Efecto pistón
Este artículo necesita citas adicionales para su verificación . ( marzo de 2009 ) |
El efecto pistón se refiere al flujo de aire forzado dentro de un túnel o pozo causado por vehículos en movimiento. [1] Es uno de los numerosos fenómenos que los ingenieros y diseñadores deben considerar al desarrollar una variedad de estructuras.
Causa
Al aire libre, cuando un vehículo se desplaza, el aire empujado a un lado puede moverse en cualquier dirección excepto hacia el suelo. Dentro de un túnel, el aire está confinado por las paredes del túnel para moverse a lo largo del mismo. Detrás del vehículo en movimiento, a medida que el aire ha sido empujado hacia afuera, se crea succión y el aire es atraído para fluir hacia el túnel. Además, debido a la viscosidad del fluido , la superficie del vehículo arrastra el aire para que fluya con el vehículo, una fuerza que el vehículo experimenta como arrastre superficial . Este movimiento de aire por el vehículo es análogo al funcionamiento de un pistón mecánico como el interior de una bomba de gas de compresor alternativo , de ahí el nombre de "efecto pistón". El efecto también es similar a las fluctuaciones de presión dentro de las tuberías de drenaje a medida que las aguas residuales empujan el aire frente a ellas.
El efecto pistón es muy pronunciado en los túneles ferroviarios, porque el área de la sección transversal de los trenes es grande y en muchos casos llena casi por completo la sección transversal del túnel . El viento que sienten los pasajeros en los andenes de los trenes subterráneos (que no tienen puertas de andén instaladas) cuando se aproxima un tren es un flujo de aire del efecto pistón. El efecto es menos pronunciado en los túneles para vehículos de carretera, ya que el área de la sección transversal del vehículo es pequeña en comparación con el área de la sección transversal total del túnel. Los túneles de vía única experimentan el efecto máximo, pero la distancia entre el material rodante y el túnel, así como la forma de la parte delantera del tren, afectan a su resistencia. [3]
El flujo de aire provocado por el efecto pistón puede ejercer grandes fuerzas sobre las instalaciones dentro del túnel, por lo que estas deben diseñarse con cuidado e instalarse correctamente. A veces se necesitan compuertas antirretorno para evitar que los ventiladores se atasquen debido a este flujo de aire. [3]
Aplicaciones
Los diseñadores de edificios deben tener en cuenta el efecto pistón en relación con el movimiento del humo en el hueco de un ascensor . [4] Una cabina de ascensor en movimiento expulsa el aire que se encuentra delante de ella y lo introduce en el hueco que se encuentra detrás de ella. El efecto es más evidente en los sistemas de ascensores con una cabina que se mueve rápidamente en un solo hueco. Esto significa que, en caso de incendio, un ascensor en movimiento puede empujar el humo hacia los pisos inferiores. [4]
El efecto pistón se utiliza en la ventilación de túneles. En los túneles ferroviarios, el tren expulsa el aire que tiene delante hacia el conducto de ventilación más próximo que se encuentra delante y aspira aire hacia el túnel desde el conducto de ventilación más próximo que se encuentra detrás. El efecto pistón también puede ayudar a la ventilación en túneles para vehículos de carretera.
En los sistemas de transporte rápido subterráneo, el efecto pistón contribuye a la ventilación y, en algunos casos, proporciona suficiente movimiento de aire para que la ventilación mecánica sea innecesaria. En estaciones más anchas con múltiples vías, la calidad del aire sigue siendo la misma e incluso puede mejorar cuando se desactiva la ventilación mecánica. Sin embargo, en plataformas estrechas con un solo túnel, la calidad del aire empeora cuando se depende únicamente del efecto pistón para la ventilación. Esto aún permite un potencial ahorro de energía al aprovechar el efecto pistón en lugar de la ventilación mecánica cuando sea posible. [5]
El auge del túnel
El estruendo de túnel es un estruendo fuerte que a veces generan los trenes de alta velocidad cuando salen de los túneles. Estas ondas de choque pueden molestar a los residentes cercanos y dañar los trenes y las estructuras cercanas. Las personas perciben este sonido de manera similar al estruendo sónico de un avión supersónico. Sin embargo, a diferencia del estruendo sónico, el estruendo de túnel no es causado por trenes que superan la velocidad del sonido. En cambio, el estruendo de túnel es el resultado de la estructura del túnel que impide que el aire alrededor del tren escape en todas las direcciones. Cuando un tren pasa por un túnel, crea ondas de compresión frente a él. Estas ondas se fusionan en una onda de choque que genera un estruendo fuerte cuando llega a la salida del túnel. [6] [7] La fuerza de esta onda es proporcional al cubo de la velocidad del tren, por lo que el efecto es mucho más pronunciado con trenes más rápidos. [7]
El ruido de los túneles puede molestar a los residentes cerca de las bocas de los túneles, y se ve exacerbado en los valles montañosos donde el sonido resuena. Reducir estas perturbaciones es un desafío significativo para las líneas de alta velocidad como el Shinkansen de Japón, el TGV de Francia y el AVE de España . El ruido de los túneles se ha convertido en una limitación principal para aumentar la velocidad de los trenes en Japón, donde el terreno montañoso requiere túneles frecuentes. Japón ha promulgado una ley que limita el ruido a 70 dB en áreas residenciales, [8] que incluyen muchas zonas de salida de túneles.
