CC BY
194
------------------------------------ © А.М. Красюк, И.В. Лугин,
2007
УДК 624.63-52-h622.445 А.М. Красюк, И.В. Лугин
АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ВОЗМУЩЕНИЙ ОТ ПОРШНЕВОГО ЭФФЕКТА ДВИЖУЩИХСЯ ПОЕЗДОВ НА ВОЗДУХОРАСПРЕДЕЛЕНИЕ В МЕТРОПОЛИТЕНЕ МЕЛКОГО ЗАЛОЖЕНИЯ
"П ентиляция транспортных тоннелей, в том числе и метро-
-Я-М политенов, является одной из важнейших систем жизнеобеспечения. В вентиляционной сети метрополитена существуют три основных источники давления. К ним относятся: 1) тоннельные вентиляторы - развиваемое ими давление, производительность и направление потока воздуха зависит от технологической схемы включения и режима работы системы вентиляции; 2) поршневое действие движущихся поездов, "поршневой эффект" - его параметры зависят от интенсивности движения, направления движения поездов расположения на перегонах между станциями; 3) естественная тяга - возникает при наличии разности температур атмосферного и тоннельного воздуха и перепадов геодезических отметок соединений тоннелей с дневной поверхностью, достигает максимальных величин в холодный период года, имеет направление, определяемое топологией вентиляционной системы.
На расчетные параметры механической вентиляции метрополитена, осуществляемой посредством тоннельных вентиляторов,
значительное влияние оказывает поршневое действие движущихся поездов. Особенно велико оно в метрополитенах мелкого заложения из-за существенной аэродинамической связи тоннелей с атмосферой. При этом объем воздуха, перемещаемый поездами по тоннелям, соизмерим с производительностью тоннельных вентиляторов. В метрополитенах мелкого заложения, на территориях с резкоконтинентальным климатом, в холодный период года тоннельные вентиляторы отключают, чтобы не переохладить подземные сооружения атмосферным воздухом, имеющим отрицательную температуру. В этот период вентиляция тоннелей и станций осуществляется, в основном, за счет поршневого действия поездов. Поэтому задача создания метода расчета воздухораспределения от "поршневого эффекта" - весьма актуальна.
Расчет динамики движения воздуха, побуждаемого поездом, значительно сложнее расчета установившегося (статического) воз-духораспределения, т.к. требуется учитывать инерционность потоков воздуха, потери энергии потока из-за вязкого трения между струями, а также потери при поворотах и разветвлениях потока. Математическое моделирование динамики движения воздуха описывается системой дифференциальных уравнений. Т.к. в вентиляционной системе метрополитена имеется существенная взаимо-связность вентиляционных режимов [1], то для получения удовлетворительной точности расчетов необходимо моделировать всю вентиляционную сеть метрополитена или хотя бы весь участок, ограниченный выходами тоннелей в атмосферу. Обычно такой участок включает несколько сотен ветвей и узлов. Описание подобной сети системой дифференциальных уравнений в значительной мере затруднено как большим количеством уравнений, так и сложностью описаний потоков воздуха в многочисленных местах разветвлений. В тоже время задача статического воздухораспределения (SES-задача) в разветвленных выработках решена [2, 3] и успешно используются компьютерные программы для расчетов вентиляции шахт, рудников и транспортных тоннелей.
Поэтому, представляет интерес задача создания метода рас-чета динамики расхода воздуха, создаваемого поршневым дейст-вием движущихся электропоездов посредством статической мо-дели. В качестве исходных данных для решения поставленной задачи воспользуемся результатами экспериментов, прове-денных Институ-
том горного дела СО РАН в реальных условиях Новосибирского метрополитена [4, 5].
На рис. 1 показана схема перегона между двумя стан-циями и положение измерительных пунктов.
В метрополитене движение осуществляется 4-х вагонными поездами. Площадь лобового сечения вагона 9 м2, а поперечного сечения цилиндрического тоннеля - 18.6 м2. Поезд проходит путь между станциями по тоннелю за 85...90 секунд со средней скоростью 19 м/с (без учета участков разгона и торможения). Разгонный участок составляет 100 м, а участок торможения перед станцией равен 200 м.
