Simulación CFD en túneles con mercancías peligrosas en Colombia

La comunicación entre Bogotá y Villavicencio se realizaba a través de una carretera de montaña con doble sentido de circulación. Se trata de una vía especialmente peligrosa por varias razones. La primera es que se encuentra en una zona con terreno muy inconsistente que en época de lluvias provoca derrumbes de rocas y aludes, generando múltiples accidentes y grandes atascos de tráfico.

La segunda razón de peligrosidad radica en la circulación masiva de lo que los colombianos denominan ‘tracto-mulas’. Se trata de camiones cargados de combustible que, además de su peligrosidad intrínseca, llegan a generar grandes atascos. Actualmente el número de ‘tracto-mulas’ que circulan por esta vía puede superar las 2.000 diarias.

Así pues, surge como única alternativa para acabar con los atascos de tráfico y reducir la tasa de accidentes, la construcción de una autopista de doble calzada sustituyendo a la carretera de montaña y by-passes para hacer frente a los derrumbes, poniendo en modo bidireccional tramos parciales. La nueva calzada tiene 14,8 kilómetros en túneles, con pendientes de hasta 5% y radios de curvatura no menores de 235 metros para garantizar una velocidad de 80 km/h.

Derrumbes y aludes en época de lluvias (fotos de arriba) y congestión de tráfico con 'tracto-mulas' (fotos de abajo).

Esta autopista se ha dividido en varios tramos. El denominado Tablón-Chirajara, tiene 18 túneles, de longitudes comprendidas entre los 300 m y los 4.380 m. Se implantó un sistema de ventilación en los mayores de 800 m de longitud. Éste está compuesto por ventiladores de chorro módelo Zitron JZR 12-52/4, reversibles, resistentes 400°C 2 horas, y capaces de hacer frente a un incendio de 100 MW de potencia térmica. Adicionalmente llevan sondas de temperatura y vibración.

Se buscó unificar el tipo de ventiladores de chorro utilizados en los distintos túneles, para tener más versatilidad en caso de avería y mejorar el mantenimiento.

El número de ventiladores utilizados en cada túnel es diferente, dependiendo de la longitud y la pendiente fundamentalmente, partiendo de 6 ventiladores instalados en el túnel de menor longitud con ventilación (700 m), hasta 22 ventiladores en el túnel más extenso (4.380 m). En total, hay instalados 108 ventiladores en el tramo Tablón-Chirajara (Bogotá, Colombia).

Debido a la gran cantidad de tráfico peligroso que circula por estos túneles, la empresa Coviandes, concesionaria encargada de las obras, la operación y el mantenimiento, decidió realizar una serie de simulaciones que encomendó a Zitron, entre las que se encuentran las simulaciones CFD con escenarios de incendio y de evacuación peatonal, para garantizar la seguridad de los estudios realizados para los túneles del tramo Tablón-Chirajara (Colombia).

Con las simulaciones CFD se perseguía analizar la evolución y el comportamiento de los humos, así como el del sistema de ventilación en diferentes escenarios con una potencia de incendio de 30 MW y 100 MW. En todos los túneles, los escenarios de incendio establecidos fueron tres, excepto en el túnel más largo donde se realizaron siete. En total, se realizaron 28 simulaciones CFD transitorias

De forma general, estos son los escenarios de incendio simulados:

• Escenario Tipo A: Posición del incendio a 3/4 de la longitud total del túnel con tráfico congestionado hasta la posición del incendio y efecto viento en la boca de salida (10 km/h).

• Escenario Tipo B: Posición del incendio a 1/2 de la longitud total del túnel y tráfico congestionado hasta la posición de incendio y efecto viento en la boca de salida (10 km/h).

• Escenario Tipo C: Posición del incendio a 1/4 de la longitud total del túnel y tráfico congestionado hasta la posición de incendio y efecto viento en la boca de salida (10 km/h).

CFD es un acrónimo de ‘Computational Fluid Dynamics’, y se define como “una rama de la dinámica de fluidos que, mediante métodos numéricos y algoritmos, analiza y soluciona problemas en los que están involucrados fluidos”.

