Исследование динамики давлений на поверхности вагонов поезда в двухпутном тоннеле метрополитена Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Л.А. Кияница

ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ ДАВЛЕНИЙ НА ПОВЕРХНОСТИ ВАГОНОВ ПОЕЗДА В ДВУХПУТНОМ ТОННЕЛЕ МЕТРОПОЛИТЕНА

Представлены порядок проведения и результаты исследования параметров воздушной среды при движении одиночного поезда двухпутном тоннеле метрополитена. Рассмотрена динамика давления в воздушном объеме тоннеля, на лобовой поверхности головного и задней поверхности хвостового вагонов поезда. Исследование проведено путем численного моделирования во внутреннем объеме двухпутного тоннеля при движении поезда с использованием метода конечных элементов. По результатам исследования установлены графические зависимости величины статического давления на лобовой поверхности головного и задней поверхности хвостового вагонов одиночного поезда в двухпутном тоннеле от времени движения и скорости поезда.

Ключевые слова: метрополитен, двухпутный тоннель, поршневое действие, численное моделирование, аэродинамические процессы, давление.

Современные тенденции строительства линий метрополитена заключаются в применении новых конструктивных решений перегонных тоннелей, а именно в возведении двухпутных тоннелей. Строительство линии метрополитена с двухпутными тоннелями влечет за собой использование новых подходов в проектировании тоннельной вентиляции. На систему тоннельной вентиляции в значительной мере оказывает влияние поршневое действие поездов. В связи с этим, исследование аэродинамических процессов, происходящих в двухпутном тоннеле при движении поездов, крайне важно для оценки их влияния на тоннельную и станционную вентиляцию. Целью проводимого исследования является изучение параметров воздушного потока при движении одиночного поезда по двухпутному перегонному тоннелю метрополитена.

В рамках данной работы проведено исследование аэродинамических процессов на участке двухпутного тоннеля длиной

ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2016. № 11. С. 400-407. © 2016. Л.А. Кияница.

Рис. 1. Геометрические характеристики поперечного сечения двухпутного тоннеля метрополитена: 1 — поезд, 2 — двухпутный тоннель

1200 м. От одного портала к другому порталу движется поезд, состоящий из пяти вагонов 717 модели. Геометрические характеристики поперечного сечения тоннеля приведены на рис. 1.

В режиме движения поезда по участку тоннеля можно выделить четыре характерных фазы (см. рис. 2): а) разгон поезда на участке длиной 100 м от состояния покоя до скорости 90 км/ч, время разгона составляет 8 с; б) равномерное движение со скоростью 90 км/ч в течение 31,76 с; в) торможение на участке длиной 200 м со скорости 90 км/ч до полной остановки, время торможения составляет 16 с; г) стоянка поезда. Общее время эксперимента составляет 70 с.

Исследуемый участок тоннеля является составной частью сети метрополитена. Поэтому для определения динамики воз-

Рис. 2. График скорости движения поезда по тоннелю: а)разгон; б) равномерное движение; в) торможение; г) стоянка

ль

Or Л

Рис. 3. Расчетная схема метрополитена: Ст.1, ..., Ст. n-1, Ст. n, ... Ст.т — станции закрытого типа метрополитена; В.1,..., B.n-3,...,B.n, ...В.т-1, В.т — станционные венткамеры с выключенными вентиляторами (связь с наружным воздухом)

духораспределения в туннеле необходимо учесть аэродинамическое сопротивление оставшейся сети метрополитена.

Как было показано в [1], аэродинамические сопротивление потоку воздуха на разных участках линии метрополитена различается. Примем компоновочное решение станции метрополитена согласно [2]. Принципиально, линия метрополитена со станциями закрытого типа и двухпутным тоннелем представляет собой набор типовых аэродинамических сопротивлений — это путевые отсеки в пределах станций, станционные вентка-меры [2] и участки перегонных тоннелей (рис. 3), значения сопротивления которых известны. В качестве упрощения в исследовании принят ряд допущений: а) расположение исследуемого участка тоннеля принимается на значительном удалении как от тупиковых станций, так и от станций, соединяющих разные линии метрополитена; б) все вентиляторы в станционных венткамерах выключены. В связи с принятыми допущениями, аэродинамическое сопротивление по обе стороны от исследуемого участка является одинаковым.

