Zitron confía en la simulación de ingeniería para satisfacer las nuevas necesidades en el diseño de sistemas de ventilación de túneles

Visión de túnel

Ana Belén Amado, Mining Engineer de Zitrón; Carlos García, Technical Services Manager; y Roberto García, director de Desarrollo de Negocio en Ansys01/03/2012

1 de marzo de 2012

Los túneles suponen estructuras esenciales de las redes de transporte a nivel mundial, por lo que es crucial poder garantizar unas condiciones de ventilación y seguridad adecuadas. El correcto sistema de ventilación para cualquier túnel debe proporcionar una calidad de aire aceptable tanto para las personas que circulan por su interior, como para aquellas que se encuentran trabajando en él, así como permitir una evacuación segura en caso de emergencia.

La simulación de estos sistemas de ventilación de los túneles se convierte en todo un desafío debido a los complejos fenómenos físicos implicados en el proceso de diseño, así como a la gran dimensión que pueden tener los túneles a diseñar que puede alcanzar varios kilómetros. En comparación con los resultados derivados de las pruebas físicas, la dinámica computacional de fluidos (CFD) es capaz de simular con gran precisión patrones de flujo y caídas de presión en túneles de cualquier longitud. Zitron España, especialista en el diseño y construcción de sistemas de ventilación de túneles que garantizan la seguridad contra incendios y la calidad del aire para viajeros y personal de mantenimiento, cuenta con una amplia experiencia en CFD. Esta experiencia le aporta un factor diferenciador le ha permitido ganar cientos de contratos de ventilación y diseño de túneles de renombre a lo largo de sus 45 años de experiencia incluyendo proyectos tales como el del Tunel de Guadarrama en España, el de San Gottardo en Suiza y de Rennsteig en Alemania. Zitron también ha participado en más de 100 estaciones de metro de Madrid con sistemas de ventilación de emergencia.

La simulación, una solución a la complejidad del sistema

Debido a la complejidad de dichos sistemas, resulta sin embargo, difícil y costoso construir maquetas a escala sobre las que realizar pruebas que evalúen la potencial respuesta de los diseños de los sistemas de ventilación porque el sistema de ventilación puede ejercer un impacto sobre la sección transversal, forma, alineación, número y tamaño de los dispositivos de ventilación del túnel y sobre todo el trabajo de ingeniería civil requeridos para su construcción. La simulación sin embargo, permite evaluar el rendimiento de configuraciones alternativas y determinar cómo deben utilizarse el sistema, tanto en condiciones normales como bajo emergencia, todo ello en menor tiempo y a menor coste que las pruebas físicas.

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La simulación de los túneles permite ver la supuesta actuación en funcionamiento.

Para la simulación, Zitron utiliza el software Ansys Fluent CFD porque proporciona un rango excepcionalmente amplio de modelos físicos, necesarios para poder predecir con precisión el rendimiento del sistema de ventilación de túneles. Es más, la solución puede escalarse con los nódulos de proceso necesarios en función de las diferentes magnitudes. Hace una década, la primera aplicación por parte de la empresa requería simplemente la estimación de la caída de presión a través del circuito de ventilación. Posteriormente, Zitron evolucionó rápidamente a realizar simulación de túneles a escala natural de hasta varios cientos de metros de longitud. Los investigadores validaron dichos estudios con medidas de velocidad a escala natural en muchos túneles de carreteras, metro y ferrocarril. Los resultados iniciales de la simulación se mostraron totalmente en consonancia con las mediciones de campo, asi que Zitron utiliza actualmente el software de simulación de dinámica de fluidos como principal herramienta de diseño y para poder obtener perspectiva sobre el rendimiento de los sistemas de ventilación propuestos. Esto ha proporcionado a Zitron una ventaja competitiva para afianzar su posición de líder en el sector de la simulación de túneles.

La puesta en marcha de la simulación

Zitron utiliza también simulación de incendios para evaluar la calidad de la ventilación longitudinal. Los ingenieros definen un modelo de propagación de incendios dentro del túnel en una ubicación estratégicamente elegida para tener en cuenta las condiciones en el caso más adverso. Un número de ventiladores longitudinales, ubicados en serie a lo largo del túnel, se activan con un retardo de 60 segundos desde el inicio de la ignición del fuego. La simulación permite predecir la capacidad de los ventiladores para dirigir el humo hacia una de las salidas. El túnel debe estar libre de humo en un periodo de tiempo determinado, normalmente de alrededor de 600 segundos. Otros resultados clave de la simulación son los mapas de temperatura y distribución de las velocidades a lo largo del túnel.

Las geometrías de un túnel suelen ser bastante estandarizadas, con un área transversal constante. La posición y capacidad de los ventiladores, así como la ubicación y tamaño del posible incendio son las principales variables en el diseño. Como el software CAD de Zitron se encuentra integrado con la plataforma Workbench de Ansys, cualquier cambio en el modelo de diseño se actualiza automáticamente también en el modelo de simulación. El software de simulación de ingeniería Workbench facilita a los ingenieros de Zitron la realización de simulaciones paramétricas, consistentes en una serie de trazados con diferentes valores para uno o más parámetros de diseño, como por ejemplo el número de ventiladores, distancia entre ellos y ubicación del incendio.

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Las geometrías de un túnel suelen ser bastante estandarizadas, con un área transversal constante.

