CC BY
19
УДК 624.19:625.1-697.9
Численное моделирование аэродинамических процессов движения воздушных масс в тоннелях метрополитена с учетом «поршневого» воздействия подвижного состава
Д. Д. угли Каримов
Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I, Российская Федерация, 190031, Санкт-Петербург, Московский пр., 9
Для цитирования: Каримов Д. Д. угли. Численное моделирование аэродинамических процессов движения воздушных масс в тоннелях метрополитена с учетом «поршневого» воздействия подвижного состава // Известия Петербургского университета путей сообщения. — СПб.: ПГУПС, 2022. — Т. 19. — Вып. 1. — С. 17-27. DOI: 10.20295/1815-588Х-2022-1-17-27
Аннотация
Цель: Рассмотреть вопрос, является ли верификация численной модели воздухообмена при движении поезда в тоннеле метрополитена, учитывающей процесс взаимодействия штатной вентиляции с поршневым эффектом вытесняемой воздушной среды, корпусом движущегося состава. Методы: Сканирование и обработка данных. В качестве оборудования использовалась трубка Пито напорная цилиндрическая PFM 2 для измерения дифференциального давления и измерения скорости потока воздуха, объемного потока и температуры. Результаты: Установлена динамическая структура возмущенной текучей среды в момент прибытия состава и его отправления. Практическая значимость: Определены факторы конструктивных решений портальной части тоннеля, влияющие на процесс воздухообмена при совместном действии вентиляции и поршневого эффекта движущихся поездов.
Ключевые слова: Поршневой эффект, трубка Пито напорная цилиндрическая PFM, шкафы СЦБ, CFD-моделирование, поле давления, анемометр, температура воздуха.
В работе представлены результаты математического CFD-моделирования аэродинамических процессов формирования «поршневого» эффекта, образующегося при движении поезда в тоннеле метрополитена. Определена структура и параметры динамики движения возмущенной воздушной среды при проходе поезда в районе рамповых и портальных участков при различных схемах воздухообмена системы вентиляции.
В процессе движения поездов в тоннелях метрополитена возникает сложный режим воздухообмена по длине состава. Под воздействием движущихся корпусных элементов поезда происходит вытеснение объемов воздушных масс с
образованием локальных фронтов сжатого и разряженного воздуха. При условии постоянного значения коэффициента блокирования тоннеля, формы и шероховатости поверхности обделки, параметры сжатого и разреженного объемов можно считать относительно постоянными. Поэтому наибольший интерес вызывает участок движения состава в районе конфузорных участков портальной части тоннеля. Процесс еще более усложняется при взаимодействии с активно действующей вентиляцией.
Непосредственный мониторинг аэродинамических процессов сопряжен с рядом сложностей организационно-технического характера,
1 — рамповый участок, 2 — порталы, 3 — штольня, 4 — станционная камера тоннельной вентиляции, 5 — портальный участок, эскалаторный тоннель, 6 — путевой тоннель; А, В — точки съема информации аэродинамической нагрузки
в связи с чем рассматривается вариант гибридной модели на основе CFD-модели, построенной в среде FlowSimulation программного комплекса SolidWorks, с использованием уточняющих характеристик, полученных в натурном эксперименте. С этой целью разработана модель типового станционного комплекса глубокого заложения, оснащенная двумя вентиляционными стволами 4 (рис. 1) реверсивной при-точно-аспирационной установки. За прототип поезда принята модель 81-740/741 «Русич» производства ОАО «Метровагонмаш».
Информационная модель сложного объекта чаще всего выполняется с определенным упрощением — редуцированием (процедура сниже-
Рис. 2. Трубка Пито напорная цилиндрическая PFM 2
ния размерности решаемой задачи в соответствии с ресурсами существующих технических средств). В частности, редуцирование предполагает изъятие из описания реального прототипа определенных, несущественных компонентов, не оказывающих значительного влияния на основные функции изучаемого объекта.
Установлены следующие допущения: из расчета исключены элементы железнодорожного пути, помещения тягово-понизительной электроподстанции, шкафы СЦБ, подплатформенное пространство со служебными помещениями, вентиляторные устройства представлены виртуальными объектами.