Рис. 1. Схема перегона: А, В - путевые тоннели; С1.. ,С3 - вентиляционные сбойки; Б1.. ..Б4 - измерительные пункты на станции; Т1, Т2,- измерительные пункты в тоннеле; F - фоторегистраторы; 1 - направление движения поезда; 2 - вентиляционные камеры
Измерения проводились при частоте движения поездов п = 10 пар поездов в час.
Измерительные пункты S1____S4 на станциях укомплек-тованы
дифференциальными манометрами, регистрирующими динамическое давление, что позволяет определять скорость воздушного потока. В пунктах Т1 и Т2, кроме скорости воздуха определялось статическое давление.
На рис. 2 приведены типовые осциллограммы статическо-го давления и скорости воздуха в измерительном пункте Т2. В момент времени ^ поезд вошел в портал тоннеля со станции "Октябрьская" и к моменту времени ^ подошел к измеритель-ному пункту Т2. В течение времени ^ ^ поезд проходит мимо приемников давления пункта Т2. В момент времени tp поезд выходит из тоннеля на станцию "Речной вокзал" и до времени ^ когда встречный поезд войдет в портал тоннеля со станции "Речной вокзал", на перегоне поездов нет. За интервал време-ни ^ - t5 поезд, пройдя примерно 680 м, подходит к вентиля-ционной сбойке С3. В момент времени ^ головной вагон поез-да подошел в вентиляционной сбойке В1 и ко времени ^ поезд вышел на станцию "Октябрьская". В течение временного ин-тервала ^ ^ на перегоне поездов нет, а с момента ^
описан-ный цикл повторяется вновь.
Проведем анализ изменения скорости и статического давления воздуха по осциллограммам, приведенным на рисунке 2. Резкое увеличение скорости воздуха в пункте Т2, обусловленное повышенным давлением перед головным вагоном поезда, начинается на 68-ой секунде на расстоянии 120 м от измерителя, когда поезд проходит вентиляционную сбойку С1. Скорость увеличивается по линейному закону от 3 до 7.4 м/с. Затем, на протяжении 4-х секунд, датчик показывает скорость воздуха в зазоре между поездом и стенкой тоннеля. Эта скорость направлена в сторону противоположную направлению движения поезда и составляет 4.7 м/с. Но направление средней скорости воздуха в тоннеле совпадает с направлением скорости поезда. После прохождения последним вагоном пункта Т2 воздушный поток, обусловленный разряжением за хвостовым вагоном, имеет скорость 7.4 м/с. Впадина I соответствует моменту прохождения хвостовым вагоном вентиляционной сбойки С2. За 62 секунды, до момента ^ скорость потока снижается до 5.7 м/с.
Рис. 2. Осциллограммы статического давления и скорости воздуха в измерительном пункте Т2
V, м/с 14.8
Рис. 3. Скорость потока воздуха за поездом
7.4
О
212 100
Исследования показывают, что поток воздуха перед головным вагоном, обусловленный повышенным давлением от движущегося поезда, имеет максимальную скорость в окрестности лобовой стенки вагона и практически не фиксируется на расстоянии 180...220 м перед поездом. Т.е. влияние поршневого действия поезда распространяется перед ним на расстояние равное 40.50 калибрам тоннеля. В тоже время, поток воздуха, вызван-
ный разряжением за хвостовым вагоном, действует в течение всего времени, пока поезд движется в тоннеле. Скорость воздуха при этом уменьшается по мере удаления поезда, но незначительно. Особенно хорошо это видно по участку осциллограммы во временном интервале ^ ... ^, рис. 2.
Для наглядности, преобразуем участки осциллограммы в интервалах ^..Л2 и ^..ЛР на рис. 2, таким образом, чтобы начало координат совпадало соответственно с головным и хвостовым сечением поезда (рис. 3). Анализ полученных зависимостей показывает, что моделирование потока воздуха перед и после поезда в статической модели, можно представить двумя вентиляторами, связанными между собой аэродинамическим сопротивлением, соответствующим сопротивлению зазора между поездом и тоннелем, рис. 4. Вентилятор, имитирующий повышенное давление перед поездом, всасывающим входом соединен с атмосферой, а нагнетательным выходом с переменным сопротивлением, названным нами "сопротивлением рассеяния".
