Captação de partículas finas numa estação de metro
Em poucas palavras
A EOLIOS realizou um estudo CFD numa estação de metro de Paris para avaliar a eficácia dos sensores de partículas finas instalados nas plataformas.
Captação de partículas finas numa estação de metro
Ano
2023
Cliente
SNCF - TRAPAPART
Localização
França/Paris
Tipologia
Ar e Vento
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Melhorar a qualidade do ar nas zonas subterrâneas de passageiros
O perigo da má qualidade do ar nos espaços ferroviários subterrâneos (estações de Metro / RER)
Desde o início da década de 2000, as medições da qualidade do ar têm demonstrado que, em média, as concentrações de partículas em suspensão nas zonas ferroviárias em França são três vezes superiores às do ar exterior urbano. A concentração de partículas medida no ar é frequentemente expressa como PM10 e PM2,5.
Estas partículas penetram no sistema respiratório e as mais finas depositam-se diretamente nos alvéolos dos pulmões. Além disso, a composição das partículas finas observadas no ambiente ferroviário é muito diferente da do ar exterior, com concentrações elevadas de elementos metálicos, nomeadamente ferro, bem como de carbono elementar e orgânico. Especificamente para a atividade ferroviária subterrânea, esta poluição é causada pelo desgaste dos materiais devido à travagem dos comboios, à fricção entre as rodas e os carris e à ressuspensão de poeiras devido aos movimentos dos comboios.
Os dados epidemiológicos e toxicológicos sugerem a possibilidade de impactos cardiorrespiratórios graves, dadas as consequências biológicas observadas em termos de inflamação, stress oxidativo e atividade cardiovascular nos trabalhadores responsáveis pela manutenção deste tipo de infra-estruturas. Perante estas constatações, a ANSES confirma a necessidade de reduzir a poluição por partículas finas nas zonas ferroviárias subterrâneas e, por conseguinte, de prosseguir acções nesse sentido, como o estudo e a melhoria da ventilação nesses ambientes.
Estudo sobre a poluição nos transportes públicos: foco nas partículas geradas pelas operações ferroviárias
A qualidade do ar é atualmente uma grande preocupação para a nossa saúde à escala mundial. Os transportes públicos são frequentemente apresentados como uma alternativa mais ecológica, uma vez que reduzem as emissões poluentes por quilómetro percorrido. No entanto, não estão totalmente isentos de poluição. O desgaste dos componentes utilizados nas operações ferroviárias, tais como rodas, carris, balastro, pantógrafos, sistemas de catenária e travões, gera partículas poluentes.
Estas partículas tendem a acumular-se mais nas caixas de carris subterrâneas devido ao efeito de confinamento. Infelizmente, os estudos sobre o impacto desta poluição são ainda raros. É por isso que a Trapapart lançou uma investigação sobre este assunto.
O problema das partículas finas em espaços confinados como as estações de metro
Níveis de poluição em espaços ferroviários subterrâneos: o efeito de confinamento e a acumulação de poluentes
Os níveis de poluição nos espaços ferroviários subterrâneos são causados principalmente pelo seu confinamento, que limita a renovação do ar necessária para eliminar os poluentes emitidos pelos comboios em funcionamento. Consequentemente, as estações mais antigas são mais susceptíveis de acumular partículas de poluição no interior.
O impacto da poluição atmosférica exterior sobre a das estações de metro não está claramente definido; depende em grande medida das características arquitectónicas específicas de cada sistema de transporte subterrâneo. Factores como o tipo de ventilação (natural, forçada, ar condicionado), a profundidade da estação (as estações mais profundas são menos sensíveis a variações na qualidade do ar exterior) e o número de entradas desempenham um papel fundamental.
As variações sazonais do clima também parecem influenciar os níveis de poluição nas docas. É importante notar que os materiais utilizados na construção das estações, das infra-estruturas ferroviárias e do material circulante, sujeitos ao desgaste e à abrasão, podem contribuir para a variabilidade das partículas poluentes.
Estudo de sistemas passivos de captura de partículas finas
Investigação sobre o impacto da poluição nos transportes públicos: a iniciativa Trapapart
Armadilhas TrapAparT As armadilhas reduzem a exposição das pessoas a partículas finas nocivas, equipando áreas específicas, como grandes vias urbanas e estações de metro, com níveis de poluição muito acima dos limiares recomendados pela OMS para locais com elevada concentração de pessoas.
Dispositivos TrapAparT: um meio patenteado para reter partículas finas em áreas urbanas com elevadas concentrações humanas
O coração do dispositivo é constituído porum meio de adsorção de partículas finas patenteado pela TrapAparTé capaz de reter partículas finas, colocando-as em contacto com o ar, utilizando apenas fluxos de ar naturais (vento e turbulência gerada pelos veículos). O suporte é regenerado através de uma simples lavagem com água, com uma frequência de cerca de um mês. A água de lavagem é recuperada e os poluentes que contém são eliminados.
O principal objetivo deste estudo, realizado pelos engenheiros da EOLIOS, é analisar as velocidades e as trajectórias do ar no interior da estação, a fim de determinar se os dispositivos instalados nas plataformas são eficazes na captação das partículas finas presentes na atmosfera. Este projeto reveste-se de grande importância, uma vez que visa controlar os fenómenos aeraúlicos específicos que ocorrem na plataforma da estação. Para tal, o estudo centrar-se-á na aplicação da modelização CFD para explorar em pormenor os princípios aeroeléctricos inerentes ao fluxo de ar gerado pela passagem de comboios subterrâneos.