В качестве оборудования использовалась трубка Пито напорная цилиндрическая PFM 2 (рис. 2) — для измерения дифференциального давления и измерения скорости потока воздуха, объемного потока и температуры.
Устройство воспринимает полное давление текучей среды отверстием в торце изогнутой трубки, статическое давление — отверстиями в
Скорость (м/с). (Прибытие — отправление)
25
20
15
10
Г
t - y = 0,0644х - 6,4538
-10
-15
y = -0,0566х + 9,8812
•Ряд 1
Ряд 2 -----• Линейная (Ряд 1) а
Давление, Па. (Прибытие — отправление)
Линейная (Ряд 2)
350 300 250 200 150 100 50 0
-50 -100
1
iA /Л.,Ii
л ИГ Г 11 ........
J И ............
JuA J L y = -0,2106x + 44,081 „-'Г*' \ = -.--""MAI y y = ■ 0,7224x - 74,028 I
•м VW---,,-......... V
ч О ON < X) t^ ЧО ^ СП N rn ^f ш ю ooaOOrHdm'i^'Ohooa.ONOrHMrn^f^^hMM tfjo чо
■Ряд 1
Ряд 2
■ Линейная (Ряд 1) б
Линейная (Ряд 2)
Рис. 3. Показания скорости а и избыточного давления б воздушного потока, инициированного поездом: торможение состава 40-0 км/ч — черный; разгон состава 0-60 км/ч — красный
стенке внешней трубки. Анемометр имеет встроенный блок автономной памяти на 99 значений для каждого параметра, и ШВ-адаптер для соединения с компьютером.
Натурный эксперимент по определению динамических параметров воздушной среды
выполнялся в рекреации посадочного вестибюля станции «Ленинский проспект» в крайних точках платформы: точка А (рис. 1) — прибытие поезда, точка В — отправление. Высота положения воздухозаборная оборудования — 1,2 м над уровнем рампы.
5
0
Рис. 4. Эпюра траекторий движения воздушных потоков от нагнетающего вентилятора
до аспирационного
Рис. 5. Эпюра траекторий движения воздушных потоков с учетом поршневого действия поезда
и работы вентиляции
CFD-моделирование газодинамических процессов в характерных участках станционного комплекса метрополитена
Для оценки поршневого действия поезда вначале выполняется CFD-моделирование состояния среды при работе только станционного вентиляционного оборудования (рис. 4).
В качестве граничных условий на торцевых сечениях тоннелей и эскалаторного наклонного хода применены следующие параметры среды: давление — 101 395 Па, температура — 20 °С, начальная скорость воздушной среды — 0 м/с. Параметры приточно-аспирационной вентиляции: давление в приточной зоне — 105-725 Па,
8.729 7.482 6 235
ш
ж
CutPiot: Cut Prot Isosurfa
а
б
Рис. 6. Эпюра распределения скоростей текучей среды (прибытие поезда): сечение по оси симметрии поезда в вертикальной плоскости а; сечение в горизонтальной плоскости б
аспирационной — 97 925 Па, температура среды — 20 °С.
По результатам численного моделирования установлено, что наиболее интенсивные вихревые образования формируются непосредственно на портальных участках сопряжения тоннелей со станционным залом, где конструкция тоннеля образует резкое изменение поперечного сечения — конфузор. Скорость потока находится в пределах 2-9 м/с.
Численное моделирование процесса воздухообмена с учетом движения состава выполнена с применением функции тойопгеа^аП (движущаяся реальная стена) модуля FlowSimulation, реализующей принцип вытеснения объемов
воздушной среды корпусом подвижного состава. В условиях сопротивления зазора (поезд—тоннель) объемы уплотненной воздушной среды смещаются обтекателем со скоростью движения поезда, создавая таким образом «поршневой» эффект.
В модели дополнительно к существующим граничным условиям (вентиляция) добавлены опции геа^аП, wallmotion: режим торможения состава — 40-0 км/ч; режим разгона состава — 0-60 км/ч. Рассматривается момент выхода поезда из портала тоннеля.
На рис. 5 представлена эпюра траекторий движения воздушных потоков при работе станционного вентиляционного оборудования с учетом поршневого действия поезда.