Величина сопротивлением рассеяния Rd = f (5) рассчитывается так, чтобы на расстоянии равном 40.50 калибрам тоннеля поток от поршневого действия поезда затух. Давление, развиваемое вентилятором определяется как РЗУ = рУ2, где р - плотность воздуха, кг/м3, а У - скорость движения поезда относительно скорости движения воздуха в тоннеле, м/с.
V
------>-
Рис. 4. Модель поезда 1 - вентилятор моделирующий разряжение воздуха за хвостовым вагоном; 2 - вентилятор моделирующий повышение давления воздуха перед головным вагоном; 3 - аэродинамическое сопротивление зазора между поездом и стенками тоннеля; 4 - сопротивление рассеяния. Стрелками показано направление движения воздуха, а буквой V направление скорости поезда
Проведена проверка воздухораспределения на расчетной сетевой математической модели, при этом предполагается, что поезд на перегоне один и движется по параллельному тоннелю. Эта ситуация соответствует временному интервалу ^45 . Сопротивление затухания рассчитано по данным натурного эксперимента. Анализ результатов показал, что расхождение расчетного воздухораспре-деления не превышает 23 % по сравнению с данными натурного эксперимента. Частично такое несоответствие объясняется положением датчика давления в замерном пункте - он расположен за пределами габаритных размеров поезда, что дает погрешность в определении осевой и средней скорости движения воздуха в тоннеле.
Результаты математического моделирования также показали, что основное возмущение воздухораспределения в сети тоннельной вентиляции ограничено перегоном, по которому движется поезд. Изменение скорости воздуха в тоннелях перегона, отделенного станцией от рассматриваемого, не превысили 6 %. Полученные данные хорошо согласуются с натурным экспериментом [4].
Выводы
- возмущение давления и расхода воздуха в тоннеле, вследствие поршневого действия поезда, распространяется только на перегон между станциями, на котором находится поезд. Станция явля-
ется эффективным фильтром, ограничивающим распространение возмущений на соседние перегоны;
- расход воздуха, вызванный повышенным давлением перед головным вагоном поезда, практически затухает на расстоянии равном 40.50 калибрам тоннеля от головного вагона. Расход воздуха в тоннеле, вызванный разряжением за хвостовым вагоном поезда, существует в течение всего времени движения поезда по перегону. Незначительное снижение величины расхода с течением времени соответствует увеличению аэродинамического сопротивления участка тоннеля от входного портала до удаляющегося хвостового вагона;
- в сетевой модели статического воздухораспределения в метрополитене мелкого заложения возмущение воздушного потока, вызванного поршневым действием поезда, можно представить двумя вентиляторами, аэродинамическим сопротивлением зазора между поездом и обделкой тоннеля и сопротивлением затухания.
------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Лугин И.В., Красюк А.М. Взаимосвязность режимов вентиляции станций метрополитена // Горный информационно-аналитический бюллетень. - М: МГГУ . - 2003. - № 4. - с. 199 - 202.
2. Кузнецов А.С., Лукин С.М. О применении потоковых алгоритмов для расчета воздухораспределения в вентиляционных сетях // ФТПРПИ. - 1989. - № 5.
3. Красюк А.М., Лугин И.В. Исследование режимов работы вентиляции при возгорании поезда в тоннеле метрополитена // ФТПРПИ. - 2005.- № 4.
4. Экспериментальное исследование воздухораспределения на станции «Октябрьская» Новосибирского метрополитена. [Текст]: отчет о НИР/ Институт горного дела СО РАН: рук. Шер Е.Н. - Новосибирск, 1993. - 97 с.
5. Исследования на АЦВК и в натурных условиях переходных процессов и частотных свойств вентиляционных систем перегонов, получение математического описания. [Текст]: отчет о НИР/ Институт горного дела СО РАН: рук. Петров Н.Н. - Новосибирск, 1990. - 104 с.
— Коротко об авторах ----------------------------
Красюк А.М., Лугин И.В. — Институт горного дела СО РАН.
