CC BY
75
------------------------------------- © А.М. Красюк, И.В. Лугин,
С.А. Павлов, 2009
УДК 624.191.94
А.М. Красюк, И.В. Лугин, С.А. Павлов
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВОЗДУХОРАСПРЕДЕЛЕНИЯВ ВЕНТИЛЯЦИОННОЙ СЕТИ МЕТРОПОЛИТЕНА С УЧЕТОМ ПОРШНЕВОГО ДЕЙСТВИЯ ПОЕЗДОВ
Рассмотрены результаты численного моделирования воздухораспределения на статической модели вентиляционной сети метрополитена. Представлена ква-зи-динамическая модель поршневого действия поезда в тоннеле и показано его влияние на воздухораспределение в сети метрополитена.
Ключевые слова: вентиляция транспортных тоннелей, поршневой эффект, вентиляционная сеть метрополитена.
ентиляция транспортных тоннелей, в том числе и метро-
X-# политенов, является одной из важнейших систем их жизнеобеспечения. На параметры вентиляции метрополитена, осуществляемой посредством тоннельных вентиляторов, значительное влияние оказывает поршневое действие движущихся поездов -"поршневой эффект". Особенно велико оно в метрополитенах мелкого заложения из-за существенной аэродинамической связи тоннелей с атмосферой. В метрополитенах мелкого заложения на территориях с резко-континен-тальным 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 и естественной тяги, параметры которых зависят от интенсивности движения, направления движения поездов, их расположения на перегонах между станциями и топологии вентиляционной сети. Поэтому задача расчета воздухораспределения, вызванного "поршневым эффектом" - весьма актуальна.
Следует отметить, что реальная вентиляционная сеть метрополитена содержит большое число открытых параллельных ветвей. Т.к. размерность полного графа вентиляционной системы составляет не менее 500 узлов и 500 ветвей, расчет воздухораспределения возможен лишь численными методами с применением ЭВМ. Результатам такого расчета органически свойственны недостатки, ко-
торые затрудняют получение общих закономерностей для всех метрополитенов. К этим недостаткам относится привязанность модели к конкретной реальной сети с ее специфическими, присущими только ей особенностями. Поэтому расчеты велись при помощи обобщенной схемы вентиляционной сети.
Для разработки обобщенной сети потребовалось провести упрощение модели с использованием методов описанных в [1, 2]. В результате упрощения исходной вентиляционной сети выделен основной элемент «перегон» включающий в себя две станции, ограничивающие перегон, станционные венткамеры, пассажирские пути, тоннели, вентсбойки и перегонную венткамеру. При расчете аэродинамических сопротивлений этих ветвей использованы усредненные значения для соответствующих участков вентиляционной сети станций и тоннелей метрополитена мелкого заложения. В результате получена упрощенная модель, которая скомпонована из блоков «перегон» (см. рис. 1). Эта модель вентиляционной сети может представлять линию с любым количеством станций и легко поддается исследованию.
При создании такой модели были приняты следующие допущения:
- режим работы вентиляции соответствует используемому в настоящее время в Новосибирском метрополитене: станционные вентиляторы работают на вытяжку, а перегонные отключены, их шиберные аппараты открыты;
- рассматриваемая линия с обеих сторон ограничена тупиками.
Для выявления общих закономерностей воздухораспределения
в протяженной сети были рассмотрены модели линий метро, состоящие из 10 станций. Для всех станционных венткамер режим работы вентиляторов одинаков.
