CC BY
25
УДК 624.19:625.1-697.9
DOI: 10.18303/2618-981X-2018-5-155-160
ИССЛЕДОВАНИЕ АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ДВИЖЕНИИ ПОЕЗДА В ПРОТЯЖЕННЫХ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ ТОННЕЛЯХ
Иван Владимирович Лугин
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный пр., 54, кандидат технических наук, доцент, старший научный сотрудник, тел. (383)205-30-30, доп. 179, e-mail: [email protected]
Елена Леонидовна Алферова
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный пр., 54, младший научный сотрудник, тел. (383)205-30-30, доп. 179, e-mail: [email protected]
В работе представлено описание и результаты математического CFD-моделирования аэродинамических процессов при движении поезда в железнодорожных тоннелях длиной 3 и 6 км. Из анализа результатов исследования: - определен воздухообмен в тоннеле за цикл прохождения поезда; - найдены зависимости изменения расхода воздуха в тоннеле от местонахождения поезда; - получены данные для разработки модели поршневого действия поезда в тоннеле при решении задач воздухораспределения сетевыми методами.
Ключевые слова: железнодорожный тоннель, поезд, аэродинамика, CFD-модели-рование, воздухообмен.
INVESTIGATION OF AERODYNAMICS PROCESSES IN CASE OF A TRAIN MOVING IN EXTENDED SUBWAY TUNNELS
Ivan V. Lugin
Chinakal Institute of Mining SB RAS, 54, Krasny Prospect St., Novosibirsk, 630091, Russia, Ph. D., Associate Professor, Senior Researcher, phone: (383)205-30-30, extension 179, e-mail: [email protected]
Elena L. Alferova
Chinakal Institute of Mining SB RAS, 54, Krasny Prospect St., Novosibirsk, 630091, Russia, Junior Researcher, phone: (383)205-30-30, extension 179, e-mail: [email protected]
The paper presents a description and results of mathematical CFD-modeling of aerodynamic processes during train movement in 3 and 6 km long railway tunnels. Due to analysis of the study results the air exchange in the tunnel for a cycle of a train passing is determined. Dependences of air flow changes on location of the train are found. The data is obtained for the development of a piston action model of a train in a tunnel in process of air distribution problems solution by network methods.
Key words: subway, train, aerodynamics, CFD-modeling, air exchange.
Воздухообмен, воздухораспределение и тепловой баланс необходимы для экономичной, надежной и безопасной эксплуатации таких сложных объектов как протяженные железнодорожные тоннели, особенно в сложных климатических условиях. Поэтому изучение процессов, влияющих на эти показатели эксплуатации тоннелей являются актуальными.
При невозможности проведения натурного эксперимента в тоннеле, наиболее достоверные данные можно получить в результате численного трехмерного аэродинамического эксперимента. Однако CFD-эксперимент требует как серьезной аппаратной базы, так и существенных затрат машинного времени. Сетевое численное моделирование гораздо менее требовательно по этим критериям, что позволяет проводить многовариантные серии экспериментов, но для построения элементов сетевой модели требуются данные, которые можно получить только из натурного или CFD-эксперимента.
Основными элементами для составления сетевой схемы тоннеля являются [1-5]: порталы, путевой тоннель, штольня, вентиляционные стволы, кроссинги. Для учета поршневого действия поезда необходимы: модель поршневого действия, включающая в себя фиктивные источники тяги, описывающие изменение давления перед и за поездом, сопротивление зазора между стенкой тоннеля и поездом и сопротивление рассеяния перед поездом [6].
Для определения параметров модели поршневого действия поезда в тоннеле проведен численный CFD-эксперимент, исходные данные получены в результате статистического анализа параметров существующих тоннелей и их условий эксплуатации. Средняя скорость поезда составляет 37-45 км/ч [7], длина груженого поезда не должна превышать 75 вагонов (в среднем их 57, без учета локомотива), порожняка - 105 вагонов, пассажирского поезда - 24 вагона. Длина одного грузового вагона 16.7 м, пассажирского 23,6 м. Эквивалентный радиус поперечного сечения вагона составляет 1,73 м. Площадь поперечного сечения тоннеля принималась по размерам тоннелей БАМ, имеющим схожую конструкцию, длину и эксплуатационную нагрузку (Байкальский, Кузнецовский). С учетом этих данных рассматривались тоннели длиной 3 000 и 6 000 м, гидравлическим диаметром 4 м, по которым движется грузовой поезд длиной 1 000 м. Атмосферное давление 101 325 Па, температура воздуха 25 °С. Геометрические размеры тоннеля и поезда соответствуют реальным с переводом в эквивалентные для решения задачи в принятой плоской осесимметричной постановке. Такая постановка достаточно адекватно описывает геометрию и физические процессы при движении поезда по тоннелю, при этом существенно экономится размер конечно-элементной модели и затраты машинного времени для расчетов. Работа была выполнена с использованием ресурсов ЦКП Сибирский Суперкомпьютерный Центр ИВМиМГ СО РАН на кластере G6 в параллельном режиме на 48 ядрах в модуле Fluent программного комплекса ANSYS.