En cada simulacion CFD hay tres etapas claramente diferenciadas:

• Preproceso: engloba todas las operaciones que deben realizarse antes del cálculo, como son el diseño tridimensional del modelo, el mallado del mismo y la definición de las condiciones de contorno.
• Resolución: es el cálculo propiamente dicho por parte del ordenador, en el que deberá resolver las ecuaciones de la dinámica de fluidos en cada celda del mallado y con las condiciones impuestas. Es decir, se analizan las ecuaciones de conservación de la masa y la energía en cada celda de la malla.
• Postproceso: etapa en la que se obtienen los resultados gráficos y numéricos.

Para los túneles del tramo Tablón-Chirajara (Bogotá, Colombia), se realizó el modelo tridimensional de la geometría de cada túnel, con su trazado, sección, longitud y pendiente correspondiente, en un escenario concreto, incluyendo todos los elementos representativos dentro del túnel (sistema ventilación, trafico, incendio), como puede verse en las imágenes siguientes:

Posteriormente se generó una malla estructurada de cálculo que divide el volumen inicial en pequeñas celdas o bloques, que deben cumplir con una serie de condiciones de regularidad, para evitar posteriores divergencias en el cálculo.

A continuación, se definieron los aspectos físicos del problema (modelo turbulencia, multifase, fuentes calor, propiedades fisicoquímicas del fluido, etc.) y finalmente se introdujeron en el cálculo todas las condiciones iniciales a las que estará sujeto el modelo de simulación.

Estas condiciones eran las siguientes:

• Se consideró un volumen de trafico congestionado hasta la zona de incendio con 21% vehículos pesados y un 79% de vehículos ligeros.
• Resto del túnel vacío, ya que se supuso que todos los vehículos aguas abajo del incendio han conseguido salir del túnel.
• Efecto viento hacia el interior del túnel en la boca de salida de 10 km/h (2.78 m/s), activo durante toda la simulacion CFD.
• Sentido de la ventilación, una vez en funcionamiento, el mismo que el sentido de circulación de tráfico.
• En el momento de arranque del sistema de ventilación se consideraron no operativos los ventiladores más cercanos al incendio.

Con estas simulaciones CFD, se deseaba analizar el comportamiento del sistema de ventilación bajo unas condiciones muy desfavorables, puesto que gran parte de los ventiladores estarían cubiertos de humo en el momento de su arranque o durante la simulación, lo que significa que su capacidad de trabajo sería menor que en condiciones normales.

Una vez finalizado el cálculo se obtuvieron los resultados tanto gráfica como numéricamente. Algunas de las imágenes obtenidas se muestran a continuación:

Concentración de humos a los 200 segundos de simulación.

Concentración de humos a los 300 segundos de simulación.

Temperatura en túnel (con sistema ventilación en marcha).

Analizando los resultados obtenidos de las simulaciones se comprobó que el sistema de ventilación instalado en cada túnel, a pesar de las condiciones desfavorables a las que se iba a someter, tenía un comportamiento adecuado, ya que era capaz de parar y vencer el viento en contra, darle la vuelta al sentido de circulación de los humos y evitar el ‘backlayering’ (retroceso de los humos hacia el lugar de donde proviene la ventilación).

En la actualidad, se están realizando simulaciones CFD para los cuatro túneles del siguiente tramo denominado Chirajara – Fundadores, en los que es necesario implantar un sistema de ventilación. Se trata de siete túneles, de los cuales cuatro tienen longitudes superiores a los 500 m: desde los 1.450 m hasta los 4.560 m. Está previsto instalar un total de 66 ventiladores de chorro del mismo modelo que en el tramo El Tablón – Chirajara.

Queremos agradecer al ingeniero industrial español Enrique Segura Echániz, subgerente de Operación de Túneles e Integración Vial de la Autopista, y miembro del Comité de Túneles de la ATC-PIARC, sus recomendaciones y orientaciones en el diseño y la implementación del sistema de ventilación.