Studio CFD della qualità dell'aria e della cattura di particelle fini in una stazione sotterranea della metropolitana : effetto pistone dei treni, dispersione e dispositivi di cattura.
EOLIOS ha realizzato uno studio CFD in una stazione della metropolitana a Parigi per valutare l'efficacia di sensori di particelle fini installati sulle banchine. Condotto per SNCF e TrapAparT, lo studio analizza le velocità e le traiettorie dell'aria all'interno della stazione per determinare se i dispositivi installati riescano a catturare efficacemente le particelle fini presenti nell'atmosfera.
L'essenziale — Studio CFD per SNCF e TrapAparT in una stazione della metropolitana di Parigi: verificare se sensori passivi con mezzo adsorbente brevettato catturino efficacemente le particelle fini (PM10 / PM2,5, in media ×3 più concentrate che all'aria aperta) messe in movimento dall'effetto pistone dei treni. Un audit in sito, poi un modello CFD di circa 10 milioni di celle (stazione + treno) restituiscono velocità, onde di pressione e vorticità nella scia; dei deflettori ottimizzano poi la cattura.
Dall'inizio degli anni 2000, le misurazioni della qualità dell'aria hanno mostrato che, in media, le concentrazioni di particelle in sospensione negli spazi ferroviari in Francia sono tre volte più elevate che nell'aria esterna urbana. La concentrazione di particelle misurata nell'aria è spesso espressa in PM10 e PM2,5.
Particelle in sospensione con diametro inferiore a 10 µm (PM10) e 2,5 µm (PM2,5). Le più fini penetrano nelle vie respiratorie fino agli alveoli polmonari, da cui la loro nocività.
Queste particelle penetrano nelle vie respiratorie e le più fini si depositano direttamente negli alveoli polmonari. La composizione delle particelle osservate in ambiente ferroviario differisce nettamente da quella dell'aria esterna, con elevate concentrazioni di elementi metallici — in particolare ferro — oltre a carbonio elementare e organico. Specifico dell'attività ferroviaria sotterranea, questo inquinamento è causato dall'usura dei materiali legata alla frenata dei treni, dall'attrito tra ruote e rotaie e dalla rimessa in sospensione delle polveri dovuta al passaggio dei convogli.
I dati epidemiologici e tossicologici suggeriscono possibili gravi impatti cardiorespiratori, viste le conseguenze biologiche osservate in termini di infiammazioni, stress ossidativo e attività cardiovascolare nel personale addetto alla manutenzione di queste infrastrutture. Alla luce di queste osservazioni, l'ANSES conferma la necessità di ridurre l'inquinamento da particelle fini negli spazi ferroviari sotterranei e quindi di proseguire lo studio e il miglioramento della ventilazione in questi ambienti.
Una questione di salute — l'ANSES ha documentato impatti cardiorespiratori (infiammazioni, stress ossidativo) sul personale di manutenzione esposto in ambiente ferroviario sotterraneo. Ridurre le particelle fini sulle banchine è anzitutto un obiettivo di salute pubblica.
La qualità dell'aria è oggi una preoccupazione importante per la nostra salute a livello mondiale. I trasporti pubblici sono spesso presentati come un'alternativa più ecologica, poiché riducono le emissioni di inquinanti per chilometro percorso. Non sono tuttavia del tutto esenti da inquinamento : l'usura dei componenti utilizzati nell'esercizio ferroviario — ruote, rotaie, ballast, pantografo, catenaria, freni — genera particelle inquinanti.
Queste particelle tendono ad accumularsi maggiormente negli ambienti ferroviari sotterranei a causa dell'effetto di confinamento. Gli studi sull'impatto di questo inquinamento restano rari ; per questo TrapAparT ha avviato lavori di ricerca sull'argomento.
I livelli di inquinamento negli spazi ferroviari sotterranei sono principalmente dovuti al loro confinamento, che limita il ricambio d'aria necessario a eliminare gli inquinanti emessi dai treni in esercizio. Le stazioni più vecchie sono quindi più soggette ad accumulare particelle inquinanti al loro interno.