Расчет величины аэродинамического сопротивления линии метрополитена «до» и «после» поезда велся по формулам для последовательно-параллельных сопротивлений [3] путем упрощения топологии сети. В расчете принято, что выход в атмосферу — общая точка. В результате получено значение аэродинамического сопротивление линии метрополитена «до» и «после», равное R = 0,0041425 k^.

При использовании программного пакета ANSYS Fluent могут быть реализованы различные способы моделирования аэродинамического сопротивления сети метрополитена. К ним относятся: а) создание на границах исследуемого участка эквивалентного отверстия, сопротивление которого равнялось бы сопротивлению сети; б) устройство вентиляционной сбойки определенного сечения и еще одного тоннеля параллельно

исследуемому; в) создание на границах исследуемого участка пористого тела с заданным сопротивлением. В случае (а) происходит нарушение структуры потока вблизи порталов моделируемого участка тоннеля, в случае (б) увеличивается размер конечно-элементной сетки модели и продолжительность расчета. Поэтому для моделирования аэродинамического сопротивления сети выбран способ (в).

Тоннель оказывает аэродинамическое сопротивление потоку воздуха только при его движении вдоль продольной оси тоннеля. Поэтому запишем согласно [4]:

Ap = C2 An 1 рЗ2, (1)

где C2 — коэффициент аэродинамического сопротивления пористого тела, 1/м; An — толщина пористого тела вдоль продольной оси тоннеля, м; р — плотность воздуха, кг/м3; S — скорость воздуха через пористое тело, м/с.

После преобразований найдем искомый коэффициент C2 через значение аэродинамического сопротивления R:

C2 = 9,8 • , (2)

Anp

где F — площадь поперечного сечения тоннеля, м2; R — аэродинамическое сопротивление, k^; 9,8 — перевод из мм.вод.ст в Па.

Подставляя исходные данные: F = 42,7 м2, R = 0,0041425 k^, р = 1,17 кг/м3, An = 0,5 м, получим C2 = 253.

Разбиение модели на конечно-элементную сетку проведено в модуле Meshgenerator программно-вычислительного комплекса ANSYS. Максимальный размер ячеек принят равным 0,5 м. При построении использованы методы sweep и patch independent, а также Inflation для построения пристеночных ячеек. Приемлемая высота пристеночных ячеек, равная 0,05 м, определялась по методике, описанной в [5] из условия, что безразмерное расстояние до стенки y+ должно находиться в пределах от 30 до 300.

Общее количество сеточных элементов составило 918 700. Качество построенной сетки оценивалось по двум критериям — Orthogonal Quality и Skewness. Orthogonal Quality должен лежать в пределах от 0,2 до 1,0 [6], и Skewness — в пределах от 0 до 0,8 [6]. Для построенной сетки Orthogonal Quality не ниже 0,2, а Skew-ness не выше 0,75.

При настройке препроцессора ANSYS Fluent приняты следующие положения:

• задача решалась как нестационарная. Всего при расчете было сделано 14 050 шагов по 0,005 с каждый (при общем времени процесса 70 с). Шаг по времени At в целях улучшения сходимости определялся из условия равенства значения критерия Куранта Ku = -9max • At/Ax = 0, 25 при максимальной скорости поезда Smax, равной 25 м/с и максимальном размере ячейки Ax, равном 0,5;

• для задания движения поезда произведена настройка динамической сетки методом layering. Количество перестроений равно количеству шагов по времени — 14 050.