б
Рис. 7. Эпюра распределения скоростей текучей среды (отправление поезда): сечение по оси симметрии поезда в вертикальной плоскости а; сечение в горизонтальной плоскости б
Согласно эпюре траекторий перемещение основных объемов воздушной среды происходит в пределах объема путевой части тоннеля с частичным выходом на рамповую часть. Максимальная турбулентность наблюдается в пределах портальной части тоннеля.
Эпюра распределения скоростей текучей среды (рис. 6, 7), построенная по оси симметрии поезда, отражает структуру распределения скоростей в перемещаемом объеме уплотненной воздушной среды «поршневого» эффекта [6, 7].
На эпюре четко просматривается «факел» поршневого эффекта, образовывающийся перед поездом, и его частичная деформация за счет взаимодействия с тоннельной вентиляцией.
На эпюре представлен процесс увеличения поездом обширных объемов воздушных масс в процессе отправления со станции и входа в тоннель, а также образование поршневого эффекта перед головным вагоном.
Параметры изменения состояния воздушной среды определялись по линии, построенной параллельно движению состава в плоскости, расположенной на дистанции 1,2 м над уровнем рампы вестибюля. Таким образом, моделируется процесс получения данных при проходящем поезде (рис. 8).
Валидация разработанной модели выполнена согласно теории вероятности и математической статистике [8, 9] по обработке результатов пря-
Скорость, (м/с). (Прибытие — отправление)
Ряд 1 Ряд 2 -----• Линейная (Ряд 1) ----- - Линейная (Ряд 2)
а
Давление, (Па). (Отправление — прибытие)
Рис. 8. Результаты численного эксперимента скорости а и избыточного давления б: торможение состава 40-0 км/ч — черный; разгон состава 0-60 км/ч — красный
мых измерений. Данные по однофакторному анализу приведены в табл. 1 — прибытие состава и табл. 2 — отправление состава.
По критерию скорости текучей среды фактическое значение отношения Фишера (12,15) больше критического (3,86), с вероятностью 95 % отклоняется нулевая гипотеза о равенстве
средних данных реального объекта и модели, то есть модель с достаточной точностью описывает поведение реального процесса. По критерию давления текучей среды условие не выполняется.
По критерию скорости текучей среды фактическое значение отношения Фишера (1153,26) больше критического (3,870682), с вероятностью
ТАБЛИЦА 1. Однофакторный анализ результатов измерений
Режим «Прибытие состава» (черный цвет — объект, красный цвет — модель) Скорость, м/с Давление, Па
Дисперсионный анализ
Источник вариации SS df MS F P-Зна-чение Fкрити-ческое
Между группами 171,92 1 171,92 12,15 0,00055 3,867
Внутри групп 5064,0 358 14,145
Итого 5235,9 359
Дисперсионный анализ
Источник вариации SS DF MS F P-Зна- чение F критическое
Между группами 3224,124 1 3224,124 2,7373 0,0993 3,881
Внутри групп 275 615,9 234 1177,8
Итого 278 840 235
ТАБЛИЦА 2. Однофакторный анализ результатов измерений
Режим «Отправление состава» (черный цвет — модель, красный цвет — объект) Скорость, м/с Давление, Па
40 35 30 25 20 15 10 5 0 -5
140 120 100 80 60 40 20 0 -20
со (Л О
Дисперсионный анализ Дисперсионный анализ
Источник вариации SS df MS F P-Зна-чение Fкрити-ческое Источник вариации SS df MS F P-Зна-чение Fкрити-ческое
Между группами 35 535,18 1 35 535,18 1153,26 4E-108 3,870682 Между группами 3010,304 1 3010,304 2,55043 0,111625 3,881853
Внутри групп 9860,02 320 30,81257 Внутри групп 273 832,4 232 1180,312
Итого 45 395,2 321 Итого 276 842,7 233
95 % отклоняется нулевая гипотеза о равенстве средних данных реального объекта и модели, то есть модель с достаточной точностью описывает поведение реального процесса. По критерию давления текучей среды условие не выполняется.
Невыполнение условия превышения отношения Фишера по критерию давления объясняется неполными сведениями натурного эксперимента: отсутствует компонента статического давления (трубка Пито не измеряет статическое давление).
