Исследование циркуляционных колец в сети тоннельной вентиляции метрополитена, возникающих от поршневого действия поездов Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

--------------------------------------- © А.М. Красюк, И.В. Лугин,

С.А. Павлов, 2011

А.М. Красюк, И.В. Лугин, С.А. Павлов

ИССЛЕДОВАНИЕ ЦИРКУЛЯЦИОННЫХ КОЛЕЦ В СЕТИ ТОННЕЛЬНОЙ ВЕНТИЛЯЦИИ МЕТРОПОЛИТЕНА, ВОЗНИКАЮЩИХ О Т ПОРШНЕВОГО ДЕЙСТВИЯ ПОЕЗДОВ

Рассмотрены результаты математического моделирования и натурного эксперимента по исследованию воздухораспределения от поршневого действия поездов на линии метрополитена. Описано возникновение циркуляционных колец в сети тоннельной вентиляции метрополитена и регулирование воздухо-распределения путем управления их топологией.

Ключевые слова: метрополитен, воздухораспределение, «поршневой эффект», циркуляционные потоки, циркуляционные сбойки.

Сростом крупных городов обостряется проблема развития наземных транспортных коммуникаций. Метрополитен является одним из наиболее совершенных видов городского транспорта, способного справиться с высокой интенсивностью пассажиропотока. Вентиляция выполняет важнейшую функцию в системе жизнеобеспечения метрополитенов. Эксплуатационные показатели метрополитена в значительной степени зависят от эффективности и конструктивного совершенства его систем вентиляции, на которую существенное влияние оказывают как интенсивность перевозок в метрополитене, так и метеорологические и гидрогеологические условия города, в котором он расположен.

Кроме того, на воздухораспределение в системе вентиляции метрополитена значительное влияние оказывает поршневое действие движущихся поездов - "поршневой эффект". В метрополитенах мелкого заложения, из-за существенной аэродинамической связи тоннелей с атмосферой, это влияние особенно велико. В зимний период на территориях с резко-континентальным климатом и отрицательными температурами атмосферного воздуха в метрополитенах мелкого заложения тоннельные вентиляторы отключают, чтобы не переохладить подземные сооружения приточным воздухом. В этот период поршневое действие движущихся поездов является основным средством вентиляции. Поэтому задача исследования

воздухораспределения, вызванного "поршневым эффектом" -весьма актуальна.

В работе [1], предложена математическая модель, позволяющая описать действия «поршневого эффекта» от поездов. Модель позволяет рассчитать расход и статическое давление воздуха в тоннеле в зависимости от скорости и расположения поезда. Воспользовавшись этим методом, можно исследовать воздухораспределе-ние на подземных станциях, обусловленное поршневым действием поездов.

Для проверки адекватности математической модели реальным процессам воздухораспределения, проведен натурный эксперимент в Новосибирском метро. Исследования проводились совместно со специалистами электромеханической службы. В условиях действующего метрополитена такой эксперимент можно провести только в выработке по которой не ходят поезда, но в которой наблюдается ярко выраженный «поршневой эффект». Такими выработками являются сбойки между тоннелями.

Для проведения эксперимента выбирался участок вентиляционной сети, удовлетворяющего требованиям аэродинамических измерений. Наиболее важным условием было наличие протяженного прямолинейного канала вентиляционной сбойки, в которой планировалось проводить замеры. Это обусловлено тем, что воздушный поток должен быть однородным, линии тока параллельные, чтобы влияние возмущений от препятствий и поворотов было минимальным и не искажало результаты измерений. Как наиболее удовлетворяющая требованиям, для замеров была выбрана вентиляционная сбойка венткамеры на перегоне «Площадь Ленина» -«Октябрьская» Ленинской линии Новосибирского метрополитена.

В пунктах 1 и 2 были установлены осреднительные приемники полного и статического давления с приемными отверстиями, направленными внутрь вентсбойки, и соединенные с манометрами посредством силиконовых трубок. В пункте 3 располагалось замерное оборудование. Для проведения эксперимента использовались: - дифференциальный манометр ДМЦ-01М, оснащенный интерфейсом RS-232 и соединенный с ноутбуком, фиксирующий динамическое давление воздушного потока от проходящего в тоннеле поезда; - электронный микроманометр ММЭ-3, также фиксирующий динамическое давление воздушного потока от проходящего в тоннеле поезда.

