Моделирование возмущений воздушного потока при движении поездов в двухпутном тоннеле метрополитена

Е.Л. Алферова, И.В. Лугин, Л.А. Кияница

МОДЕЛИРОВАНИЕ ВОЗМУЩЕНИЙ ВОЗДУШНОГО ПОТОКА ПРИ ДВИЖЕНИИ ПОЕЗДОВ В ДВУХПУТНОМ ТОННЕЛЕ МЕТРОПОЛИТЕНА

Представлены порядок проведения и результаты исследования параметров воздушной среды при движении и встрече двух поездов в двухпутном тоннеле метрополитена на скорости 90 км/ч. Рассмотрена динамика давления в воздушном объеме тоннеля, на поверхности вагонов поездов и расходы воздуха на границах рассматриваемого участка. Исследование проведено путем численного моделирования процессов аэродинамики во внутреннем объеме двухпутного тоннеля при движении поездов с использованием метода конечных элементов. Проведено обоснование параметров модели и ее реализации методом конечных элементов параметры модели. Обоснованы параметры построения расчетной сетки и временного шага расчета для соответствия моделируемых процессов реальным. По результатам исследования определены диапазоны и динамика изменения давления на поверхности поездов при встрече их в двухпутном тоннеле на большой скорости движения, показано, что такие величины давления могут иметь негативные последствия для здоровья пассажиров; рассчитана величина воздухообмена на границах участка от поршневого действия поездов, выявлено, что она носит колебательный характер с максимальным значением до 30 м3/с и несущественно влияет на проветривание участка тоннеля.

Ключевые слова: метрополитен, двухпутный тоннель, поршневое действие, численное моделирование, аэродинамические процессы, перепад давления, воздухообмен.

Современные мировые тенденции свидетельствуют об изменении конструктивных решений и способов строительства метрополитенов в направлении замены двух однопутных тоннелей, традиционных для России и СНГ, одним двухпутным. Создание линии метрополитена с двухпутным тоннелем требует новых подходов в проектировании тоннельной вентиляции, особенно при повышенных скоростях и высокой частоте движения поездов. Известно, что до 2020 г. планируется пустить в эксплуатацию двухпутные участки в Новосибирском (станции

ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2016. № 6. С. 5-14. © 2016. Е.Л. Алферова, И.В. Лугин, Л.А. Кияница.

УДК 622.4+625.42

«Гусинобродская» и «Молодежная»), Московском (Кожуховская линия) и Екатеринбургском метрополитенах (вторая линия). Опыта проектирования вентиляции и эксплуатации таких метрополитенов в России нет, поэтому задачи разработки систем тоннельной вентиляции, изучения их работы в различных режимах и влияния их на конструкции поездов и сооружений метрополитена весьма актуальны.

Для обеспечения комфортного пребывания пассажиров и обслуживающего персонала на станциях метрополитена и во время их перемещения по перегону необходимо обеспечить требуемые режимы тоннельной вентиляции. Однако на проветривание метрополитена влияет множество факторов, и один из основных — движение поездов по перегонам. Поэтому при проектировании тоннельной вентиляции необходимо учитывать поршневое действие от движения метропоездов.

Целью проводимых исследований является изучение параметров воздушного потока при движении поездов по двухпутному перегонному тоннелю метрополитена.

Для решения поставленных задач применены методы вычислительной аэродинамики.

Описание модели исследуемого участка тоннеля

с поездами

Исследуется участок двухпутного тоннеля длинной 1200 м аналогичный перегону между станцией «Золотая нива» и станцией «Молодежная» Новосибирского метрополитена. С концов исследуемого участка тоннеля двигаются друг на встречу другу два поезда, каждый из которых состоит из пяти вагонов типа 717. Геометрические характеристики поперечного сечения тоннеля приведены на рис. 1.

Рис. 1. Геометрические характеристики поперечного сечения тоннеля

В режиме движения каждого из составов по исследуемому участку можно выделить три характерных фазы (рис. 2):

1. разгон метропоезда на участке длиной 100 м от состояния покоя до крейсерской скорости 90 км/ч. Время разгона составляет 8 сек;

2. движение состава с крейсерской скоростью 90 км/ч в течение 31,76 сек;

3. торможение метропоезда на участке длиной 200 м со скорости 90 км/ч до полной остановки. Время торможения составляет 16 сек.

0 а 39,76 55,76

Времч от начала движения, с

Рис. 2. График движения метропоезда

Математическое моделирование возмущающего действия от движения поездов

Процессы тепло- и массообмена с точки зрения механики сплошных сред могут быть описаны системой нелинейных дифференциальных уравнений в частных производных [1], т.н. уравнениями Навье-Стокса. В наиболее общем случае уравнения Навье-Стокса включают в себя уравнение неразрывности, движения, энергии и диффузии. Эти уравнения могут быть решены в общем виде лишь в некоторых случаях и при ряде допущений. Общего аналитического решения системы этих уравнений пока не получено. При этом численные методы их решения развиты достаточно хорошо. В данной работе применена реализация модели аэродинамических процессов в тоннеле методом конечных элементов с использованием программно-расчетного комплекса Ansys 14.5.