Движение поезда по тоннелю происходит в следующем режиме:
1) на протяжении 50 м разгоняется на открытом пространстве с 0 до 11,1 м/с (40 км/ч) за 9 с;
2) на этой скорости поезд следует 20 м до входа в тоннель, входит в тоннель, движется по нему, выходит из тоннеля;
3) в момент, когда расстояние от выходного портала до торца хвостового вагона поезда составляет 20 м, поезд начинает тормозить с 11 ,1 до 0 м/с на протяжении 50 м за 9 с;
4) после остановки поезд стоит в течение 60 с.
На рис. 1 представлена геометрия модели тоннеля в продольном разрезе.
Рис. 1. Продольный разрез тоннеля:
1 - поезд; 2 - входной портал; 3 - тоннель; 4 - выходной портал; 5 - свободное пространство для разгона, торможения, стоянки поезда (размеры указаны в метрах)
На рис. 2 показаны результаты расчета: давления, расходы в сечениях, давления на поверхностях поезда. На рис. 2, а показано продольное сечение тоннеля и отмечены сечения 1-1 ... 5-5. Сечения 1-1 и 5-5 находятся на расстоянии десяти калибров от входного и выходного порталов соответственно, сечение 3-3 проходит по центру расчетной области, сечения 2-2 и 4-4 являются промежуточными. На временной шкале рис. 2, а показаны характерные моменты и промежутки времени: 0-9 с - разгон поезда; 10,8 с - лобовая поверхность локомотива (ЛПЛ) пересекла входной портал; 14,7 с - ЛПЛ пересекла сечение 1-1; 80,4 с - ЛПЛ пересекла сечение 2-2; 100,9 с - торцевая поверхность последнего вагона поезда (ТПП) пересекла входной портал; 150,7 с - ЛПЛ пересекла сечение 3-3; 212 с - ЛПЛ пересекла сечение 4-4; 277,7 с - ЛПЛ пересекла сечение 5-5; 281 с - ЛПЛ пересекла выходной портал; 371,2 с - поезд целиком вышел из тоннеля (ТПП пересекла выходной портал); 373-82 с - поезд тормозит; с 382 с начинается стоянка поезда, она длится 60 с.
На рис. 3 показаны результаты расчета - расходы воздуха в сечениях - для тоннеля длиной 6 000 м. Поперечные сечения расположены аналогично с тоннелем 3 км: начальное и конечное сечения находятся на расстоянии десяти калибров от входного и выходного порталов соответственно, сечение 3 - центральное, сечения 2 и 4 являются геометрически промежуточными.
На рис. 2, б и рис. 3 видно, что изменение расхода воздуха зависит от положения поезда в тоннеле. Характер изменения расхода воздуха является линейным во время входа поезда в тоннель и выхода из тоннеля и степенным после полного вхождения поезда в тоннель и при движении по нему. Интегральный расход воздуха за один цикл (360,4 с) прохождения поезда по тоннелю составил 38 730 м . Максимальный расход воздуха в тоннеле составил 150,51 м /с, что удовлетворительно совпадает с результатами натурных измерений в Кузнецовском тоннеле [8].