Как сказано выше, размерность сетки составляет 918 700 ячеек, а количество перестроений 14 050. Поэтому для решения подобной задачи требуется большое количество вычислительных ресурсов. Расчет проведен на кластере НКС-30Т в Сибирском Суперкомпьютерном центре на базе Института Вычислительной математики и математической геофизики СО РАН. С учетом распараллеливания на 56 ядрах задача решена за неполных 9 суток.

В лаборатории рудничной аэродинамики ИГД СО РАН им. Чинакала проведены натурные исследования по определению давлений в носовой и хвостовой части поезда в Новосибирском метрополитене, описанные в работе [7]. Замеры проводились дифференциальными манометрами, установленными на лобовой поверхности головного и задней поверхности хвостового вагонов.

В результате обработки экспериментальных данных были получены следующие зависимости для определения давлений:

где в формулах (3) и (4) P fSV — давление на лобовой поверхности головного вагона, Па; P bSV — давление на задней поверхности хвостового вагона, Па; — скорость поезда, м/с.

Проведено сопоставление величин избыточного давления, рассчитанных по формулам (3) и (4) с данными, полученными путем численного моделирования в ANSYS Fluent при скорости поезда = 25 м/с. Замеры давления в модели проводились в той же точке на поверхностях головного и хвостового вагонов, где в натурном эксперименте были установлены приемники давления. Результаты сравнения приведены в таблице.

Как видно из таблицы, числа получены одного и того же порядка, невязка составляет 8,0% и 26,4%. Это можно объяснить:

PfSV = 0,6S£ + 0,64&я + 1,94 SV = -0,238S£ - 1,6523я + 3,1

(3)

(4)

Результаты сопоставления данных, полученных путем численного моделирования, с экспериментальными данными

По формулам (3) и (4) Численное моделирование Невязка, %

Р ^ Па 393 427 8,0

Р ^ Па -186,95 -254 26,4

а) натурные исследования подвержены различным независящим от исследователя факторам, полностью абстрагироваться от которых невозможно. Численное моделирование — это идеальный эксперимент; б) поезд, использованный в натурных исследованиях, имел реальные очертания и некую аэродинамическую обтекаемость. При численном моделировании для упрощения вагоны имитировались прямоугольными параллелепипедами с заведомо худшей обтекаемостью; в) натурные исследования проводились на участке однопутного тоннеля, моделирование проведено на участке двухпутного тоннеля. Поэтому можно сделать вывод о применимости модели.

При обработке расчетных данных получены графики изменения среднего по поверхности статического давления по времени движения поезда. Расчет среднего статического давления производился по формуле:

Р=

аюв

I Р ^

1=1_

п

IV

¿=1

(5)

Рис. 4. Динамика давлений на лобовой части хвостового и головного вагонов при движении поезда по тоннелю; верхний ряд точек — статическое давление на лобовой части головного вагона, нижний — на хвостовой части вагона

где P st. — статическое давление в /'-ом, примыкающем к поверхности, элементе сетки, Па; Vi — объем /'-го элемента, м3; n — количество элементов стеки, примыкающей к поверхности, шт.

Динамика изменения статического давления в лобовой части головного и хвостового вагонов приведена на рис. 4.

Из графика на рис. 4 видно, что величины давлений растут по модулю на фазе разгона, принимают некоторое стабильное значение в процессе равномерного движения, падают в процессе торможения, а при стоянке поезда колеблются около некоторого значения, примерно равному 0 Па. За 0 принято атмосферное давление.

Выводы

1. Разработана расчетная модель аэродинамических процессов при движении поезда в двухпутном тоннеле, подтверждена ее адекватность при сравнении с натурными экспериментами.

2. Установлены графические зависимости статического давления на лобовой поверхности головного и задней поверхности хвостового вагонов поезда при разгоне и торможении поезда в двухпутном тоннеле.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Красюк А. М. Тоннельная вентиляция метрополитенов. — Новосибирск: Наука, 2006. — 164 с.