Построение пространственной модели и конечно-элементной сетки

Геометрия модели соответствует реальной, с упрощением несущественных деталей.

Базовый размер ячеек принят равным 0,5 м со сгущением до размера 0,25 м ближе к стенкам метропоездов с использованием методов построения ориентированной сетки.

Согласно [3], пограничный пристеночной слой при использовании к-г модели турбулентности должен полностью находиться в пределах первого сеточного слоя от стенки.

Для определения приемлемой толщины первого сеточного слоя от стенки служит безразмерное расстояние до стенки y+, в рамках принятой k-s модели турбулентности y+ должен находиться в пределах от 30 до 300. При этом толщина первого ряда ячеек по расчету составляет 0,01 м.

Общее количество сеточных элементов составило 3 499 314 элементов. Качество построенной сетки по критериям Orthogonal Quality и Skewness [5] лежит в удовлетворительных пределах.

Задача решалась в нестационарной постановке. Всего при расчете было сделано 11 152 шага по 0,005 сек. каждый (при общем времени движения поездов 55,76сек). Согласно расчету, встреча поездов происходит на 24 с от начала движения.

Для решения подобной задачи требуется большое количество вычислительных ресурсов. Поэтому расчет проводился на кластере НКС-30Т в Сибирском Суперкомпьютерном центре на базе Института Вычислительной математики и математической геофизики СО РАН. С учетом распараллеливания на 72 ядрах задача решалась в течении 15 суток.

Результаты численного моделирования

В результате проведенного численного расчета были получены изменения параметров воздушных потоков на исследуемом участке тоннеля: поле скоростей и давлений в объеме тоннеля; поле статических давлений на поверхностях поезда; расходы воздуха на выходах из моделируемого участка тоннеля.

Статическое давление замерялось на поверхностях поезда, показанных на рис. 3:

На каждой из поверхностей замерялись (рис. 4—6):

• P — максимальное статическое давление, Па;

max ' '

• Pmin — минимальное статическое давление, Па;

• Pave — среднее статическое давление, Па.

Результаты расчетов статического давления приведены на рис. 4, 5, 6.

Рис. 3. Расположение поверхностей метропоезда, на которых определено статическое давление, стрелкой показано направление движения поезда

Г 'М' ^Ч';'; Л' J

Рис. 4. Изменение статического давления на носовой поверхности поезда:

P — максимальное давление на носовой части метропоезда, Па; P . — мишах ^ ^ ^ ' ' шш

нимальное давление на носовой части метропоезда, Па; Pave — среднее давление на носовой части метропоезда, Па

На рис. 4 видно, что статическое давление на носовой поверхности поезда преимущественно повышенное. Оно растет на фазе разгона и падает на фазе торможения. В момент встречи двух поездов в тоннеле на 23 секунде она резко падает на ~490 Па (промежуток времени составляет 0,56 с. Скорость изменение давления составляет ~890 Па/с или 6,7 мм рт. ст.

Известно [8, 9], что при непериодичном изменении давления окружающей среды более чем на 1 мм рт. ст за час даже у

1'.ч ш' Рпйиомергкх-- лв!№:Ш1с [ормпжегше

Рис. 5. Изменение статического давления на хвостовой поверхности поезда: Pшaх — максимальное давление на хвостовой части метропоезда, Па; — минимальное давление на хвостовой части метропоезда, Па;

P

среднее давление на хвостовой части метропоезда, Па

Мрсмч. I с

Р»тш Равномерное з»и»ш ГорИб**ИЛЙ

Рис. 6. Изменение статического давления на боковой поверхности поезда:

P — максимальное давление на боковой части метропоезда, Па; P . — мишах ^ ^ ^ ' ' шш

нимальное давление на боковой части поезда, Па; Pave — среднее давление на боковой части поезда, Па

здорового человека может появиться ухудшение самочувствия, сонливость, снижение трудоспособности, вялость в конечностях. Гораздо тяжелее скачки давления переносят люди с заболеванием соединительных тканей, болезнями сердца, с расстройствами центральной нервной системы. Поэтому перепад в 6,7 мм рт. ст для человека следует считать значительным.