Эффект от поршневого действия поезда значительно изменяет структуру распределения воздухообмена в помещениях метрополитена: изменяются объемы, давления, скорости течения воздушных масс по модифицированным трассам. К негативным свойствам данного явления следует отнести определенное повышение энергопотребления за счет увеличения аэродинамического сопротивления передвижению состава, в то же время периодическое преобладание импульсной продувки тоннелей за счет «поршневого» эффекта можно считать положительным свойством для улучшения показателей воздухобмена.
Выводы
1. Разработана математическая модель совместной работы станционной системы вентиляции и «поршневого» эффекта движущихся поездов.
2. Выполнена валидация модели на основе данных, полученных в ходе натурного эксперимента.
3. Установлена динамическая структура возмущенной текучей среды в момент прибытия состава и его отправления.
4. Определены факторы конструктивных решений портальной части тоннеля, влияющие на процесс воздухообмена при совместном действии вентиляции и поршневого эффекта движущихся поездов.
5. Путем анализа результатов численного CFD-моделирования получены параметры поршневого действия поезда: поле давления, скорости перед и за поездом.
6. Установлено, что эффективная длина «поршневого» эффекта, способного создавать дискомфорт для пассажиров, находящихся на перроне станции, составляет 20-25 м, скорость движения воздушных масс при этом достигает 15 м/с.
Библиографический список
1. Бамтоннельпроект. Объекты. — URL: http://www. btpnsk.ru/objects.
2. Гендлер С. Г Исследование вентиляционного и теплового режимов Лысогорского железнодорожного тоннеля / С. Г. Гендлер, В. В. Смирняков, А. Н. Соловьев // ГИАБ. — 2006. — № 3. — С. 133-145.
3. Гендлер С. Г. Выбор рациональной схемы проветривания Кузнецовского железнодорожного тоннеля / С. Г. Гендлер, В. А. Плескунов // ГИАБ. — 2009. — Отдельный выпуск № 13: Аэрология. — С. 81-89.
4. Гендлер С. Г. Проблемы проветривания транспортных тоннелей / С. Г. Гендлер // ГИАБ. Тематическое приложение «Безопасность». — 2005. — С. 281-295.
5. Проектная документация. Строительство нового Байкальского тоннеля на перегоне Дельбичинда — Дабан Восточно-Сибирской железной дороги. Раздел 3. Технологические и конструктивные решения линейного объекта. Искусственные сооружения. — ОАО «СтройТрест». — 2014.
6. Алямовский А. А. SolidWorks Simulation. Инженерный анализ для профессионалов: задачи, методы, рекомендации /
A. А. Алямовский. — М.: ДМК Пресс, 2015. — 562 с.
7. Алямовский А. А. Инженерные расчеты в SolidWorks Simulation / А. А. Алямовский. — М.: ДМК Пресс, 2010. — 464 с.
8. Бурнаева Э. Г. Статистический пакет анализа данных в Excel 2013: учебное пособие / Э. Г. Бурнаева, С. Н. Леора. — СПб.: СПбГУ, 2020. — 40 с.
9. Бараз В. Р. Использование MS Excel для анализа статистических данных: учебное пособие / В. Р. Бараз,
B. Ф. Пегашкин; М-во образования и науки РФ; ФГАОУ ВПО «УрФУ им. первого Президента России Б. Н. Ельцина», Нижнетагил. техн. ин-т (филиал). — 2-е изд., перераб. и доп. — Нижний Тагил: НТИ (филиал) УрФУ, 2014 — 181 с.
