Estudio CFD de la calidad del aire y de la captación de partículas finas en una estación de metro subterránea: efecto pistón de los trenes, dispersión y dispositivos de captación.
EOLIOS realizó un estudio CFD en una estación de metro en París para evaluar la eficacia de sensores de partículas finas instalados en los andenes. Realizado para la SNCF y TrapAparT, el estudio analiza las velocidades y las trayectorias del aire en el interior de la estación para determinar si los dispositivos instalados consiguen captar eficazmente las partículas finas presentes en la atmósfera.
Lo esencial — Estudio CFD para la SNCF y TrapAparT en una estación de metro parisina: comprobar si unos sensores pasivos con medio adsorbente patentado captan eficazmente las partículas finas (PM10 / PM2,5, de media ×3 más concentradas que al aire libre) movilizadas por el efecto pistón de los trenes. Una auditoría in situ y luego un modelo CFD de unos 10 millones de celdas (estación + tren) restituyen velocidades, ondas de presión y vorticidad en la estela; unos deflectores optimizan después la captación.
Desde principios de los años 2000, las mediciones de la calidad del aire han mostrado que, de media, las concentraciones de partículas en suspensión en los espacios ferroviarios en Francia son tres veces más elevadas que en el aire exterior urbano. La concentración de partículas medida en el aire suele expresarse en PM10 y PM2,5.
Partículas en suspensión de diámetro inferior a 10 µm (PM10) y 2,5 µm (PM2,5). Las más finas penetran en las vías respiratorias hasta los alvéolos pulmonares, de ahí su nocividad.
Estas partículas penetran en las vías respiratorias y las más finas se depositan directamente en los alvéolos pulmonares. La composición de las partículas observadas en el entorno ferroviario difiere notablemente de la del aire exterior, con elevadas concentraciones de elementos metálicos — en particular hierro — así como de carbono elemental y orgánico. Específica de la actividad ferroviaria subterránea, esta contaminación está causada por el desgaste de los materiales ligado al frenado de los trenes, por la fricción entre ruedas y raíles y por la resuspensión del polvo debida al paso de los convoyes.
Los datos epidemiológicos y toxicológicos sugieren posibles impactos cardiorrespiratorios graves, dadas las consecuencias biológicas observadas en términos de inflamaciones, estrés oxidativo y actividad cardiovascular en el personal encargado del mantenimiento de estas infraestructuras. A la luz de estas observaciones, la ANSES confirma la necesidad de reducir la contaminación por partículas finas en los espacios ferroviarios subterráneos y, por tanto, de continuar el estudio y la mejora de la ventilación en estos entornos.
Una cuestión de salud — la ANSES ha documentado impactos cardiorrespiratorios (inflamaciones, estrés oxidativo) en el personal de mantenimiento expuesto en entornos ferroviarios subterráneos. Reducir las partículas finas en los andenes es ante todo un objetivo de salud pública.
La calidad del aire es hoy una preocupación importante para nuestra salud a escala mundial. El transporte público se presenta a menudo como una alternativa más ecológica, ya que reduce las emisiones de contaminantes por kilómetro recorrido. No obstante, no está totalmente exento de contaminación: el desgaste de los componentes utilizados en la explotación ferroviaria — ruedas, raíles, balasto, pantógrafo, catenaria, frenos — genera partículas contaminantes.
Estas partículas tienden a acumularse más en los recintos ferroviarios subterráneos debido al efecto de confinamiento. Los estudios sobre el impacto de esta contaminación siguen siendo escasos; por ello TrapAparT ha puesto en marcha trabajos de investigación sobre el tema.
Los niveles de contaminación en los espacios ferroviarios subterráneos se deben principalmente a su confinamiento, que limita la renovación del aire necesaria para eliminar los contaminantes emitidos por los trenes en explotación. Las estaciones más antiguas son, por tanto, más propensas a acumular partículas contaminantes en su interior.
