Aerodinámica del material rodante

Las fuerzas aerodinámicas que actúan sobre la circulación de un tren tienen mayor influencia cuanto mayor es la velocidad a la que se circula. Para aminorar los efectos que pueden producir, sobre todo en el confort del viajero, la aerodinámica del material rodante juega un papel muy importante.

Los parámetros más influyentes en el diseño aerodinámico de un tren son:

• Longitud
• Sección transversal
• Estanqueidad
• Forma de la cabeza y de la cola
• Coeficiente de rozamiento de su superficie exterior

Los trenes estancos (casi todos los trenes de alta velocidad que se construyen actualmente lo son), permiten reducir las variaciones de presión experimentadas por los pasajeros. Esta es la solución habitual para velocidades superiores a los 300 km/h.

Las exigencias habituales de confort y de seguridad (confort térmico, estanquidad de puertas y ventanas…), aportan con frecuencia un nivel apreciable de estanqueidad a los trenes, sean estos o no de alta velocidad. Se han medido atenuaciones de presión de hasta el 25% en trenes de alta velocidad no estancos de las primeras generaciones.

Las variaciones de presión en el exterior de un tren estanco pueden modificar las presiones internas a través de dos mecanismos:

1. El coche se deforma por la presión exterior
2. La diferencia de presión conduce al aire a través de zonas de fuga, de forma que la presión interna tiende a seguir las fluctuaciones de presiones externas, con un cierto desfase de tiempo.

El primero de los aspectos es poco significativo y no se suele considerar. El segundo aspecto se cuantifica a través del coeficiente de estanqueidad, factor a tener en cuenta en el diseño de la aerodinámica del material rodante. Este coeficiente de estanqueidad puede dividirse en dos partes diferenciadas: el estático y el dinámico. Este último es el que realmente describe las fluctuaciones de presiones externas e internas.

Estas fluctuaciones de presiones se acentúan más en las entradas de los túneles. Cuando un tren entra por un túnel, se crea una onda de presión que se propaga por su interior hasta la salida, donde se refleja como onda de depresión.

Imagen 1. Simulación numérica de la entrada de un tren en túnel. Nivel de presión en el revestimiento del túnel. (Fuente CEMIM)

Asimismo, al entrar la cola del tren, se produce una onda de depresión que al alcanzar la boca de salida se refleja como onda de presión. A su vez estas ondas, al incidir en el tren y en las bocas, producen nuevas ondas reflejadas. El fenómeno se repite hasta que las ondas se amortiguan totalmente.

Una buena aerodinámica del material rodante origina que las bruscas variaciones de presión que pueden originarse por esta secuencia de ondas aminoren las molestias que se transmiten a los viajeros por este fenómeno.

La Fundación para el Fomento de la Innovación Industrial, creada en 1993 por la Universidad Politécnica de Madrid en colaboración con el Ministerio de Industria y Energía (actual Ministerio de Industria, Energía y Turismo – MINETUR), a través del CEMIM (Centro de Modelado en Ingeniería Mecánica) ha realizado diversos estudios experimentales y numéricos en convoyes de Metro, trenes regionales y trenes de alta velocidad sobre este tipo de fenómenos.

Autor: Raúl Parra, profesor del Máster en Construcción, Mantenimiento y Explotación de Metros, Tranvías y Ferrocarriles Urbanos y del Máster en Infraestructuras Ferroviarias