вентиляционная —*і

сбойка ^| ! ' \

правый путь

к станции «Площадь Ленина» поезд

левый путь

к станции «Октябрьская»

( )( )Г

х

'Її'}

Вид С - С

направление движения поезда Сі

го

Б

Вид А

правый путь

левый путь

О-

*2*12

Ж" Вид Б

Рис. 1. Схема расположения замерных пунктов в вентсбойке на перегоне «Площадь Ленина» - «Октябрьская»: 1, 2 - пункты, оснащенные осреднительными приемниками давления; 3 - дифференциальный манометр, подключенный к ноутбуку

Осреднительные приемники давления замерного пункта 1 воспринимали давление воздуха от приближающегося к вентсбойке поезда, движущегося по левому пути со стороны станции «Площадь Ленина» (рис. 1, поз. а). Переключение на осреднительные приемники давления замерного пункта 2 происходило за то время (около 4 с), пока поезд проходил мимо вентсбойки. Когда поезд оказывался в позиции б, осреднительные приемники давления замерного пункта 2 фиксировали давление потока воздуха, возникающего в результате разрежения за хвостовым вагоном состава.

Также были проведены численные эксперименты на математической модели вентиляционной сети Новосибирского метрополитена, с учетом поршневого действия поездов. Оценивался расход воздуха в вентиляционной сбойке, в которой проводились натурные замеры.

На рис. 2 приведены результаты численных экспериментов, графики изменения динамического давления от поршневого действия поездов на основании результатов замеров ДМЦ-01М и электронного микроманометра ММЭ-3.

Численное моделирование воздухораспределения, вызванного поршневым действием поездов, показало хорошую сходимость с экспериментальными данными. В среднем расхождение не превышает 10%. Это подтверждает адекватность предложенной математической модели статического воздухораспре-деления, учитывающей динамику движения воздуха в тоннелях метрополитена от поршневого действия поездов.

Вентиляционные сети конкретных метрополитенов, кроме большого количества общих свойств, имеют и присущие только им особенности, что затрудняет получение и изучение общих закономерностей. Для исследования воздухораспределения была разработана обобщенная вентиляционная сеть [2]. Эта модель вентиляционной системы может представлять линию с любым количеством станций и легко поддается исследованию. Таким образом, получен инструмент для исследования влияния поршневого действия поездов на воздухораспределения в метрополитенах мелкого заложения.

Для выявления общих закономерностей воздухораспределения в протяженной сети были рассмотрены модели линий метро, состоящие из 10-ти станций.

Рис. 2. Изменения динамического давления от движущегося поезда: 1 - результаты численных экспериментов; 2 -среднеарифметическое результатов, зафиксированных дифференциальным манометром ДМЦ-01М; 3 - среднеарифметическое результатов, зафиксированных электронным микроманометром ММЭ-3; на шкале расстояния за 0 принято положение поезда «а» (рис. 1); заштрихованная стрелка показывает направление движения поезда

Со стороны станции № 1 линия ограничена тупиком, а станция №10 имеет выход на дневную поверхность. Такие линии часто встречаются в метрополитенах мелкого заложения, например, в Новосибирске.

Чтобы оценить влияние поршневого действия поездов на линии, рассматривалось изменение расхода воздуха через платформенные залы станций. В начале исследований был выбран базовый (летний) режим работы тоннельной вентиляции, с которым сравнивались все последующие результаты расчетов воздухораспределе-ния. При базовом режиме работы вентиляции: поезда отсутствуют на линии; перегонные вентиляторы выключены, их шиберные аппараты находятся в открытом положении, как и затворы ГО; в станционных венткамерах один вентилятор ВОМД-24 (0=15°) работает с постоянной производительностью (2=31м3/с) на вытяжку, второй вентилятор выключен, а его шиберный аппарат находится в закрытом положении. В таком режиме средний расход воздуха через платформенный зал станции составляет 20 - 30 м3/с. Эти расходы воздуха, приняты в качестве базовых, так как даже при минимальном угле установки лопаток рабочего колеса (в = 15°) для тоннельных вентиляторов ВОМД-24, расход воздуха через платформенные залы станций обобщенной линии метрополитена будет превышать требуемые, для удаления вредностей. С ними сравнивались объемы воздуха, перемещаемые через станции «поршневым эффектом» при прохождении поезда по перегонам примыкающим к рассматриваемой станции.

