Estudo CFD da qualidade do ar e da captação de partículas finas numa estação de metro subterrânea: efeito de pistão das composições, dispersão e dispositivos de captação.
A EOLIOS realizou um estudo CFD numa estação de metro em Paris a fim de avaliar a eficácia de captadores de partículas finas instalados nas plataformas. Conduzido para a SNCF e a TrapAparT, o estudo analisa as velocidades e as trajetórias do ar no interior da estação para determinar se os dispositivos instalados conseguem captar eficazmente as partículas finas presentes na atmosfera.
O essencial. Estudo CFD para a SNCF e a TrapAparT numa estação de metro parisiense: verificar se captadores passivos com meio adsorvente patenteado captam eficazmente as partículas finas (PM10 / PM2,5, em média ×3 mais concentradas do que ao ar livre) mobilizadas pelo efeito de pistão das composições. Uma auditoria no local, seguida de um modelo CFD de cerca de 10 milhões de malhas (estação + comboio), restitui velocidades, ondas de pressão e vorticidade na esteira; defletores otimizam de seguida a captação.
Desde o início dos anos 2000, as medições de qualidade do ar mostraram que, em média, as concentrações de partículas em suspensão nas zonas ferroviárias em França são três vezes mais elevadas do que no ar exterior urbano. A concentração de partículas medida no ar é frequentemente expressa em PM10 e PM2,5.
Partículas em suspensão com diâmetro inferior a 10 µm (PM10) e 2,5 µm (PM2,5). As mais finas penetram no aparelho respiratório até aos alvéolos pulmonares, daí a sua nocividade.
Estas partículas penetram no aparelho respiratório, e as mais finas depositam-se diretamente nos alvéolos pulmonares. A composição das partículas observadas em meio ferroviário difere nitidamente da do ar exterior, com fortes concentrações de elementos metálicos, nomeadamente o ferro, bem como de carbono elementar e orgânico. Específica da atividade ferroviária subterrânea, esta poluição é causada pelo desgaste dos materiais ligado à travagem dos comboios, pelo atrito entre as rodas e os carris, e pela ressuspensão das poeiras devida ao deslocamento das composições.
Os dados epidemiológicos e toxicológicos sugerem possíveis impactos cardiorrespiratórios graves, tendo em conta as consequências biológicas observadas em termos de inflamações, de stress oxidativo e de atividade cardiovascular no pessoal encarregado da manutenção destas infraestruturas. Face a estas observações, a ANSES confirma a necessidade de reduzir a poluição por partículas finas nas zonas ferroviárias subterrâneas, e portanto de prosseguir o estudo e a melhoria da ventilação nestes meios.
Desafio de saúde. A ANSES documentou impactos cardiorrespiratórios (inflamações, stress oxidativo) no pessoal de manutenção exposto em meio ferroviário subterrâneo. Reduzir as partículas finas nas plataformas é, antes de mais, um objetivo sanitário.
A qualidade do ar é hoje uma preocupação maior para a nossa saúde à escala mundial. Os transportes públicos são frequentemente apresentados como uma alternativa mais ecológica, pois reduzem as emissões de poluentes por quilómetro percorrido. Não estão, porém, totalmente isentos de poluição: o desgaste dos componentes da exploração ferroviária, rodas, carris, balastro, pantógrafo, catenária, travões, gera partículas poluentes.
Estas partículas tendem a acumular-se mais nos recintos ferroviários subterrâneos devido ao efeito de confinamento. Os estudos sobre o impacto desta poluição continuam a ser raros; é por isso que a TrapAparT lançou trabalhos de investigação sobre este tema.
Os níveis de poluição nos espaços ferroviários subterrâneos são principalmente causados pelo seu confinamento, que limita a renovação do ar necessária para eliminar os poluentes emitidos pelos comboios em exploração. As estações mais antigas são assim mais suscetíveis de acumular partículas de poluição no seu interior.
O impacto da poluição do ar exterior sobre a das estações subterrâneas não está claramente definido; depende em grande parte das características arquitetónicas próprias de cada sistema de transporte subterrâneo. Fatores como o tipo de ventilação (natural, forçada, ar condicionado), a profundidade da estação, sendo as estações mais profundas menos sensíveis às variações da qualidade do ar exterior, e o número de acessos desempenham um papel essencial.
As variações sazonais da meteorologia parecem igualmente influenciar os níveis de poluição nas plataformas. Os materiais utilizados na construção das estações, das infraestruturas ferroviárias e do material circulante, sujeitos ao desgaste e à abrasão, podem também contribuir para a variabilidade das partículas poluentes.
As armadilhas TrapAparT permitem reduzir a exposição das populações às partículas finas nocivas, equipando zonas específicas, grandes eixos urbanos e estações ferroviárias subterrâneas (metro), que apresentam níveis de poluição muito superiores aos limiares recomendados pela OMS em locais de forte concentração humana.
O coração do dispositivo é constituído por um meio adsorvente patenteado pela TrapAparT, capaz de reter as partículas finas por simples contacto, graças apenas aos fluxos naturais do ar (vento e turbulências geradas pelos veículos). O meio é regenerado por uma simples lavagem com água, com uma frequência da ordem do mês; a água de lavagem é recuperada e os poluentes que contém são eliminados.
O objetivo principal do estudo conduzido pelos engenheiros da EOLIOS é analisar as velocidades e as trajetórias do ar no interior da estação, a fim de determinar se os dispositivos instalados nas plataformas conseguem captar eficazmente as partículas finas presentes na atmosfera. O projeto visa dominar os fenómenos aeráulicos específicos que se produzem na plataforma, apoiando-se na modelação CFD para explorar em detalhe o escoamento de ar gerado pela passagem dos metros.
