El movimiento de un tren en el interior de un túnel se puede comparar, de forma simple, a un pistón en un cilindro. Se produce una presión aumentada (o sobre presión) delante y una reducida (o depresión) en la parte posterior, con el resultado de un movimiento del aire de delante hacia atrás, a través del anillo que queda entre el tren y el túnel. De una forma más detallada podemos decir que: cuando la cabeza de un tren entra en un túnel, el aire que se encuentra a la entrada es comprimido creando una onda de presión que se propaga a lo largo del mismo a la velocidad del sonido (~340 m/s). Esta onda, al llegar a la boca de salida del túnel, se refleja como onda de depresión en dirección contraria, volviendo hacia la boca de entrada.
A medida que el tren entra en el túnel, tiene lugar un aumento progresivo de la presión delante del tren, que alcanzará su nivel máximo, en los túneles largos, cuando se produzca la entrada de la cola del tren.
Por otra parte, cuando la cola entra en el túnel, se produce una caída de presión (onda de depresión) que también se propaga hacia la cabeza del tren a la velocidad del sonido, y rebotando en la boca de salida. (véase figuras 2.1. y 2.3). Este fenómeno se repite hasta que las ondas son amortiguadas totalmente.
Figuras 2.1. y 2.2. Visualización del proceso de variación de presiones en el interior de un túnel Fuente: [22]
Figura 2.4. Depresión producida por el efecto venturi. Fuente: [44]
Figura 2.3. Registro de presión a la altura del morro de la locomotora de cabeza. Fuente: [44]
Dicho de otro modo, la mayor parte del aire se escapa entre el tren y las paredes del túnel bajo la acción del gradiente de presión que se genera. La máxima presión alcanzada dependerá de diversos factores relacionados con el tren y el túnel.
Los principales factores relacionados con el tren son:
- Velocidad: Cuanto mayor es ésta, mayor es la fuerza del flujo de aire.
- Sección transversal: Cuanto mayor es ésta, mayor es el bloqueo que el tren ejerce en el túnel. Para tener en cuenta este aspecto, se define el Coeficiente de Bloqueo (
α
) como el cociente entre la sección transversal del tren y la sección transversal útil del túnel, entendiendo esta última como la que queda para la circulación de los convoyes y las instalaciones. Cuanto menor es (α
), mayor es el espacio entre el tren y las paredes del túnel, y menor es el incremento de presión que se produce en el interior del mismo. - Forma de la cabeza y superficie transversal del tren: Con el fin de reducir la resistenciaal avance se buscan formas de vehículos favorables desde un punto de vista aerodinámico.
- Longitud y rugosidad de la superficie del tren: Cuanto mayor es la longitud del tren y la rugosidad de su superficie, mayor es la resistencia al avance y la potencia necesaria para mantener la velocidad en el interior del túnel.
La mínima presión alcanzada en la fase expansiva depende de la brusquedad de introducción en el túnel de la locomotora de cola. Si la longitud del tren es tal, que esta onda de depresión alcanza al tren en el momento en que llega a él también la caída de presión provocada por la entrada de la cola en el túnel, los dos valores de depresión se suman, provocando el efecto máximo. La primera onda (primaria o fundamental) es sin embargo mucho más importante que la segunda.
Los principales factores relacionados con el túnel son:
- Sección transversal: Cuanto mayor es la sección del túnel menor es (
α
) y mejores las condiciones aerodinámicas que se dan. En túneles de sección normal o reducida, particularmente a altas velocidades, los incrementos de presión afectan a los viajeros, y las altas velocidades del flujo de aire pueden ser peligrosas para los trabajadores del túnel.- Longitud: En un túnel largo, una vez que el tren ha entrado por completo, se produce una variación estacionaria, o mejor dicho cuasi-estacionaria, del flujo de aire y de las presiones a través del túnel. En túneles cortos los flujos pueden no ser estacionarios a todo lo largo. La progresión hacia un régimen cuasi-estacionario en túneles largos proviene de la tendencia de las fluctuaciones de presión y velocidad a resultar atenuadas por el rozamiento. En túneles nuevos de alta velocidad cuya longitud supere los 10 km, la resistencia en su interior alcanza valores próximos al doble de los encontrados en el exterior.
- Discontinuidad en la sección del túnel: Este hecho da lugar a flujos no estacionarios. - Rugosidad de las paredes: Limita el movimiento del flujo de aire en las paredes del
túnel, aumentando sustancialmente el arrastre aerodinámico del tren comparado con el que se produce a cielo abierto. Puede constituir más del 90 % de la resistencia total. Hay que decir también que los parámetros relacionados con la explotación como: Velocidad del tren y, en el caso de cruces con otros trenes, velocidades de otros trenes y desfase entre la entrada de cada uno de ellos, y las condiciones del aire: densidad, humedad, etc. también afectaran a los fenómenos aerodinámicos.