Аналогичную картину можно увидеть на рис. 5 и 6. На них видно, что боковая и хвостовая поверхности метропоезда преимущественно находятся под разряжением, которое принимает различные значения — от 50 до 1700 Па относительно атмосферного давления. На них также в момент встречи двух поездов происходит изменение давления, однако более протяженное во времени, чем на носовой поверхности состава. Наиболее резкие изменения давления составили: на хвостовой поверхности поезда — 300 Па/с = 2,3 мм рт. ст/с, и на боковой поверхности — 380 Па/с = 2,9 мм рт. ст/с.

Данные, полученные в результате численного расчета давлений на поверхностях метропоезда, показывают, что при прохождении поездов друг мимо друга на их поверхностях происходят значительные изменения статического давления, которые могут проникать в вагон и приводить к ухудшению самочувствия пассажиров. Этого можно избежать путем уменьшения аэродинамической связи между тоннельным воздухом и внутренним пространством вагона, а также путем сооружения линейного экрана между путями движения поездов [10].

На рис. 7 представлены графики изменения расхода, проходящего через поперечные сечения входов исследуемого участка тоннеля. Графики отражают изменение расхода через два входа (in и out, см. рис. 7), а так же баланс расхода воздуха, проходящего через туннель.

Графические зависимости были построены по следующим формулам:

Lin =

т = -

^out

Lsum Lin + Lout

где Lin — расход воздуха через левый торцевой вход в тоннель (поверхность in); Lout — расход воздуха через правый торцевой вход в тоннель (поверхность out); Lsum — баланс расходов, в случае с несжимаемым газом должен быть равен 0, в рассматриваемом случае CFD-анализа сжимаемой текучей среды, в связи с применением модели идеального газа, может быть отличен

I П=1 V • Ft)

Zn -pin

i=1 i

'l n=i № • F°out)Л

Zn pout

i=1 i )

Равномернее движение Торможение

Рис. 7. Изменение расхода через поперечное сечение тоннеля на границах участка; Lin — расход воздуха у левого входа в тоннель, м3/с; Lt воздуха у правого входа в тоннель, м3/с; L¡ ходящего расхода, м3/с

out расход

невязка входящего и вы-

от 0; Рп, !°и1 — площади входов, м2; гх1п, Ух°и4 — осевые проекции скоростей воздуха через входы, м/с.

При определении расходов воздуха через сечения торцевых входов использованы не векторы скорости потоков воздуха, а проекции векторов скоростей на продольную ось тоннеля. Это обосновывается тем, что полезный воздухообмен осуществляется только по направлении оси вдоль тоннеля. Расход имеет знак «+», если его проекция вектора скорости потока направлена внутрь расчетной модели, и знак «—», если наружу из расчетной модели. Это объясняет знак «—» для расхода L°ut в формуле выше. Положительные направления движения потоков воздуха можно увидеть на рис. 7.

На графиках видно, что как такового однонаправленного переноса среды в двухпутном тоннеле не происходит, так как значение расходов через торцевые поверхности колеблется около 0. Имеет место колебательное продольное движение воздушных масс вдоль оси тоннеля, вызванное возмущениями от движущихся друг на встречу другу поездов.

Как видно из рис. 4, 5, 6, 7, как зависимости изменения расхода, так и зависимости изменения давления имеют синхронный характер изменения во времени, то можно сделать вывод, что колебания расхода порождаются волнами давления при движении поездов. А именно профицит или дефицит расхода воздуха возможен потому, что в тоннеле образуются локальные зоны с уплотнением или наоборот, разряжением потоков воздуха вследствие образования зон с повышенным и пониженным давлением.

Поэтому можно сделать вывод, что встречное движение поездов на высокой скорости (90 км/ч) не создает однонаправленного потока воздуха вдоль тоннеля и не оказывает существенного влияния на аэродинамический режим смежных с ним участков линий метрополитена.

Выводы

1. При встречной прохождении поездов по двухпутному тоннелю при высокой скорости движения на их поверхностях происходят значительные изменения статического давления, которые могут передаваться в пространство вагона и приводить к ухудшению самочувствия пассажиров.

2. Встречное движение поездов на скорости 90 км/ч не создает выраженного однонаправленного потока воздуха вдоль тоннеля и не оказывает существенного влияния на аэродинамический режим смежных с ним участков линий метрополитена.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Аникеев А. А., Молчанов А. М., Янышев Д. С. Основы вычислительного теплообмена и гидродинамики. Учебное пособие. — М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана. - 144 с.

2. Трудоношин В.А., Уваров М.Ю. Введение в метод конечных элементов. — М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана. — 9 с.

3. Электронное пособие — ANSYS. Customer Training Material. Introduction to ANSYS CFD.

4. Михеев М. А., Михеева И. М. Основы теплопередачи. Изд. 2-е, стереотип. — М.: Энергия, 1977. — 344 с.

5. Электронное пособие — ANSYS. Customer Training Material. Introduction to ANSYS Meshing.

6. 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.

