente de la del aire exterior, con elevadas concentraciones de elementos metálicos, sobre todo hierro, así como carbono elemental y orgánico.
Específica de la actividad ferroviaria subterránea, esta contaminación está causada por el desgaste de los materiales debido al frenado de los trenes, la fricción entre ruedas y raíles, y la resuspensión de polvo debida a los movimientos de los trenes.
Los datos epidemiológicos y toxicológicos sugieren que podría haber graves repercusiones cardiorrespiratorias, dadas las consecuencias biológicas observadas en términos de inflamación, estrés oxidativo y actividad cardiovascular en los trabajadores responsables del mantenimiento de este tipo de infraestructuras.
A la luz de estas observaciones, la ANSES confirma la necesidad de reducir la contaminación por partículas finas en las zonas ferroviarias subterráneas y, por tanto, de emprender acciones en este sentido, como el estudio y la mejora de la ventilación en estos entornos.
Estudio sobre la contaminación en el transporte público: atención a las partículas generadas por las operaciones ferroviarias
La calidad del aire es ahora una gran preocupación para nuestra salud a escala mundial. El transporte público se presenta a menudo como una alternativa más ecológica, ya que reduce las emisiones contaminantes por kilómetro recorrido. Sin embargo, no están totalmente libres de contaminación. El desgaste de los componentes utilizados en las operaciones ferroviarias, como ruedas, raíles, balasto, pantógrafos, sistemas de catenaria y frenos, genera partículas contaminantes.
Estas partículas tienden a acumularse más en los recintos ferroviarios subterráneos debido al efecto de confinamiento. Desgraciadamente, los estudios sobre el impacto de esta contaminación siguen siendo escasos. Por eso Trapapart ha puesto en marcha una investigación sobre este tema.
El problema de las partículas finas
Niveles de contaminación en espacios ferroviarios subterráneos: el efecto de confinamiento y la acumulación de contaminantes
Los niveles de contaminación en los espacios ferroviarios subterráneos se deben principalmente a su confinamiento, que limita la renovación de aire necesaria para eliminar los contaminantes emitidos por los trenes en funcionamiento. En consecuencia, las estaciones más antiguas son más propensas a acumular partículas contaminantes en su interior.
El impacto de la contaminación atmosférica exterior sobre la de las estaciones de metro no está claramente definido; depende en gran medida de las características arquitectónicas específicas de cada sistema de transporte subterráneo. Factores como el tipo de ventilación (natural, forzada, aire acondicionado), la profundidad de la estación (las estaciones más profundas son menos sensibles a las variaciones de la calidad del aire exterior) y el número de entradas desempeñan un papel fundamental.
Las variaciones estacionales del tiempo también parecen influir en los niveles de contaminación de los muelles. Es importante señalar que los materiales utilizados en la construcción de estaciones, infraestructuras ferroviarias y material rodante, sometidos a desgaste y abrasión, pueden contribuir a la variabilidad de las partículas contaminantes.
Estudio de sistemas pasivos de captación de partículas finas
Investigación sobre el impacto de la contaminación en el transporte público: la iniciativa Trapapart
Trampas TrapAparT las trampas reducen la exposición de las personas a las partículas finas nocivas equipando zonas específicas, como las grandes vías urbanas y las estaciones de metro, con niveles de contaminación muy superiores a los umbrales recomendados por la OMS para lugares con grandes concentraciones de personas.
Dispositivos TrapAparT: un medio patentado para atrapar partículas finas en zonas urbanas con altas concentraciones humanas
El corazón del dispositivo consiste enun medio adsorbente de partículas finas patentado por TrapAparTes capaz de atrapar partículas finas poniéndolas en contacto con el aire utilizando únicamente flujos de aire naturales (viento y turbulencias generadas por los vehículos). El medio se regenera simplemente lavándolo con agua con una frecuencia aproximada de un mes. El agua de lavado se recupera y se eliminan los contaminantes que contiene.
El principal objetivo de este estudio, realizado por los ingenieros de EOLIOS, es analizar las velocidades y trayectorias del aire en el interior de la estación para determinar si los dispositivos instalados en las plataformas son eficaces para captar las partículas finas presentes en la atmósfera. Este proyecto es de gran importancia, ya que pretende controlar los fenómenos aeráulicos específicos que se producen en el andén de la estación. Para ello, el estudio se centrará en la aplicación de modelos CFD para explorar en detalle los principios aeráulicos inherentes al flujo de aire generado por el paso de trenes subterráneos.
Auditoría in situ
Auditoría de los movimientos del aire y la concentración de partículas finas cuando los trenes de metro llegan a la estación
El objetivo de la auditoría es realizar una serie de mediciones para estudiar los movimientos de aire asociados a la llegada de metros a la estación. Al mismo tiempo, pretende evaluar la concentración de partículas finas en el aire. Estas encuestas se llevarán a cabo exclusivamente en las plataformas y en el área técnica de la plataforma.