В случае статического воздухораспределения выполняется закон неразрывности потока: расход воздуха во всех сечениях тоннеля одинаков. Следовательно, одинаковы и средние скорости воздуха перед поездом и за ним. Это является одним из основных отличий статической модели воздушного потока от динамической. Анализ полученных зависимостей показывает, что моделирование потока воздуха перед и после поезда, в статической модели, необходимо представить двумя фиктивными
Рис. 1. Упрощенная расчетная схема вентиляционной системы линии метрополитена
Рис. 2. Схема модели поезда вентилятор, моделирующий: 1 - разрежение воздуха за хвостовым вагоном (рис. 4); 2 - повышение давления воздуха перед головным вагоном (рис. 4); 3 - аэродинамическое сопротивление зазора между поездом и стенками тоннеля Rz (рис. 3); 4 - сопротивление рассеяния, Rd; Уп - направление
скорости поезда; О и О - производительность вентиляторов 1 и 2.. Стрелками показано направление движения воздуха
источниками давления - вентиляторами. Это позволит адекватно описать фронт давления воздуха на лобовой и хвостовой поверхностях поезда. Вентиляторы связанны между собой аэродинамическим сопротивлением, соответствующим сопротивлению зазора между поездом и тоннелем (рис. 2).
Аэродинамическое сопротивление зазора определяется через перепад статического давления перед и после поезда и по расходу воздуха в зазоре по данным [3], и составляет 0.0074 кц. Вентилятор, моделирующий повышенное давление перед поездом, всасывающим входом соединен с атмосферой, а нагнетательным выходом - с тоннелем, причем перед поездом добавляется дополнительное переменное сопротивлением = f (з) (рис. 3), названное нами "сопротивлением рассеяния". Величина сопротивления рассеяния является функцией расстояния з от передней поверхности поезда до той точки в тоннеле, в которой определяется скорость воздуха. Она рассчитывается так, чтобы расход уменьшался по линейному закону и на расстоянии равном 40...50 калибрам тоннеля поток воздуха от поршневого действия поезда практически полностью затух и имел скорость невозмущенного потока.
Для повышения точности моделирования статического давления воздуха перед поездом и за ним, авторами были проведены экспериментальные исследования [4], суть которых состояла в замерах давления через приемники, установленные на лобовых поверхностях головного и хвостового вагонов метропоезда.
Исследования воздухораспределения в вентиляционной сети Новосибирского метрополитена проведены при помощи программного обеспечения, разработанного в ИГД СО РАН.
Рассмотрены варианты воздухораспределения при различном расположении движущихся поездов на перегонах моделируемой линии. Влияние поршневого действия поездов оценивалось по изменению расхода воздуха через платформенный зал станции. В качестве базового варианта рассмотрен случай линии без поездов, когда воздухообмен обеспечивается действием станционных вентиляторов (рис. 5, а).
Вариант 5б - на перегоне 1-2 находится поезд, который движется по направлению к тупиковой станции 1. На ст.1 расход снизился на 33 % на станции 2 расход увеличился на 28 %; существенное влияние распространяется на расстояние 3 станций от поезда.
Рис. 4. Распределение и графики статического давления воздуха перед поездом и за ним в зависимости от скорости движения
Вариант 5в - на перегоне 5-6 находится поезд, который движется по направлению к станции 5. На станции 5 расход увеличился на 33 %, на станции 6 увеличился на 41 %, существенное влияние перед поездом 1 станция, за поездом 2 станции.
Вариант 5г - на перегоне 9-10 находится поезд, который движется по направлению к станции 9. На станции 9 расход увеличился на 1 %, на станции 10 увеличился на 25 %, существенное влияние 1 станция.
Также рассмотрено изменение воздухораспределения на линии при одновременном движении двух поездов (рис. 6).
Вариант 6а - на одном полуперегоне между 5-й и 6-й станциями движутся одновременно два поезда в противоположных направлениях. На станции 5 расход увеличился на 22 %, на станции 6 увеличился на 22 %, существенное влияние отсутствует. Сравнение с вариантом 5в показывает, что при наличии на перегоне двух поездов их влияние взаимно компенсируется, вызывая меньшее снижение расхода на платформах станций и снижение зоны влияния возмущений воздухораспределения.