Дата поступления: 02.02.2022 Решение о публикации: 21.02.2022
Контактная информация:
КАРИМОВ Дастонбек Давронбой угли — аспирант; dostonkarimov325@gmail. com
Numerical Simulation of Aerodynamic Processes of Air Mass Movement in Underground Tunnels Taking into Account Piston Impact of Rolling Stock
D. D. ugli Karimov
Emperor Alexander I Petersburg State Transport University, 9, Moskovsky pr., Saint Petersburg, 190031, Russian Federation
For citation: Karimov D. D. ugli. Numerical Simulation of Aerodynamic Processes of Air Mass Movement in Underground Tunnels Taking into Account Piston Impact of Rolling Stock // Proceedings of Petersburg Transport University, 2022, vol. 19, iss. 1, pp. 17-27. (In Russian) DOI: 10.20295/1815-588X-2022-1-17-27
Summary
Purpose: To consider the issue on verification of numerical model of air exchange during the movement of a train in a subway tunnel, taking into account the process of interaction of regular ventilation with the piston effect of the displaced air by the body of the moving train. Methods: Data scanning and processing. The equipment used was a pressure cylindrical Pitot tube PFM 2 for measuring differential pressure and air flow velocity, volumetric flow and temperature. Results: The dynamic structure of disturbed fluid media at the time of rolling stock arrival and departure has been established. Practical importance: Factors of design solutions of tunnel portal part affecting the process of air exchange at the combined work of ventilation and piston effect of moving trains have been determined.
Keywords: Piston effect, Pitot cylindrical pressure tube PFM, SCB cabinets, CFD modeling, pressure field, anemometer, air temperature.
References
1. Bamtonnel'proekt. Ob"ekty [Bamtunnel project. Objects]. Available at: http://www.btpnsk.ru/objects. (in Russian)
2. Gendler S. G. Issledovanie ventilyatsionnogo i teplovogo rezhimov Lysogorskogo zheleznodorozhnogo tonnelya [Study of the ventilation and thermal regimes of the Lysogorsk railway tunnel]. GIAB [GIAB]. 2006, I. 3, pp. 133-145. (in Russian)
3. Gendler S. G. Vybor ratsional'noy skhemy provetrivaniya Kuznetsovskogo zheleznodorozhnogo tonnelya [The choice of a rational ventilation scheme for the Kuznetsovsky railway tunnel]. GIAB [GIAB]. 2009, pp. 81-89. (in Russian)
4. Gendler S. G. Problemy provetrivaniya transportnykh tonneley [Problems of ventilation of transport tunnels]. GIAB. Tematicheskoe prilozhenie "Bezopasnost"' [GIAB. Thematic application "Security"]. 2005, pp. 281-295. (in Russian)
5. Proektnaya dokumentatsiya. Stroitel'stvo novogo Baykal 'skogo tonnelya na peregone Del'bichinda — Daban Vostochno-Sibirskoy zheleznoy dorogi. Razdel 3. Tekhnologicheskie i konstruktivnye resheniya lineynogo ob"ekta. Iskusstvennye sooruzheniya [Design documentation. Construction of a new Baikal tunnel on the Delbichinda-Daban section of the East Siberian Railway. Section 3. Technological and design solutions for a linear facility. Artificial constructions]. "StroyTrest" Publ. 2014. (in Russian)
6. Alyamovskiy A. A. SolidWorks Simulation. Inzhenernyy analiz dlya professionalov: zadachi, metody, rekomendatsii [Engineering calculations in SolidWorks Simulation]. Moscow: DMK Press Publ., 2015. 562 p. (in Russian)
7. Alyamovskiy A. A. Inzhenernye raschety v SolidWorks Simulation [Engineering calculations in SolidWorks Simulation]. Moscow: DMK Press Publ., 2010. 464 p. (in Russian)
8. Burnaeva E. G. Statisticheskiy paket analiza dannykh v Excel 2013 [Statistical data analysis package in Excel 2013]. St. Petersburg: SPbGU Publ., 2020. 40 p. (in Russian)
9. Baraz V. R. Ispol'zovanie MS Excel dlya analiza statisticheskikh dannykh [Excel to analyze statistical data]. M-vo obrazovaniya i nauki RF; FGAOU VPO "UrFUim. pervogo Prezidenta Rossii B. N. El tsina", Nizhnetagil. tekhn. in-t (filial) [Ministry of Education and Science of the Russian Federation; FGAOU VPO "UrFU im. the first President of Russia
B. N. Yeltsin", Nizhny Tagil. tech. in-t (branch)]. Nizhniy Tagil: NTI (filial) UrFU Publ., 2014. 181 p. (in Russian)
Received: February 2, 2022 Accepted: February 21, 2022
Author's information:
Dastonbek D. KARIMOV — Postgraduate Student; [email protected]