Debido a la longitud de los túneles, el mallado también resulta crítico. En áreas vitales, tales como la ubicación del incendio o en el caudal ascendente/descendente de los ventiladores, la malla debe ser bastante fina para capturar con precisión los fenómenos físicos. En otras áreas sin embargo, las celdas pueden ser de mayor dimensión para reducir el número total de celdas. Zitron también ha llevado a cabo varios análisis de sensibilidad para entender cuáles son los efectos del tamaño y tipo de celda en la solución. Los investigadores concluyeron que se deben utilizarse mallas estructuradas para alinear la orientación de las celdas con la dirección del flujo y evitar así la difusión numérica. Se ha demostrado que un tamaño de celda de 0,25 metros situada en las proximidades de la ubicación del incendio proporciona gradientes precisos de velocidad y temperatura. Las celdas pueden alcanzar un máximo de 5 metros de longitud entre la ubicación del incendio y los ventiladores, ya que en estas áreas, el flujo se alinea con la malla. Los métodos de barrido y mallado MultiZona disponibles en la plataforma tecnológica de simulación de ingeniería Workbench permiten mallado hexaédrico estructurado con inputs mínimos por parte del usuario y de este modo tanto el tamaño como el crecimiento de la celda pueden forzarse a través del mallado local.

El estudio de cada una de las partes La simulación precisa de un sistema de ventilación de un túnel requiere actualmente 1 millón de celdas por kilómetro de túnel. El cálculo de alto rendimiento y los avances recientes en algoritmos en paralelo han permitido la escalabilidad cuasi lineal de los cálculos de dinámica de fluidos. El desarrollo continuo en el hardware y el software Fluent han contribuido, y seguirán contribuyendo, a resolver aplicaciones de seguridad de túneles mucho más complejas y de mayor fiabilidad. El hardware de alto rendimiento permite el agrupamiento de unidades de procesamiento de una forma más rentable en tanto que métodos de cálculo mucho más eficientes permiten predecir fenómenos físicos más complejos en túneles cada vez mayores y más largos. El resultado final es una simulación precisa de problemas mucho más complejos en menor tiempo de cálculo. Los ingenieros de Zitron también han establecido condiciones marco para definir los límites del dominio, la velocidad de los ventiladores y las características del incendio. Asignan a las paredes del túnel un comportamiento adiabático y establecen niveles de presión para las salidas del túnel en función de su altitud. La velocidad de los ventiladores puede definirse de muchas formas disponibles dentro del software Fluent, por ejemplo combinando entradas positivas y negativas, un volumen con velocidad fija o términos fuente. Cualquier forma de definir la velocidad de los ventiladores proporciona el mismo resultado, aunque suele preferirse la velocidad fija y los términos fuente ya que garantizan la transferencia de masa y calor.
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Ventiladores verticales.

Uno de los inputs que también es clave es la capacidad del fuego y las fuentes de humo o contaminantes. El equipo de Zitron también ha comparado varios métodos, desde los términos fuente más simple de calor y masa hasta el mecanismo de reacción más sofisticado. Los resultados de ambas estrategias se han mostrado en consonancia, siempre que el volumen del fuego cumpla la relación de 1 megavatio por metro cúbico. Por ello y por comodidad, generalmente se utiliza una fuente de calor y fuente de producto de combustión para las simulaciones. También para el modelado de las turbulencias, Zitron ha evaluado varios modelos Reynolds-averaged Navier–Stokes, aunque ha observado que el modelo realizable k-ε describe con mayor precisión los patrones de flujo y la transferencia de calor en aplicaciones de ventilación de túneles.

El cálculo de la temperatura del humo

La propagación del humo se calcula con un esquema de avance con el tiempo. La aproximación estándar para simulaciones transitorias es un esquema de avance con el tiempo (ITA) iterativo. Para un paso de tiempo determinado, todas las ecuaciones se resuelven iterativamente hasta que se cumplen los criterios de convergencia. El avance al siguiente paso de tiempo, normalmente necesita de un número de iteraciones externas y, consecuentemente, un esfuerzo considerable de cálculo. La versión del software de simulación Fluent 6.2 ya incluía un esquema de avance de tiempo no iterativo (NITA), que se ha ido mejorando en las versiones posteriores. Solo es necesaria una única iteración exterior por cada salto temporal, lo que acelera las simulaciones transitorias por un factor de entre dos y cinco veces.

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La propagación del humo se calcula con un esquema de avance con el tiempo.

Aunque la capacidad del incendio total se puede ajustar para compensar artificialmente el impacto a causa de la radiación, el cálculo preciso de la temperatura del muro en las proximidades del fuego debe incorporar un modelado de radiación. La radiación procedente de fuentes de calor localizadas por el fuego no es fácil de poder caracterizar porque superficies de las paredes y los componentes de los fluidos, por ejemplo el humo, forman parte de la radiación. El modelo de ordenadas discretas es aquí la opción preferida porque permite describir fuentes de calor localizadas mientras se consideran los medios de participación con propiedades multibanda. Históricamente, este modelo estaba disponible únicamente para esquemas ITA lo que ralentizaba el tiempo de cálculo total. Sin embargo con la última versión del software de simulación Fluent, la aplicación del modelo de ordenadas discretas se ha extendido a esquemas Nita, lo que permite aumentar la rapidez del método de la iteración individual por salto temporal.

Gracias a la solución Ansys CFD Zitron puede obtener una perspectiva muy fiable del rendimiento de los sistemas de ventilación con la posibilidad de que el software pueda ir incorporando y evolucionando en función de las necesidades de simulación de la empresa. La experiencia de Zitron con el software de simulación CFD le ha proporcionado una ventaja competitiva importante en la ingeniería de seguridad contra incendios en los túneles.

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