Los métodos para reducir el ruido del túnel incluyen hacer que el perfil del tren sea altamente aerodinámico , agregar capotas a las entradas del túnel, [9] instalar paredes perforadas en las salidas del túnel, [6] y perforar orificios de ventilación en el túnel [7] (similar a colocar un silenciador en un arma de fuego, pero a una escala mucho mayor). El proyecto HS2 en el Reino Unido ha desarrollado capotas de túnel de "portal poroso" para mitigar el ruido del túnel para los residentes, así como minimizar la incomodidad auditiva para los pasajeros que podría surgir de los cambios de presión del aire en el tren. [10] [11] [12]
Molestias en el oído
Los pasajeros y la tripulación pueden experimentar molestias en los oídos cuando un tren entra en un túnel debido a los rápidos cambios de presión. [13]
Véase también
Notas al pie
- ^ "JR-East (East Japan Railway Company)". Archivado desde el original el 17 de febrero de 2012.
- ^ Hitachi Brasil Ltd. (16 de agosto de 2011). "Innovación y tecnología avanzada - Tren de alta velocidad - Hitachi Brasil Ltda". www.slideshare.net . Diapositiva 7.
- ^ ab Bonnett, Clifford F. (2005). Ingeniería ferroviaria práctica. Imperial College Press . págs. 174-175. ISBN 978-1860945151. Recuperado el 20 de enero de 2016 .
- ^ ab Klote, John H.; George Tamura (13 de junio de 1986). "El efecto del pistón del ascensor y el problema del humo" (PDF) . Fire Safety Journal . 11 (2): 227–233. Bibcode :1986FirSJ..11..227K. doi :10.1016/0379-7112(86)90065-2. S2CID 109519137 . Consultado el 20 de enero de 2016 .
- ^ Moreno, T.; Pérez, N.; Reche, C.; Martins, V.; de Miguel, E.; Capdevila, M.; Centelles, S.; Minguillón, MC; Amato, F.; Alastuey, A.; Querol, X.; Gibbons, W. (24 de abril de 2014). "Calidad del aire en andenes de metro: evaluación de las influencias de la ventilación del túnel, el efecto pistón del tren y el diseño de la estación". Atmospheric Environment . 92 (agosto de 2014): 461–468. Bibcode :2014AtmEn..92..461M. doi : 10.1016/j.atmosenv.2014.04.043 . hdl : 10261/218102 .
- ^ ab Takayama, K.; Sasoh, A.; Onodera, O.; Kaneko, R.; Matsui, Y. (1995-10-01). "Investigación experimental sobre el estampido sónico en túnel". Shock Waves . 5 (3): 127–138. Bibcode :1995ShWav...5..127T. doi :10.1007/BF01435520. S2CID 122885346.
- ^ abc Auvity, B.; Bellenoue, M.; Kageyama, T. (febrero de 2001). "Estudio experimental del campo aerodinámico inestable fuera de un túnel durante la entrada de un tren". Experimentos en fluidos . 30 (2): 221–228. Bibcode :2001ExFl...30..221A. doi :10.1007/s003480000159. S2CID 120337373.
- ^ "新幹線鉄道騒音に係る環境基準について（昭和50年環境庁告示） La regulación ambiental de la contaminación acústica del Shinkansen (1975, Agencia Ambiental) (japonés)". Env.go.jp. Consultado el 1 de octubre de 2012 .
- ^ Ishikawa, Satoshi; Nakade, Kazuhiro; Yaginuma, Ken-ichi; Watanabe, Yasuo; Masuda, Toru (2010). "Desarrollo de nuevas cubiertas de entrada a túneles". JR East Technical Review . 16 (primavera): 56–59 . Consultado el 4 de enero de 2016 .
- ^ "Diseño aerodinámico de los túneles HS2". HS2 Learning Legacy . 24 de febrero de 2021. Archivado desde el original el 25 de enero de 2022. Consultado el 27 de junio de 2024 .
- ^ "Pozos y portales de túneles HS2" (PDF) . HS2.org.uk . Junio de 2019. Archivado (PDF) del original el 4 de agosto de 2021 . Consultado el 27 de junio de 2024 .
- ^ Grant Prior. «HS2 revela un diseño de portal de túnel con «cancelación de ruido»». Construction Enquirer . Archivado desde el original el 24 de marzo de 2022. Consultado el 27 de junio de 2024 .
- ^ Xie, Pengpeng; Peng, Yong; Wang, Tiantian; Zhang, Honghao (abril de 2019). "Riesgos de molestias auditivas de pasajeros y conductores mientras los trenes pasan por túneles a alta velocidad: una simulación numérica y un estudio experimental". Revista internacional de investigación ambiental y salud pública . 16 (7): 1283. doi : 10.3390/ijerph16071283 . ISSN 1661-7827. PMC 6480231 . PMID 30974822.
Referencias
- Bonnett, Clifford F. (2005). Ingeniería ferroviaria práctica (2.ª ed.). Londres, Reino Unido: Imperial College Press . ISBN 978-1-86094-515-1.OCLC 443641662 .
- Pistón
Enlaces externos
- Simulación del efecto pistón en YouTube
- Boom del túnel por el paso del tren AVE en Buñol, España
- Potenciación del efecto pistón en túneles ferroviarios subterráneos
- Simulación del efecto pistón con Ansys CFX