Análisis de las velocidades del flujo de aire en las estaciones de metro: estudio del efecto del paso de los trenes en el flujo de aire
Los ingenieros de EOLIOS observaron que las velocidades de las corrientes de aire varían en función de la dirección del tren, con amplitudes máximas más bajas cuando el tren circula por el andén contrario. En estas velocidades influyen factores como el tiempo de frenado y la potencia del tren. Además, la reducción de la velocidad del aire al paso del tren depende de la dirección en la que se desplace (llegada o salida del andén) y de la duración del paso. Cabe señalar que las mediciones, realizadas cerca del andén en la zona de intervención, provocaron una importante ralentización de los trenes por motivos de seguridad, lo que dio lugar a diferencias con respecto a las condiciones normales de circulación.
Simulaciones CFD
Modelización CFD de la estación de metro y los trenes
La Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) es un método numérico utilizado para estudiar los flujos de fluidos en entornos determinados. Permite resolver numéricamente las complejas ecuaciones que rigen estos flujos, ya que no pueden resolverse analíticamente. Aplicando el CFD a los edificios, podemos obtener la siguiente información sobre las velocidades, presiones y temperaturas del aire en los espacios de construcción y sus alrededores. Esto ayuda a los diseñadores a optimizar la ventilación y el aire acondicionado, teniendo en cuenta factores como la estructura del edificio, las ganancias internas de calor y los sistemas de aire acondicionado, para garantizar un confort óptimo.
Para resolver las ecuaciones diferenciales parciales, necesitamos definir las condiciones de contorno para el cálculo. Se establecen a partir de mediciones in situ y de la información facilitada por el director del proyecto. Las condiciones de contorno determinan, en particular, el tipo de paredes, los flujos (unidireccional de entrada o de salida), los parámetros de velocidad, caudal o presión estática media, así como los coeficientes de superficie si son necesarios para simular la transferencia de calor.
La malla del modelo, formada por unos 10 millones de elementos fluidos ortogonales estructurados con refinamiento en zonas clave, es esencial para la precisión del estudio, pero puede llevar a largos tiempos de cálculo.
El modelo 3D de la estación se creó utilizando los planos proporcionados, y muestra la geometría simplificada del emplazamiento y sus alrededores. Para garantizar la precisión de las mediciones, los túneles situados a ambos lados de la estación se han incluido en la modelización con una longitud suficiente para evitar cualquier influencia de las condiciones de contorno del modelo.
Además, para estudiar el impacto del paso del metro en la termoaerodinámica de la estación, se creó un modelo 3D específico del tren del metro. Este enfoque permite explorar en profundidad las interacciones entre el tren y el entorno de la estación, contribuyendo así a una mejor comprensión de los fenómenos térmicos y aeráulicos de este espacio.
Estudio CFD de los movimientos de aire en la estación de metro
El paso del tren genera trastornos duraderos a su paso. Estas perturbaciones muestran que la velocidad del aire sigue una trayectoria tangente a los medios, lo que puede ser ventajoso dadas sus características.
En movimiento, el tren de aterrizaje induce resistencia en la parte trasera. Cuando un tren se desplaza, crea una zona de exceso de presión en la parte delantera y una zona de presión reducida en la parte trasera. Esto hace que el aire fluya desde los lados del tren hacia la parte trasera para compensar la presión negativa, aumentando la velocidad del aire en la parte trasera en comparación con el aire estático.
Los planos de presión ilustran la propagación de la onda de presión provocada por el tren que se aproxima. El flujo inicial es de izquierda a derecha, luego se invierte una vez que el tren está en la estación, sobre todo en la cabeza del tren. La diferencia de presión en la cabeza del tren provoca un flujo de aire a través del medio, aunque este delta de presión es de corta duración.
Modelización CFD de las velocidades del aire de un tren que entra en una estación
La vorticidad es un campo pseudovectorial que describe el movimiento de rotación local de un medio. Permite identificar visualmente las zonas de turbulencia intensa. Los diagramas de vorticidad muestran que las regiones cercanas a los medios experimentan perturbaciones, sobre todo tras el paso del tren.
Modelización CFD de los efectos de vorticidad de un tren que entra en una estación
Otros estudios han permitido definir con precisión los niveles de rendimiento de los sistemas de captura. Soluciones de optimización, como el desarrollo de deflectores ha mejorado la captura de partículas finas.
De este modo, EOLIOS puede trabajar en casos de liberación de partículas finas y ayudar a los fabricantes a optimizar sus instalaciones y diseñar prototipos.
Modelización CFD de los efectos de vorticidad en la cuenca de captación
Otros estudios han permitido definir con precisión los niveles de rendimiento de los sistemas de captura. Soluciones de optimización, como el desarrollo de deflectores ha mejorado la captura de partículas finas.
De este modo, EOLIOS puede trabajar en casos de liberación de partículas finas y ayudar a los fabricantes a optimizar sus instalaciones y diseñar prototipos.
Nuevos trabajos sobre la dispersión de partículas finas en las estaciones de metro:
- Para más información sobre este tema, recomendamos la lectura de la tesis «Dispersion des particules issues du freinage des trains en stations souterraines» de Antoine Durand.
Vídeo resumen del estudio
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