2. Красюк А. М., Лугин И. В., Павлов С. А. и др. Патент № 2556558 РФ, МПК E 21 F 1/08. Способ вентиляции метрополитена. № 2014122746/03: заявл. 03.06.2014: опубл.10.07.2015, Бюл. № 19. - 8 с.

3. Цой С., Рязанцев Г.К. Принцип минимума и оптимальная политика управления вентиляционными и гидравлическими сетями. — Алма-Ата: Наука, 1968. — 260 с.

4. Ansys Fluent User's Help. Version 14.57.

5. Батурин О. В., Батурин Н. В., Матвеев В. Н. Расчет течений жидкостей и газов с помощью универсального программного комплекса Fluent. Учебное пособие. — Самара: Изд-во СГАУ, 2009. — 151 с.: ил.

6. ANSYS. Customer Training Material. Introduction to ANSYS Meshing.

7. Красюк А. М., Лугин И. В. Исследование динамики воздушных потоков в метрополитене от возмущающего действия поездов // ФТПРПИ. — 2007. — № 6. — С. 101—108. ЕШ

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ

Кияница Лаврентий Александрович — аспирант, Институт горного дела им. Н.А. Чинакала СО РАН, e-mail: [email protected].

Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2016. No. 11, pp. 400-407. L.A. Kiyanitsa

STUDY OF DYNAMICS OF PRESSURE ON THE SURFACE OF THE TRAIN ON DOUBLE-TRACK TUNNEL UNDERGROUND

The article presents the procedure and results of the study parameters of ambient air during the motion of a single train on the double-track underground tunnel. The dynamics of the pressure in the air volume of the tunnel, on the front surface of the front and tail of the train.

The research was carry out by numerical modeling in the internal volume of double-track tunnel for moving trains using finite element method. The research's result: graphical dependence of the static pressure on the frontal surface of the head and tail of a single wagon train in a double track tunnel from the speed of the train.

Key words: underground, double-track tunnel, piston action, computational simulation, aerodynamical processes, pressure.

AUTHOR

Kiyanitsa L.A., Graduate Student,

Chinakal Institute of Mining of Siberian Branch

of Russian Academy of Sciences, 630091, Novosibirsk, Russia,

e-mail: [email protected].

REFERENCES

1. Krasyuk A. M. Tonnel'naya ventilyatsiya metropolitenov (Tunnel ventilation subways), Novosibirsk, Nauka, 2006, 164 p.

2. Krasyuk A. M., Lugin I. V., Pavlov S. A. Patent RU 2556558, MPK E 21 F 1/08, 10.07.2015.

3. Tsoy S., Ryazantsev G. K. Printsip minimuma i optimal'nayapolitika upravleniya ven-tilyatsionnymi igidravlicheskimisetyami (Principle of minimum and optimum management policies ventilation and hydraulic networks), Alma-Ata, Nauka, 1968, 260 p.

4. Ansys Fluent User's Help. Vsrsion 14.57.

5. Baturin O. V., Baturin N. V., Matveev V. N. Raschet techeniy zhidkostey i gazov s pomoshch'yu universal'nogoprogrammnogo kompleksa Fluent. Uchebnoe posobie (Calculation of flows of liquids and gases by means of a universal program complex pro-Fluent. Educational aid), Samara, Izd-vo SGAU, 2009, 151 p.: ra.

6. ANSYS. Customer Training Material. Introduction to ANSYS Meshing.

7. Krasyuk A. M., Lugin I. V. Fiziko-tekhnicheskiyeproblemy razrabotkipoleznykh isko-payemykh. 2007, no 6, pp. 101—108.

I МЫСЛИ О РОЛИ КНИГИ В ОБЩЕСТВЕННЫХ ПРОЦЕССАХ

Если читатель не понимает смысла, заключенного в книге, из этого не следует, что его там нет.

udc 622.4+ 625.42