Поршневой эффект

Поршневой эффект относится к принудительному потоку воздуха внутри туннеля или шахты, вызванному движущимися транспортными средствами. ^{[ 1 ]} Это одно из многочисленных явлений, которые инженеры и проектировщики должны учитывать при разработке различных конструкций.

Причина

На открытом воздухе, когда транспортное средство движется, отброшенный в сторону воздух может двигаться в любом направлении, кроме земли. Внутри туннеля воздух удерживается стенками туннеля и движется по туннелю. Позади движущегося транспортного средства, когда воздух отталкивается, создается всасывание, и воздух втягивается в туннель. Кроме того, из-за вязкости жидкости поверхность транспортного средства притягивает воздух к транспортному средству, и эта сила воспринимается как сопротивление кожи транспортным средством . Это движение воздуха в автомобиле аналогично работе механического поршня внутри бензонасоса поршневого компрессора , отсюда и название «поршневой эффект». Эффект также аналогичен колебаниям давления внутри дренажных труб, когда сточные воды выталкивают воздух перед собой.

Поршневой эффект очень выражен в железнодорожных тоннелях, поскольку площадь поперечного сечения поездов велика и во многих случаях почти полностью заполняет сечение тоннеля . Ветер, ощущаемый пассажирами на платформах метрополитена (на которых не установлены экранированные двери ) при приближении поезда, представляет собой поток воздуха от поршневого эффекта. Эффект менее выражен в туннелях для автотранспортных средств, поскольку площадь поперечного сечения транспортного средства мала по сравнению с общей площадью поперечного сечения туннеля. Максимальный эффект достигается в однопутных туннелях, но зазор между подвижным составом и туннелем, а также форма передней части поезда влияют на его прочность. ^{[ 3 ]}

Поток воздуха, вызванный эффектом поршня, может оказывать большие силы на установки внутри туннеля, поэтому эти установки необходимо тщательно проектировать и устанавливать правильно. Иногда необходимы обратные заслонки , чтобы предотвратить остановку вентиляторов, вызванную этим потоком воздуха. ^{[ 3 ]}

Приложения

Проектировщикам зданий необходимо учитывать эффект поршня применительно к движению дыма внутри шахты лифта . ^{[ 4 ]} Движущаяся кабина лифта вытесняет воздух перед собой из шахты и втягивает воздух в шахту позади нее, причем эффект наиболее очевиден в лифтовых системах с быстро движущейся кабиной в одной шахте. Это означает, что при пожаре движущийся лифт может выбрасывать дым на нижние этажи. ^{[ 4 ]}

Эффект поршня используется в туннельной вентиляции. В железнодорожных туннелях поезд выталкивает воздух перед собой к ближайшей вентиляционной шахте впереди и всасывает воздух в туннель из ближайшей вентиляционной шахты позади него. Эффект поршня также может способствовать вентиляции в туннелях транспортных средств.

В подземных системах скоростного транспорта поршневой эффект способствует вентиляции и в некоторых случаях обеспечивает достаточное движение воздуха, чтобы сделать механическую вентиляцию ненужной. На более широких станциях с несколькими путями качество воздуха остается прежним и может даже улучшиться при отключении механической вентиляции. Однако на узких платформах с одним туннелем качество воздуха ухудшается, если для вентиляции используется только поршневой эффект. Это по-прежнему позволяет потенциально экономить энергию за счет использования поршневого эффекта, а не механической вентиляции, где это возможно. ^{[ 5 ]}

Туннельная стрела

Туннельный грохот — это громкий грохот, который иногда издают высокоскоростные поезда при выходе из туннелей. Эти ударные волны могут потревожить близлежащих жителей и повредить поезда и близлежащие постройки. Люди воспринимают этот звук так же, как звуковой удар сверхзвукового самолета. Однако, в отличие от звукового удара, туннельный взрыв не вызван превышением поездами скорости звука. Вместо этого туннельная стрела возникает из-за конструкции туннеля, препятствующей выходу воздуха вокруг поезда во всех направлениях. Когда поезд проходит через туннель, возникают волны сжатия перед ним . Эти волны сливаются в ударную волну , которая производит громкий грохот, когда достигает выхода из туннеля. ^{[ 6 ]}^{[ 7 ]} Сила этой волны пропорциональна кубу скорости поезда, поэтому эффект гораздо более выражен на более быстрых поездах. ^{[ 7 ]}

Туннельный грохот может беспокоить жителей вблизи устьев туннелей, и он усугубляется в горных долинах, где звук отражается эхом. Уменьшение этих помех является серьезной проблемой для высокоскоростных линий, таких как японский Синкансэн , французский TGV и испанский AVE . Туннельная стрела стала основным препятствием для увеличения скорости движения поездов в Японии, где гористая местность требует частого использования туннелей. В Японии принят закон, ограничивающий уровень шума в жилых районах до 70 дБ. ^{[ 8 ]} которые включают в себя множество зон выхода из туннеля.