Auditoria no local: medição da velocidade do ar e das partículas finas numa estação de metro
Auditoria dos movimentos do ar e da concentração de partículas finas quando os comboios do metro chegam à estação
O objetivo da auditoria é efetuar uma série de medições para estudar os movimentos aéreos associados à chegada dos metros à estação. Ao mesmo tempo, visa avaliar a concentração de partículas finas no ar. Estes inquéritos serão efectuados exclusivamente nas plataformas e na área técnica da plataforma.
Análise das velocidades do fluxo de ar nas estações de metro: estudo do efeito da passagem dos comboios no fluxo de ar
Os engenheiros do EOLIOS observaram que as velocidades das correntes de ar variam em função da direção do comboio, com amplitudes máximas mais baixas quando o comboio circula na plataforma oposta. Estas velocidades são influenciadas por factores como o tempo de travagem e a potência do comboio. Além disso, a redução da velocidade do ar à passagem do comboio depende do sentido em que o comboio se desloca (chegada ou partida da plataforma) e da duração da passagem. Note-se que as medições, efectuadas junto à plataforma na zona de intervenção, levaram a uma desaceleração significativa dos comboios por razões de segurança, resultando em diferenças em relação às condições normais de tráfego.
Simulação CFD dos efeitos do movimento do ar nos comboios que entram numa estação de metro
Modelação CFD da estação de metro e dos comboios
A Dinâmica de Fluidos Computacional (CFD) é um método numérico utilizado para estudar os fluxos de fluidos em determinados ambientes. Permite resolver numericamente as equações complexas que regem estes fluxos, uma vez que não podem ser resolvidas analiticamente. Aplicando o CFD a edifícios, podemos obter as seguintes informações sobre as velocidades, pressões e temperaturas do ar dentro e à volta dos espaços de construção. Isto ajuda os projectistas a otimizar a ventilação e o ar condicionado, tendo em conta factores como a estrutura do edifício, os ganhos de calor internos e os sistemas de ar condicionado, para garantir um conforto ótimo.
Para resolver as equações diferenciais parciais, é necessário definir as condições de fronteira para o cálculo. Estes são estabelecidos com base em medições no local e em informações fornecidas pelo gestor do projeto. As condições de fronteira determinam, em particular, o tipo de paredes, os fluxos (entrada ou saída unidirecional), os parâmetros de velocidade, caudal ou pressão estática média, bem como os coeficientes de superfície, se necessário para simular a transferência de calor.
A malha do modelo, composta por cerca de 10 milhões de elementos de fluido estruturados ortogonais com refinamento em áreas-chave, é essencial para a precisão do estudo, mas pode levar a longos tempos de cálculo.
O modelo 3D da estação foi criado com base nos planos fornecidos e mostra a geometria simplificada do local e da sua envolvente. Para garantir a exatidão das medições, os túneis de ambos os lados da estação foram incluídos na modelação com um comprimento suficiente para evitar qualquer influência das condições de fronteira do modelo.
Além disso, a fim de estudar o impacto da passagem do metro na termoaerodinâmica da estação, foi criado um modelo 3D específico do comboio do metro. Esta abordagem permite explorar em profundidade as interacções entre o comboio e o ambiente da estação, contribuindo assim para uma melhor compreensão dos fenómenos térmicos e aeráulicos neste espaço.
Estudo CFD dos movimentos do ar na estação de metro
A passagem do comboio gera perturbações duradouras no seu rasto. Estas perturbações mostram que a velocidade do ar segue uma trajetória tangente aos meios, o que pode ser vantajoso dadas as suas características.
Em movimento, o trem de aterragem induz um arrastamento na retaguarda. Quando um comboio se desloca, cria uma zona de sobrepressão na frente e uma zona de pressão reduzida na retaguarda. Isto faz com que o ar flua dos lados do comboio para a retaguarda para compensar a pressão negativa, aumentando a velocidade do ar na retaguarda em comparação com o ar estático.
Os planos de pressão ilustram a propagação da onda de pressão provocada pela aproximação do comboio. O fluxo inicial é da esquerda para a direita, mas inverte-se quando o comboio entra na estação, sobretudo na cabeça do comboio. A diferença de pressão na cabeça do comboio provoca um fluxo de ar através do meio, embora este delta de pressão seja de curta duração.
Modelação CFD das velocidades do ar para um comboio que entra numa estação
A vorticidade é um campo pseudo-vetorial que descreve o movimento rotacional local de um meio. Permite-nos identificar visualmente as zonas de turbulência intensa. Os diagramas de vorticidade mostram que as regiões próximas dos meios sofrem perturbações, sobretudo após a passagem do comboio.
Modelação CFD dos efeitos de vorticidade para um comboio que entra numa estação
Estudos complementares permitiram definir com precisão os níveis de desempenho dos sistemas de captação. Soluções de otimização, tais como o desenvolvimento de deflectores melhorou a captura de partículas finas.
A EOLIOS está, assim, apta a trabalhar em casos de libertação de partículas finas e a apoiar os fabricantes na otimização das suas instalações e na conceção de protótipos.
Modelação CFD dos efeitos de vorticidade na zona de captação
Estudos complementares permitiram definir com precisão os níveis de desempenho dos sistemas de captação. Soluções de otimização, tais como o desenvolvimento de deflectores melhorou a captura de partículas finas.
A EOLIOS está, assim, apta a trabalhar em casos de libertação de partículas finas e a apoiar os fabricantes na otimização das suas instalações e na conceção de protótipos.
Novos trabalhos sobre a dispersão de partículas finas em estações de metro:
- Para mais informações sobre este assunto, recomendamos a leitura da tese “Dispersion des particules issues du freinage des trains en stations souterraines” de Antoine Durand.
Resumo em vídeo do estudo
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