L'impatto dell'inquinamento dell'aria esterna su quello delle stazioni sotterranee non è chiaramente definito ; dipende in gran parte dalle caratteristiche architettoniche proprie di ciascun sistema di trasporto sotterraneo. Fattori come il tipo di ventilazione (naturale, forzata, condizionata), la profondità della stazione — le stazioni più profonde sono meno sensibili alle variazioni della qualità dell'aria esterna — e il numero di accessi svolgono un ruolo essenziale.
Anche le variazioni stagionali del meteo sembrano influenzare i livelli di inquinamento sulle banchine. I materiali utilizzati nella costruzione delle stazioni, delle infrastrutture ferroviarie e del materiale rotabile, soggetti a usura e abrasione, possono anch'essi contribuire alla variabilità delle particelle inquinanti.
Le trappole TrapAparT permettono di ridurre l'esposizione della popolazione alle particelle fini nocive, equipaggiando aree mirate — grandi assi urbani e stazioni ferroviarie sotterranee (metropolitana) — che presentano livelli di inquinamento nettamente superiori alle soglie raccomandate dall'OMS in luoghi ad alta concentrazione umana.
Il cuore del dispositivo è un mezzo adsorbente le particelle fini brevettato da TrapAparT, in grado di intrappolare le particelle fini per semplice contatto, grazie ai soli flussi naturali dell'aria (vento e turbolenze generate dai veicoli). Il mezzo viene rigenerato con un semplice lavaggio ad acqua, con frequenza dell'ordine del mese ; l'acqua di lavaggio viene recuperata e gli inquinanti che contiene vengono eliminati.
L'obiettivo principale dello studio condotto dagli ingegneri EOLIOS è analizzare le velocità e le traiettorie dell'aria all'interno della stazione, per determinare se i dispositivi installati sulle banchine riescano a catturare efficacemente le particelle fini presenti nell'atmosfera. Il progetto mira a padroneggiare i fenomeni aeraulici specifici che si producono sulla banchina, basandosi sulla modellazione CFD per esplorare in dettaglio il flusso d'aria generato dal passaggio delle metropolitane.
L'audit consiste nel condurre una serie di misurazioni per studiare i movimenti d'aria associati all'arrivo delle metropolitane in stazione, valutando al contempo la concentrazione di particelle fini nell'aria. Questi rilievi sono effettuati esclusivamente sulle banchine e nella zona tecnica della banchina.
Entrando nel tunnel, un treno spinge l'aria davanti a sé (sovrappressione) e la aspira dietro di sé (depressione), generando sulle banchine forti correnti d'aria che rimettono in sospensione e spostano le particelle fini.
Gli ingegneri EOLIOS hanno osservato che le velocità della corrente d'aria variano in funzione della direzione del treno, con ampiezze massime più deboli quando il treno circola sulla banchina opposta. Queste velocità sono influenzate da fattori come il tempo di frenata e la potenza del treno. La riduzione della velocità dell'aria durante il passaggio dipende inoltre dalla direzione dello spostamento (arrivo o partenza dalla banchina) e dalla durata del passaggio. Da notare che le misurazioni, effettuate in prossimità della banchina nella zona di intervento, hanno richiesto rallentamenti significativi dei treni per motivi di sicurezza, provocando scostamenti rispetto alle condizioni abituali di circolazione.
La Meccanica dei Fluidi Numerica, o Computational Fluid Dynamics (CFD), è un metodo numerico utilizzato per studiare i flussi di fluidi in un dato ambiente. Risolve numericamente equazioni complesse che governano tali flussi e che non possono essere risolte analiticamente. Applicata agli edifici, fornisce informazioni cruciali su velocità dell'aria, pressioni e temperature all'interno e attorno agli spazi costruiti e aiuta i progettisti a ottimizzare la ventilazione e la climatizzazione.
Per risolvere queste equazioni alle derivate parziali occorre definire le condizioni al contorno del calcolo. Esse sono stabilite a partire dalle misurazioni in sito e dalle informazioni fornite dalla direzione lavori : tipo di pareti, flussi (ingresso o uscita unidirezionale), parametri di velocità, portata o pressione statica media, e coefficienti di superficie qualora debbano essere simulati scambi termici.
La mesh del modello, composta da circa 10 milioni di elementi fluidi strutturati ortogonali con raffinamento nelle zone chiave, è essenziale per la precisione dello studio, ma può comportare lunghi tempi di calcolo.