профиля поезда Методы уменьшения стрелы туннеля включают в себя повышение аэродинамичности , установку колпаков на входах в туннель, ^{[ 9 ]} установка перфорированных стенок на выходах из туннеля, ^{[ 6 ]} и сверление вентиляционных отверстий в туннеле ^{[ 7 ]} (аналогично установке глушителя на огнестрельное оружие, но в гораздо большем масштабе). в В рамках проекта HS2 Соединенном Королевстве были разработаны туннельные колпаки с «пористым порталом», чтобы смягчить туннельный бум для жителей, а также свести к минимуму слуховой дискомфорт для пассажиров, который может возникнуть из-за изменений давления воздуха в поезде. ^{[ 10 ]}^{[ 11 ]}^{[ 12 ]}

Дискомфорт в ушах

Пассажиры и члены экипажа могут испытывать дискомфорт в ушах при въезде поезда в туннель из-за резких изменений давления. ^{[ 13 ]}

См. также

Сантехническая дренажная вентиляция

Сноски

^ «JR-Восточная (Восточно-Японская железнодорожная компания)» . Архивировано из оригинала 17 февраля 2012 года.
^ Hitachi Brasil Ltd. (16 августа 2011 г.). «Инновации и передовые технологии – Высокоскоростной поезд – Hitachi Brasil Ltda» . www.slideshare.net . Слайд 7.
^ Перейти обратно: ^а ^б Боннетт, Клиффорд Ф. (2005). Практическая железнодорожная инженерия . Издательство Имперского колледжа . стр. 174–175. ISBN 978-1860945151 . Проверено 20 января 2016 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б Клот, Джон Х.; Джордж Тамура (13 июня 1986 г.). «Эффект поршня лифта и проблема дыма» (PDF) . Журнал пожарной безопасности . 11 (2): 227–233. дои : 10.1016/0379-7112(86)90065-2 . S2CID 109519137 . Проверено 20 января 2016 г.
^ Морено, Т.; Перес, Н.; Рече, К.; Мартинс, В.; де Мигель, Э.; Капдевила, М.; Сентеллес, С.; Мингильон, MC; Амато, Ф.; Аластуэй, А.; Керол, X.; Гиббонс, В. (24 апреля 2014 г.). «Качество воздуха на платформах метро: оценка влияния туннельной вентиляции, эффекта поршня поезда и конструкции станции» . Атмосферная среда . 92 (август 2014 г.): 461–468. Бибкод : 2014AtmEn..92..461M . дои : 10.1016/j.atmosenv.2014.04.043 . hdl : 10261/218102 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Такаяма, К.; Сасо, А.; Онодера, О.; Канеко, Р.; Мацуи, Ю. (1 октября 1995 г.). «Экспериментальное исследование туннельного звукового удара». Ударные волны . 5 (3): 127–138. Бибкод : 1995ШВав...5..127Т . дои : 10.1007/BF01435520 . S2CID 122885346 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Овити, Б.; Белленуэ, М.; Кагеяма, Т. (февраль 2001 г.). «Экспериментальное исследование нестационарного аэродинамического поля за пределами тоннеля при въезде поезда». Эксперименты с жидкостями . 30 (2): 221–228. Бибкод : 2001ExFl...30..221A . дои : 10.1007/s003480000159 . S2CID 120337373 .
^ «Экологическое регулирование шумового загрязнения Синкансэн (1975, Агентство по охране окружающей среды) (японский)» Env.go.jp, дата обращения 1 октября 2012 г.
^ Исикава, Сатоши; Накаде, Кадзухиро; Ягинума, Кен-ичи; Ватанабэ, Ясуо; Масуда, Тору (2010). «Разработка новых вытяжек для входов в туннели» . Технический обзор JR East . 16 (Весна): 56–59 . Проверено 4 января 2016 г.
^ «Аэродинамический расчет тоннелей HS2» . Наследие обучения HS2 . 24 февраля 2021 года. Архивировано из оригинала 25 января 2022 года . Проверено 27 июня 2024 г.
^ «Шахты и порталы туннелей HS2» (PDF) . HS2.org.uk. Июнь 2019 г. Архивировано (PDF) из оригинала 4 августа 2021 г. Проверено 27 июня 2024 г.
^ Грант Прайор. «HS2 раскрывает дизайн туннельного портала с шумоподавлением» . Строительный опросник . Архивировано из оригинала 24 марта 2022 года . Проверено 27 июня 2024 г.
^ Се, Пэнпэн; Пэн, Юн; Ван, Тяньтянь; Чжан, Хунхао (апрель 2019 г.). «Риски жалоб на уши у пассажиров и водителей при прохождении поездов через туннели на высокой скорости: численное моделирование и экспериментальное исследование» . Международный журнал экологических исследований и общественного здравоохранения . 16 (7): 1283. doi : 10.3390/ijerph16071283 . ISSN 1661-7827 . ПМК 6480231 . ПМИД 30974822 .