Полученные данные позволили уточнить параметры поршневого действия поезда для использования его в сетевой модели.
ra X >. Ч n о и
X о ей
ci-
lSO 120 60 О -60 ■120
i : --|
дЛ* 1 1 ■ i _____L.....J L...........1-----j . ^ J
Время, с
40 80 120 • Расход в сечении 1 Расход в сечении 4
160 200 240 280
-----Расход в сечении 2
— ■ - Расход в сечении 5
320 360 400 440 - * * Расход в сечении 3
ей
с
о К
о
к
й -120
180 120 60 0 -60
р
J Г Тттн . , бШШзЫ и
^sj ^XJ \ ..Al
i—'""-Л л л. ч „.■. ,, . -¿Л Время, с
440
0 40 80 120 160 200 240 280 320 360 400
.............Максимальное давление на лобовой поверхности локомотива. Па
Максимальное давление на торце хвостового вагона. Па
-Среднее давление на торце хвостового вагона. Па
-Среднее давление на лобовой поверхности локомотива, Па
Рис. 2. Результаты расчета воздухораспределения для тоннеля 3 км:
а) продольное сечение тоннеля; б) расходы воздуха в сечениях; в) давление в сечениях; г) давление на лобовой поверхности локомотива и торце хвостового вагона
Рис. 3. Расходы воздуха в сечениях для тоннеля 6 км
Определены сопротивление зазора Яз = 0,002 49 к^, сопротивление Я затухания к^, график его зависимости от положения поезда в тоннеле приведен на рис. 4 и давление фиктивных вентиляторов, моделирующих разрежение за поездом и напор перед ним в зависимости от положения поезда в тоннеле (табл.).
Рис. 4. Зависимость сопротивления затухания от расстояния между лобовой поверхностью локомотива и выходным порталом
Давление фиктивных вентиляторов, моделирующих разрежение за поездом (1) и напор перед поездом (2) в зависимости от положения поезда в тоннеле,
мм вод. ст.
Расстояние от лобовой поверхности локомотива до выходного портала, м 1 982 1 732 1 482 1 232 982 732 482 232
Давление вентилятора 1 10,54 9,68 5,76 4,64 7,79 3,52 4,88 3,94
Давление вентилятора 2 -3,37 -3,56 -4,77 -3,24 -5,08 -6,75 -6,14 -5,22
Выводы:
1. Путем численных экспериментов определено, что основным эксплуатационным фактором, влияющим на воздухообмен, инициированный поршневым действием движущихся поездов в протяженном железнодорожном тоннеле, является длина поезда и тоннеля, поскольку геометрия тоннеля и скорость прохождения по нему поезда для различных тоннелей Сибири и Дальнего востока меняются несущественно. Динамика расхода воздуха в тоннеле, при прохождении по нему поезда, имеет следующий вид: 1 - линейный во время входа поезда в тоннель; 2 - степенной после полного вхождения поезда в тоннель; 3 - линейный во время выхода поезда из тоннеля.
2. Путем анализа результатов численного CFD-моделирования получены параметры поршневого действия поезда для сетевой модели: сопротивление зазора, сопротивление затухания, давление перед и за поездом.
Работа выполнена в рамках научного проекта IX.132.3.2. ФНИ, № гос. регистрации АААА-А17-117091320027-5.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. 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 «Строй-Трест». - 2014.
2. Гендлер С. Г., Смирняков В. В., Соловьев А. Н. Исследование вентиляционного и теплового режимов Лысогорского железнодорожного тоннеля // ГИАБ. - 2006. -№ 3. -С.133-145.
3. Гендлер С. Г., Плескунов В. А. Выбор рациональной схемы проветривания Кузнецовского железнодорожного тоннеля // ГИАБ. - 2009. - Отдельный выпуск №13: Аэрология. - С. 81-89.
4. Гендлер С. Г. Проблемы проветривания транспортных тоннелей // ГИАБ. Тематическое приложение Безопасность. - 2005. - С. 281-295.
5. Бамтоннельпроект. Объекты [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.btpnsk.ru/objects.
6. Красюк А. М., Лугин И. В. Использование модели статического воздухораспределе-ния при исследовании динамики воздушных потоков от возмущающего действия поездов в метрополитене // ФТПРПИ. - 2007. - № 6. - С. 87-94.
7. В РЖД опровергли слова о низкой скорости грузоперевозок в России [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.gazeta.ru/business/news/2015/06/22/n_7312041.shtml.
8. Отчет по договору № 2620 от 01.08.2008. Разработка рекомендаций по выбору схем вентиляции и определению их параметров при строительстве и эксплуатации Кузнецовского железнодорожного тоннеля. Этап II. Разработка принципиальных схем проветривания Кузнецовского железнодорожного тоннеля при различных величинах грузооборота и оценка их стоимостных параметров. СПб. Фонды ОАО «ЛМГТ», 2009 г.
© И. В. Лугин, Е. Л. Алферова, 2018