Для различных станций воздухообмен будет разным из-за влияния топологии линии метрополитена и расположения на ней рассматриваемой станции [3]. На рис. 3 представлены некоторые результаты расчета воздухообмена через платформенные залы станций при движении поезда по линии. При увеличении интенсивности движения поездов, увеличивается количество их встреч на линии. Были смоделированы все возможные ситуации, при которых поезда встречаются на перегонах. На рис. 4 представлены некоторые результаты различного взаиморасположения поездов на линии. В столбце «а» представлены результаты при расположения поездов на перегонах вблизи «тупиковой» [3] станции; в столбце «б» - на перегонах «промежуточных» станций; в столбце «в» -вблизи «атмосферной» станции.

Q, м /с 40

а

0

Q, м /с 40 и-------------

~б~

1 2 3 4 5 6 7

станции

9 10

9 10

г

3 4 5 6 Т

станции

~ё 9 10

Рис. 3. Расход воздуха Q через платформенные залы станций от поршневого действия одного поезда; точками показаны расходы воздуха при работе тоннельных вентиляторов в базовом режиме; заштрихованный прямоугольник показывает местоположение поезда на линии; заштрихованная стрелка показывает направление движения поезда

Рис. 4. Расходы воздуха через платформенные залы станций линии метрополитена от поршневого действия движущихся поездов

Пешеходные выходы Пешеходные выходы Пешеходные выходы

на поверхность на поверхность на поверхность

Пешеходные выходы Пешеходные выходы Пешеходные выходы

на поверхность на поверхность на поверхность

Рис. 5. Схема образования циркуляционных потоков: №4, №5, №6 - платформенные залы станций; стрелки показывают направление движения воздуха; цифры рядом со стрелками - расходы воздуха, м3/с; заштрихованный прямоугольник - поезд; заштрихованная стрелка - направление движения поезда; пунктиром выделены главные циркуляционные контуры

Эти исследования подробно рассмотрены в работах [4, 5]. В результате установлено, что на перегоне формируется циркуляционное кольцо, инициированное поршневым действием поездов. С увеличением интенсивности движения, поезда, двигаясь по параллельным тоннелям в противоположных направлениях, начинают все чаще пересекать одну и ту же путевую отметку в тоннелях и на станциях. На рис. 5, б два поезда одновременно прибывают на станцию №5, тем самым создавая дополнительные сопротивления на этом участке сети и большая часть воздуха вовлекается в главные циркуляционные контуры. Приближаясь к станции, поезд толкает через платформу перед собой воздух, значительная часть этого потока через вентсбойку поступает в параллельный тоннель, и только 19 % поступает на станцию. При движении одного поезда на станцию поступает 47 % от общего потока воздуха (рис. 5, а).

На рис. 5, в два поезда одновременно отходят от станции, создавая позади себя зону разрежения, вследствие чего на станцию затягивается через вестибюль и станционную венткамеру атмосферный воздух. В тоннелях возникают циркуляционные контуры, в которых поезд частично увлекает за собой воздух со станции, но большую часть (81 % от всего потока) - из параллельного тоннеля.

Мероприятия, направленные на размыкание циркуляционных колец, приводят к увеличению расходов воздуха через платформенные залы станций. Наиболее перспективным способом регулирования воздухораспределения при размыкании циркуляционных колец является полное или частичное перекрытие поперечного сечения пристанционных вентсбоек. Была выявлена зависимость изменения расходов воздуха на станциях от степени перекрытия циркуляционных сбоек и от частоты движения поездов. В среднем, площадь поперечного сечения пристанционных циркуляционных сбоек составляет 92 м2. Проведенные исследования показали, что уменьшение площади циркуляционных сбоек до 46 м2 не оказывает существенного влияния на воздухораспределение на станциях. Но при дальнейшем уменьшении площади сечения циркуляционных сбоек и увеличении интенсивности движения поездов на линии, расходы воздуха через платформенные залы станций начинают стремительно возрастать.

Для оценки эффективности регулирования расхода воздуха через станции рассмотрены три наиболее характерных размера

сечения сбоек (рис. 6): 92 м2 - сбойка не перекрыта (0% перекрытия), результат показан в левом столбце для каждой интенсивности движения поездов; 23 м2 (75% перекрытия) - в среднем столбце и 0 м2 (100 % перекрытия) - в правом столбце.

Согласно рекомендациям для проектировщиков, циркуляционные сбойки предназначены для снижения эффекта «дутья» в вестибюлях станций. В работе [6] так же говориться о том, что отсутствие циркуляционных сбоек или полное закрытие их сечения приводит к сильному «дутью» через выходы пассажиров из вестибюлей станций на поверхность.