A auditoria consiste em conduzir uma série de medições para estudar os movimentos de ar associados à chegada dos metros à estação, avaliando ao mesmo tempo a concentração de partículas finas no ar. Estas medições são realizadas exclusivamente nas plataformas e na zona técnica da plataforma.
Ao entrar no túnel, uma composição empurra o ar à sua frente (sobrepressão) e aspira-o atrás (depressão), gerando nas plataformas fortes correntes de ar que voltam a pôr em suspensão e deslocam as partículas finas.
Os engenheiros da EOLIOS observaram que as velocidades da corrente de ar variam consoante a direção do comboio, com amplitudes máximas mais fracas quando o comboio circula na plataforma oposta. Estas velocidades são influenciadas por fatores como o tempo de travagem e a potência do comboio. A redução da velocidade do ar durante a passagem depende ainda da direção do deslocamento (chegada ou partida da plataforma) e da duração da passagem. De notar que as medições, efetuadas junto à plataforma na zona de intervenção, exigiram abrandamentos significativos dos comboios por razões de segurança, provocando desvios face às condições habituais de circulação.
A Mecânica dos Fluidos Computacional (MFC), ou Computational Fluid Dynamics (CFD), é um método numérico utilizado para estudar os escoamentos de fluidos num dado ambiente. Resolve numericamente equações complexas que regem estes escoamentos e que não podem ser resolvidas analiticamente. Aplicada aos edifícios, fornece informações cruciais sobre as velocidades do ar, as pressões e as temperaturas no interior e em torno dos espaços construídos, e ajuda os projetistas a otimizar a ventilação e a climatização.
Para resolver estas equações às derivadas parciais, é preciso definir as condições de fronteira do cálculo. Estas são estabelecidas a partir das medições no local e das informações fornecidas pela direção de obra: tipo de paredes, fluxo (entrada ou saída unidirecional), parâmetros de velocidade, caudal ou pressão estática média, e coeficientes de superfície quando devem ser simuladas transferências de calor.
A malha do modelo, composta por cerca de 10 milhões de elementos fluidos estruturados ortogonais com um refinamento nas zonas-chave, é essencial para a precisão do estudo, mas pode implicar longos tempos de cálculo.
O modelo 3D da estação foi elaborado a partir das plantas fornecidas; retoma a geometria simplificada do local e do seu ambiente. Para garantir a precisão dos resultados, 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.
A fim de estudar o impacto da passagem do metro na termoaeráulica da estação, foi também criado um modelo 3D específico do comboio. Esta abordagem permite explorar em profundidade as interações entre o comboio e o ambiente da estação, para uma melhor compreensão dos fenómenos térmicos e aeráulicos deste espaço.
A passagem do comboio gera perturbações duradouras na sua esteira. Estas perturbações mostram que a velocidade do ar segue uma trajetória tangente aos meios, o que pode ser vantajoso tendo em conta as suas características.
Em movimento, o comboio induz uma resistência aerodinâmica atrás de si: gera uma zona de sobrepressão à frente e uma zona de depressão atrás. Um fluxo de ar estabelece-se então desde os lados do comboio para trás para compensar a depressão, aumentando a velocidade do ar na traseira em relação ao ar estático.
Os planos de pressão ilustram a propagação da onda de pressão devida à aproximação do comboio. O escoamento inicial faz-se da esquerda para a direita, invertendo-se depois assim que o comboio está na estação, em particular na cabeça do comboio. Esta diferença de pressão gera um fluxo de ar através dos meios, ainda que este diferencial de pressão seja de curta duração.
A vorticidade é um campo de pseudovetores que descreve o movimento de rotação local de um meio. Permite identificar visualmente as zonas onde a turbulência é intensa. Os esquemas de vorticidade revelam que as regiões próximas dos meios sofrem perturbações, em particular após a passagem do comboio.
Campo de pseudovetores que descreve o movimento de rotação local do ar. Torna visíveis as zonas de turbulência intensa, aqui as que governam o contacto das partículas com o meio captador.
Estudos complementares permitiram definir com precisão os níveis de desempenho dos sistemas de captação. Soluções de otimização, como o desenvolvimento de defletores, permitiram melhorar os desempenhos de captação das partículas finas.
A EOLIOS é assim capaz de tratar casos de libertação de partículas finas e de acompanhar os industriais na otimização das suas instalações e no dimensionamento de protótipos.
Para aprofundar o tema, recomendamos a leitura da tese « Dispersion des particules issues du freinage des trains en stations souterraines », de Antoine Durand.
Saber-fazer: o estudo da qualidade do ar nas estações de metroPoluição das plataformas, efeito de pistão das composições e captação passiva das partículas finas.
Em zona ferroviária subterrânea, as partículas em suspensão estão em média três vezes mais concentradas do que ao ar livre: provêm do desgaste na travagem, do atrito rodas/carris e da ressuspensão pelas composições, e acumulam-se por efeito de confinamento. Veja o nosso dossiê qualidade do ar nas estações de metro.
Ao circular, o comboio empurra o ar à sua frente (sobrepressão) e aspira-o atrás (depressão). Estas correntes de ar, breves mas intensas, deslocam e voltam a pôr em suspensão as partículas finas nas plataformas.
Um meio adsorvente patenteado retém as partículas finas por simples contacto, graças apenas aos fluxos naturais do ar (vento, turbulências das composições). É regenerado por uma lavagem com água mensal, sendo a água recuperada e despoluída.
As velocidades de ar associadas à chegada das composições e a concentração de partículas finas, medidas nas plataformas e na zona técnica. Estes dados servem de condições de fronteira ao modelo CFD.
Restitui velocidades, ondas de pressão e vorticidade na esteira do comboio, e avalia se os captadores intercetam as partículas, chegando a testar defletores de otimização.
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