El impacto de la contaminación del aire exterior sobre la de las estaciones subterráneas no está claramente definido; depende en gran medida de las características arquitectónicas propias de cada sistema de transporte subterráneo. Factores como el tipo de ventilación (natural, forzada, climatizada), 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 accesos desempeñan un papel esencial.
Las variaciones estacionales del clima también parecen influir en los niveles de contaminación en los andenes. Los materiales utilizados en la construcción de las estaciones, las infraestructuras ferroviarias y el material rodante, sometidos a desgaste y abrasión, también pueden contribuir a la variabilidad de las partículas contaminantes.
Las trampas TrapAparT permiten reducir la exposición de la población a las partículas finas nocivas, equipando zonas específicas — grandes ejes urbanos y estaciones ferroviarias subterráneas (metro) — que presentan niveles de contaminación muy superiores a los umbrales recomendados por la OMS en lugares de alta concentración humana.
El núcleo del dispositivo es un medio adsorbente de partículas finas patentado por TrapAparT, capaz de atrapar las partículas finas por simple contacto, gracias únicamente a los flujos naturales del aire (viento y turbulencias generadas por los vehículos). El medio se regenera mediante un simple lavado con agua, con una frecuencia del orden del mes; el agua de lavado se recupera y los contaminantes que contiene se eliminan.
El objetivo principal del estudio realizado por los ingenieros de EOLIOS es analizar las velocidades y las trayectorias del aire en el interior de la estación, para determinar si los dispositivos instalados en los andenes consiguen captar eficazmente las partículas finas presentes en la atmósfera. El proyecto pretende dominar los fenómenos aeráulicos específicos que se producen en el andén, apoyándose en la modelización CFD para explorar en detalle el flujo de aire generado por el paso de los metros.
La auditoría consiste en llevar a cabo una serie de mediciones para estudiar los movimientos de aire asociados a la llegada de los metros a la estación, evaluando al mismo tiempo la concentración de partículas finas en el aire. Estas lecturas se realizan exclusivamente en los andenes y en la zona técnica del andén.
Al entrar en el túnel, un tren empuja el aire por delante (sobrepresión) y lo aspira por detrás (depresión), generando en los andenes fuertes corrientes de aire que resuspenden y desplazan las partículas finas.
Los ingenieros de EOLIOS observaron que las velocidades de la corriente de aire varían en función de la dirección del tren, con amplitudes máximas menores cuando el tren circula por el andén opuesto. Estas velocidades se ven influidas por factores como el tiempo de frenado y la potencia del tren. La reducción de la velocidad del aire durante el paso depende además de la dirección del desplazamiento (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, exigieron ralentizaciones significativas de los trenes por motivos de seguridad, lo que provocó diferencias respecto a las condiciones habituales de circulación.
La Mecánica de Fluidos Numérica, o Computational Fluid Dynamics (CFD), es un método numérico utilizado para estudiar los flujos de fluidos en un entorno dado. Resuelve numéricamente ecuaciones complejas que rigen dichos flujos y que no pueden resolverse analíticamente. Aplicada a los edificios, proporciona información crucial sobre las velocidades del aire, las presiones y las temperaturas dentro y alrededor de los espacios construidos, y ayuda a los proyectistas a optimizar la ventilación y la climatización.
Para resolver estas ecuaciones en derivadas parciales, es necesario definir las condiciones de contorno del cálculo. Estas se establecen a partir de las mediciones in situ y de la información facilitada por la dirección facultativa: tipo de paredes, flujos (entrada o salida unidireccional), parámetros de velocidad, caudal o presión estática media, y coeficientes de superficie cuando deban simularse transferencias de calor.
La malla del modelo, compuesta por unos 10 millones de elementos fluidos estructurados ortogonales con refinamiento en las zonas clave, es esencial para la precisión del estudio, pero puede implicar largos tiempos de cálculo.