поездов на линии нет, воздухообмен за счет вентиляторов
поезд движется на перегоне между 5-ой и 6-ой станциями
станциями
поезд движется на перегоне между 9-ой и 10-ой станциями
Рис. 5. Воздухораспределение на линии: а) без поездов; б-г) один поезд
О м/с
на перегоне между 5-ой и 6-ой станциями два поезда движутся в противоположных на-
движутся одновременно два поезда в проти- правлениях, первый находится в перегоне
воположных направлениях между 1-ой и 2-ой станциями, другой - меж-
ду 9-ой и 10-ой
бб
станции
2
3
4
7
8
9
1 23456789 10
поезда сходятся
поезда расходятся
Рис. 6. Воздухораспределение на линии при одновременном поршневом действии двух поездов
Вариант 6в - поезда находятся на разных полуперегонах между станциями 5-6, по обе стороны от перегонной вентиляционной камеры. На станции 5 расход увеличился на 2 %, на станции 6 увеличился на 2 %. Изменение воздухораспределения и радиус влияния еще ниже. Можно констатировать, что влияние не существенно.
Вариант 6б - поезда движутся навстречу с концов линии (перегоны 1-2 и 9-10), радиус значимого влияния - 3 станции, расход на линии изменяется симметрично, на ст. 1 вырастает на 36 %, на станции 2 на 3 %.
Вариант 6г - поезда движутся к тупикам (перегоны 1-2 и 9-10), радиус значимого влияния - 2 станции, расход на линии изменяется симметрично, но более существенно, чем при подобном варианте 5 б, на станции 1 снизился на 33 %, на станции 2 вырос на 28 %.
Выводы:
1. Поршневое действие поездов оказывает существенное влияние на воздухораспределение в сети метрополитена мелкого заложения в пределах от 1-го до 3-х перегонов в зависимости от топологии. Поэтому расчеты должны проводится с учетом поршневого действия поездов.
2. Существует значительная взаимосвязь параметров воздушного потока в тоннеле с количеством и взаимным расположением поездов на перегонах.
---------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Цой С., Рогов Е.И. Основы теории вентиляционных сетей. Алма-Ата, «Наука», 1965 г., 284с.
2. Шепелев С.Ф., Слепых В.Ф., Вязниковцев Е.В. Методические указания по составлению, упрощению, расчету и проектированию рудников. Алма-Ата, Академия наук Казахской ССР, Институт горного дела, Казахская комиссия по борьбе с силикозом, 1973г., 160 с.
3. 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.
4. Красюк А.М., Лугин И.В., Чигишев А.Н. Исследования потоков воздуха от возмущающего действия поездов // Метро и тоннели. Изд-во «ТА Инжиниринг».-2007-№5.-С.10-11.
Krasuk A.M., Lugin I. V., Pavlov S.A.
MATHEMATICAL MODELLING OF AIR DISTRIBUTION IN A VENTILATING NETWORK OF UNDERGROUND RAILWAY TAKING INTO ACCOUNT PISTON ACTION OF TRAINS
The results of mathematical simulation of air distribution are considered on the static model of underground railway ventilation.
Quasi- dynamic model of piston action train in a tunnel is presented in this article. The influence of piston action of trains on the air distribution in underground railway is also shown here.
Key words: Ventilation of transport tunnels, piston effect, ventilating network of underground.
— Коротко об авторах ----------------------------------------------------
Красюк А.М. - доктор технических наук; доцент; ведущий научный сотрудник лаборатории рудничной аэродинамики; Институт горного дела Сибирского отделения Российской академии наук; E-mail -
krasuk@cn.ru
Лугин И.В. - кандидат технических наук; доцент; старший научный сотрудник лаборатории рудничной аэродинамики; Институт горного дела Сибирского отделения Российской академии наук; E-mail —
ivlugin@misd.nsc.ru
Павлов С.А. - аспирант лаборатории рудничной аэродинамики; Институт горного дела Сибирского отделения Российской академии наук; Email - pavlov_s_a@inbox.ru