Ссылки

Боннетт, Клиффорд Ф. (2005). Практическая железнодорожная инженерия (2-е изд.). Лондон, Великобритания: Издательство Имперского колледжа . ISBN 978-1-86094-515-1 . OCLC 443641662 .
Поршень

Внешние ссылки

[1] «JR-Восточная (Восточно-Японская железнодорожная компания)» . Архивировано из оригинала 17 февраля 2012 года.

[2] Hitachi Brasil Ltd. (16 августа 2011 г.). «Инновации и передовые технологии – Высокоскоростной поезд – Hitachi Brasil Ltda» . www.slideshare.net . Слайд 7.

[pre-3] Перейти обратно: ^а ^б Боннетт, Клиффорд Ф. (2005). Практическая железнодорожная инженерия . Издательство Имперского колледжа . стр. 174–175. ISBN 978-1860945151 . Проверено 20 января 2016 г.

[epeatsp-4] Перейти обратно: ^а ^б Клот, Джон Х.; Джордж Тамура (13 июня 1986 г.). «Эффект поршня лифта и проблема дыма» (PDF) . Журнал пожарной безопасности . 11 (2): 227–233. дои : 10.1016/0379-7112(86)90065-2 . S2CID 109519137 . Проверено 20 января 2016 г.

[subway-air-quality-5] Морено, Т.; Перес, Н.; Рече, К.; Мартинс, В.; де Мигель, Э.; Капдевила, М.; Сентеллес, С.; Мингильон, MC; Амато, Ф.; Аластуэй, А.; Керол, X.; Гиббонс, В. (24 апреля 2014 г.). «Качество воздуха на платформах метро: оценка влияния туннельной вентиляции, эффекта поршня поезда и конструкции станции» . Атмосферная среда . 92 (август 2014 г.): 461–468. Бибкод : 2014AtmEn..92..461M . дои : 10.1016/j.atmosenv.2014.04.043 . hdl : 10261/218102 .

[takayama1995-6] Перейти обратно: ^а ^б Такаяма, К.; Сасо, А.; Онодера, О.; Канеко, Р.; Мацуи, Ю. (1 октября 1995 г.). «Экспериментальное исследование туннельного звукового удара». Ударные волны . 5 (3): 127–138. Бибкод : 1995ШВав...5..127Т . дои : 10.1007/BF01435520 . S2CID 122885346 .

[fluids-2001-7] Перейти обратно: ^а ^б ^с Овити, Б.; Белленуэ, М.; Кагеяма, Т. (февраль 2001 г.). «Экспериментальное исследование нестационарного аэродинамического поля за пределами тоннеля при въезде поезда». Эксперименты с жидкостями . 30 (2): 221–228. Бибкод : 2001ExFl...30..221A . дои : 10.1007/s003480000159 . S2CID 120337373 .

[8] «Экологическое регулирование шумового загрязнения Синкансэн (1975, Агентство по охране окружающей среды) (японский)» Env.go.jp, дата обращения 1 октября 2012 г.

[ishikawa2010-9] Исикава, Сатоши; Накаде, Кадзухиро; Ягинума, Кен-ичи; Ватанабэ, Ясуо; Масуда, Тору (2010). «Разработка новых вытяжек для входов в туннели» . Технический обзор JR East . 16 (Весна): 56–59 . Проверено 4 января 2016 г.

[10] «Аэродинамический расчет тоннелей HS2» . Наследие обучения HS2 . 24 февраля 2021 года. Архивировано из оригинала 25 января 2022 года . Проверено 27 июня 2024 г.

[11] «Шахты и порталы туннелей HS2» (PDF) . HS2.org.uk. Июнь 2019 г. Архивировано (PDF) из оригинала 4 августа 2021 г. Проверено 27 июня 2024 г.

[12] Грант Прайор. «HS2 раскрывает дизайн туннельного портала с шумоподавлением» . Строительный опросник . Архивировано из оригинала 24 марта 2022 года . Проверено 27 июня 2024 г.

[13] Се, Пэнпэн; Пэн, Юн; Ван, Тяньтянь; Чжан, Хунхао (апрель 2019 г.). «Риски жалоб на уши у пассажиров и водителей при прохождении поездов через туннели на высокой скорости: численное моделирование и экспериментальное исследование» . Международный журнал экологических исследований и общественного здравоохранения . 16 (7): 1283. doi : 10.3390/ijerph16071283 . ISSN 1661-7827 . ПМК 6480231 . ПМИД 30974822 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]