El modelo 3D de la estación se elaboró a partir de los planos facilitados; retoma la geometría simplificada del emplazamiento y de su entorno. Para garantizar la precisión de los resultados, los túneles a ambos lados de la estación se incluyeron en el modelo con una longitud suficiente para evitar cualquier influencia de las condiciones de contorno del modelo.
Con el fin de estudiar el impacto del paso del metro sobre la termoaeráulica de la estación, se creó además un modelo 3D específico del tren. Este enfoque permite explorar en profundidad las interacciones entre el tren y el entorno de la estación, para una mejor comprensión de los fenómenos térmicos y aeráulicos de este espacio.
El paso del tren genera perturbaciones duraderas en su estela. 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 induce una resistencia en la parte trasera: genera una zona de sobrepresión en la parte delantera y una zona de depresión en la parte trasera. Un flujo de aire se establece entonces desde los laterales del tren hacia atrás para compensar la depresión, aumentando la velocidad del aire en la parte trasera con respecto al aire estático.
Los planos de presión ilustran la propagación de la onda de presión debida a la aproximación del tren. El flujo inicial va de izquierda a derecha y luego se invierte una vez que el tren está en la estación, en particular en la cabeza del tren. Esta diferencia de presión genera un flujo de aire a través de los medios, aunque este delta de presión sea de corta duración.
La vorticidad es un campo de pseudovectores que describe el movimiento de rotación local de un medio. Permite identificar visualmente las zonas donde la turbulencia es intensa. Los esquemas de vorticidad revelan que las regiones próximas a los medios experimentan perturbaciones, en particular tras el paso del tren.
Campo de pseudovectores que describe el movimiento de rotación local del aire. Hace visibles las zonas de turbulencia intensa — aquí, las que gobiernan el contacto entre las partículas y el medio de captación.
Estudios complementarios permitieron definir con precisión los niveles de rendimiento de los sistemas de captación. Soluciones de optimización, como el desarrollo de deflectores, permitieron mejorar estos rendimientos de captación de partículas finas.
EOLIOS es así capaz de trabajar en casos de emisión de partículas finas y de acompañar a los industriales en la optimización de sus instalaciones y el dimensionamiento de prototipos.
Para profundizar en el tema, recomendamos la lectura de la tesis «Dispersión de las partículas producidas por el frenado de los trenes en estaciones subterráneas», de Antoine Durand.
Saber hacer: el estudio de la calidad del aire interiorContaminación de los andenes, efecto pistón de los trenes y captación pasiva de las partículas finas.
En las zonas ferroviarias subterráneas, las partículas en suspensión están de media tres veces más concentradas que al aire libre: proceden del desgaste por frenado, de la fricción rueda/raíl y de la resuspensión por los trenes, y se acumulan por el efecto de confinamiento. Consulta nuestro dosier sobre la calidad del aire en las estaciones de metro.
Al circular, el tren empuja el aire por delante (sobrepresión) y lo aspira por detrás (depresión). Estas corrientes de aire, breves pero intensas, desplazan y resuspenden las partículas finas en los andenes.
Un medio adsorbente patentado atrapa las partículas finas por simple contacto, gracias únicamente a los flujos naturales del aire (viento, turbulencias de los trenes). Se regenera mediante un lavado mensual con agua, que se recupera y se depura.
Las velocidades del aire asociadas a la llegada de los trenes y la concentración de partículas finas, registradas en los andenes y en la zona técnica. Estos datos sirven de condiciones de contorno para el modelo CFD.
Restituye velocidades, ondas de presión y vorticidad en la estela del tren y evalúa si los sensores interceptan las partículas — hasta probar deflectores de optimización. Un enfoque cercano a nuestro proyecto sobre la calidad del aire de la estación RER de Issy.
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Simulación CFD de la vorticidad alrededor de un tren que entra en la estación — estudio del impacto de los efectos pistón sobre la dispersión de las partículas finas y la calidad del aire de los espacios subterráneos.
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