Это влияние было исследовано с помощью численных экспериментов на математической модели обобщенной вентиляционной сети метрополитена мелкого заложения. На рис. 7 представлены результаты расходов воздуха через пешеходные выходы на поверхность.

Как можно увидеть из полученных гистограмм, разность расходов воздуха при открытой и полностью закрытой циркуляционной сбойке для малой интенсивности движения поездов не превышает 10%. Для частоты движения 10 пар поездов в час разница «дутья» через пешеходные выходы в среднем увеличивается на 7%. Когда на линии движутся 20 пар поездов в час, «дутье» через пешеходные выходы на поверхность начинает незначительно снижаться.

Выводы

1. При движении поезда по тоннелю, в вентиляционной сети перегона образуется главное циркуляционное кольцо, причем расход воздуха, вовлекаемый в циркуляцию, увеличивается с повышением количества встреч поездов на линии, что приводит к уменьшению удельного расхода воздуха на станциях.

2. Мероприятия, направленные на размыкание циркуляционных колец, приводят к увеличению расходов воздуха через платформенные залы станций.

3. Уменьшение площади поперечного сечения пристанционных циркуляционных сбоек от 46 м2 до полного перекрытия ведет к увеличению расходов воздуха от «поршневого эффекта» через платформенные залы станций в 1,1...6,4

О, м3/ч хЮ4 25

20

15

10

5

0

Рис. 6. Расходы воздуха, перемещаемые через платформенные залы станций за час: а - 1 пара в час; б - 10 пар в час; в - 20 пар в

час; 0 - 0% перекрытия площади циркуляционных сбоек; 0.75 - 75% перекрытия площади циркуляционных сбоек; 1 - 100% перекрытия площади циркуляционных сбоек

\а\б ■>!

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

п П Г Г 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 _ Г - |1 и г . г 0.75 0 1 гг

А таг г Г ГГ Г1 ГГ Г! - Я " гттт[ Т

станции

а

м

3/ч х 104

Д1Й

I г -=л— 1

а \ б\ в\

I I I I

щ

0.75

И

й

5 10

станции

Рис. 7. Расходы воздуха, перемещаемые через вестибюли станций за час: а - 1 пара в час; б - 10 пар в час; в - 20 пар в час; 0 - 0% перекрытия площади циркуляционных сбоек; 0.75 - 75% перекрытия площади циркуляционных сбоек; 1 - 100% перекрытия площади циркуляционных сбоек

раза, в зависимости от частоты движения поездов, при этом расходы воздуха через вестибюли станций увеличиваются не более чем на 7-10%.

1. Красюк А.М., Лугин И.В. Исследование динамики воздушных потоков от возмущающего действия поездов в от возмущающего действия поездов в метрополитене // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. -2007. - №6. - С. 87-94.

2. Красюк А.М., Лугин И.В., Павлов С.А. Математическое моделирование воздухораспределения в вентиляционной сети метрополитена с учетом поршневого действия поездов // Горный информационно-аналитический бюллетень. Тематическое приложение: Аэрология. М. МГГУ. - 2009. - С. 48 - 57.

3. Павлов С.А. Исследование воздухораспределения от поршневого действия поездов. // Сборник трудов молодых ученых. - 2010

4. Красюк А.М., Лугин И.В., Павлов С.А. Об эффекте возникновения циркуляционных колец и их влиянии на воздухораспределение в метрополитене мелкого заложения // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. Новосибирск. -2010. - №4. - С. 75 - 82.

5. Красюк А.М., Лугин И.В., Павлов С.А., Чигишев А.Н. Влияние поршневого действия поездов на тоннельную вентиляцию метрополитена мелкого заложения // Метро и тоннели. Изд-во "ТА Инжиниринг".- 2010.- №2.- С.30 - 32.

6. Цодиков В.Я. Вентиляция и теплоснабжение метрополитенов / В.Я. Цоди-ков - М.: Недра, 1975.-237 с. \ЕШ

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ ---------------------------------------------

Лугин Иван Владимирович - кандидат технических наук, доцент, старший научный сотрудник лаборатории рудничной аэродинамики, Институт горного дела Сибирского отделения Российской академии наук,

E-mail: ivlugin@misdnsc.ru

Красюк Александр Михайлович - доктор технических наук; профессор, ведущий научный сотрудник лаборатории рудничной аэродинамики, Институт горного дела Сибирского отделения Российской академии наук.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