Il modello 3D della stazione è stato elaborato a partire dalle planimetrie fornite ; riprende la geometria semplificata del sito e del suo ambiente. Per garantire la precisione dei risultati, i tunnel su entrambi i lati della stazione sono stati inclusi nel modello con una lunghezza sufficiente a evitare qualsiasi influenza delle condizioni al contorno del modello.
Per studiare l'impatto del passaggio della metropolitana sulla termoaeraulica della stazione, è stato inoltre creato un modello 3D specifico del treno. Questo approccio permette di esplorare in profondità le interazioni tra il treno e l'ambiente della stazione, per una migliore comprensione dei fenomeni termici e aeraulici di questo spazio.
Il passaggio del treno genera perturbazioni durature nella sua scia. Queste perturbazioni mostrano che la velocità dell'aria segue una traiettoria tangente ai mezzi, il che può essere vantaggioso date le loro caratteristiche.
In movimento, il treno induce una resistenza posteriore : genera una zona di sovrappressione anteriore e una zona di depressione posteriore. Un flusso d'aria si stabilisce quindi dai lati del treno verso il retro per compensare la depressione, aumentando la velocità dell'aria posteriore rispetto all'aria statica.
I piani di pressione illustrano la propagazione dell'onda di pressione dovuta all'avvicinamento del treno. Il flusso iniziale va da sinistra a destra, poi si inverte una volta che il treno è in stazione, in particolare alla testa del treno. Questa differenza di pressione genera un flusso d'aria attraverso i mezzi, sebbene tale delta di pressione sia di breve durata.
La vorticità è un campo di pseudo-vettori che descrive il movimento di rotazione locale di un mezzo. Permette di identificare visivamente le zone in cui la turbolenza è intensa. Gli schemi di vorticità rivelano che le regioni vicine ai mezzi subiscono perturbazioni, in particolare dopo il passaggio del treno.
Campo di pseudo-vettori che descrive il movimento di rotazione locale dell'aria. Rende visibili le zone di turbolenza intensa — qui, quelle che governano il contatto tra le particelle e il mezzo di cattura.
Studi complementari hanno permesso di definire con precisione i livelli di prestazione dei sistemi di cattura. Soluzioni di ottimizzazione, come lo sviluppo di deflettori, hanno permesso di migliorare queste prestazioni di cattura delle particelle fini.
EOLIOS è così in grado di lavorare su casi di rilascio di particelle fini e di accompagnare le aziende nell'ottimizzazione dei loro impianti e nel dimensionamento di prototipi.
Per approfondire l'argomento, consigliamo la lettura della tesi «Dispersione delle particelle prodotte dalla frenata dei treni nelle stazioni sotterranee», di Antoine Durand.
Competenza : lo studio della qualità dell'aria nelle stazioni della metropolitanaInquinamento delle banchine, effetto pistone dei treni e cattura passiva delle particelle fini.
Nelle aree ferroviarie sotterranee le particelle in sospensione sono in media tre volte più concentrate che all'aria aperta: provengono dall'usura in frenata, dall'attrito ruota/rotaia e dalla rimessa in sospensione dovuta ai treni, e si accumulano per effetto di confinamento. Vedi il nostro dossier sulla qualità dell'aria nelle stazioni della metropolitana.
Muovendosi, il treno spinge l'aria davanti a sé (sovrappressione) e la aspira dietro (depressione). Queste correnti d'aria, brevi ma intense, spostano e rimettono in sospensione le particelle fini sulle banchine.
Un mezzo adsorbente brevettato intrappola le particelle fini per semplice contatto, grazie ai soli flussi naturali dell'aria (vento, turbolenze dei treni). Viene rigenerato con un lavaggio mensile ad acqua, che viene recuperata e depurata.
Le velocità dell'aria associate all'arrivo dei treni e la concentrazione di particelle fini, rilevate sulle banchine e nella zona tecnica. Questi dati fungono da condizioni al contorno per il modello CFD.
Restituisce velocità, onde di pressione e vorticità nella scia del treno e valuta se i sensori intercettino le particelle — fino a testare deflettori di ottimizzazione. Un approccio vicino al nostro progetto sulla qualità dell'aria della stazione RER di Issy.
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