7. Patankar S. Numerical heat transfer and fluid flow. Hemisphere Publishing Corporation, New York, 1980. Перевод с англ. Под ред. В.Д. Вио-ленского. — М.: Энергоатомиздат, 1984. — 124 с.

8. Погодные факторы во влиянии на здоровье человека: атмосферное давление [Электронный ресурс]. URL: http://meteopathy.ru/meteofak-tory/pogodnye-faktory-vo-vliyanii-na-zdorove-cheloveka-atmosfernoe-davlenie/ (дата обращения 15.01.2015).

9. Белов С. В., Ильницкая А. В., Козьяков А. Ф. и др. Безопасность жизнедеятельности: Учебник для вузов / Под общ. ред. С.В. Белова. 7-е изд., стер. — М.: Высшая школа, 2007. — 616 с.: ил.

10. Алферова Е. Л., Лугин И. В. Использование линейного экрана для снижения действия опасных факторов пожара при горении поезда в двухпутном тоннеле метрополитена / Актуальные проблемы механики и машиностроения. Сборник материалов IV Международной научной конференции «Актуальные проблемы механики и машиностроения» 12—14 июня 2014 г., Алматы. — Алматы: 2014. — С. 90—97. ЕИЗ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Лугин Иван Владимирович1 — кандидат технических наук, доцент, старший научный сотрудник, e-mail: ivlugin@misd.nsc.ru, Алферова Елена Леонидовна1 — младший научный сотрудник, e-mail: alferova@mosk.ru,

Кияница Лаврентий Александрович1 — аспирант, e-mail: kla00@yandex.ru, 1 Институт горного дела им. Н.А. Чинакала СО РАН.

Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2016. No. 6, pp. 5-14. E.L. Alferova, I.V. Lugin, L.A. Kiyanitsa SIMULATION OF AIRFLOW DISTURBANCES TO MOVEMENT OF TRAINS IN DOUBLE-TRACK TUNNEL UNDERGROUND

The paper presents the procedure and results of the study parameters of ambient air motion and the meeting of two trains in a double track tunnel underground at a speed of

UDC 622.4+625.42

90 km/h. The dynamics of the pressure in the air volume of the tunnel, on the surface of the wagon train and air flow at the boundaries of the site.The study was conducted by numerical simulation of aerodynamics in the internal volume of double-track tunnel with the movement of trains using the finite element method. The substantiation of parameters of the model and its implementation by the finite element model parameters. The parameters of the construction of the computational grid and time step calculation to match the simulated processes real.According to the survey defined ranges and the dynamics of change of pressure on the surface of trains when they met them in a double track tunnel at high speed motion-tion, it is shown that such pressures can have negative consequences for the health of passengers; calculated value of the air at the boundaries of the area of the piston action of the trains, it was found that it is oscillatory with a maximum of up to 30 m3/s and immaterial effect on the ventilation area of the tunnel.

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

AUTHORS

Lugin I.V.1, Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor,

Senior Researcher, e-mail: ivlugin@misd.nsc.ru,

Alferova E.L}, Junior Researcher, e-mail: alferova@mosk.ru,

Kiyanitsa L.A.1, Graduate Student, e-mail: kla00@yandex.ru,

1 Chinakal Institute of Mining of Siberian Branch of Russian Academy of Sciences,

630091, Novosibirsk, Russia.

REFERENCES

1. Anikeev A. A., Molchanov A. M., Yanyshev D. S. Osnovy vychislitel'nogo teploob-mena igidrodinamiki. Uchebnoe posobie (Fundamentals of computer-on heat transfer and hydrodynamics. Educational aid), Moscow, Izd-vo MGTU im. N.E. Baumana, 144 p.

2. Trudonoshin V. A., Uvarov M. Yu. Vvedenie v metod konechnykh elementov (Introduction to the finite element method), Moscow, Izd-vo MGTU im. N.E. Baumana, 9 p.

3. Elektronnoe posobie ANSYS (Electronic Benefit — ANSYS). Customer Training Material. Introduction to ANSYS CFD.

4. Mikheev M. A., Mikheeva I. M. Osnovy teploperedachi. Izd. 2-e (Fundamentals of heat transfer, 2nd edition ), Moscow, Energiya, 1977, 344 p.

5. Elektronnoe posobie ANSYS (Electronic Benefit — ANSYS). Customer Training Material. Introduction to ANSYS Meshing.

6. Baturin O. V., Baturin N. V., Matveev V. N. Raschet techeniy zhidkostey i gazov s pomoshch'yu universal'nogo programmnogo kompleksa Fluent. Uchebnoe posobie (Computation of the flow of liquids and gases using a universal pro-program complex Fluent. Educational aid), Samara, Izd-vo Samar. gos. Aero-kosm. un-ta, 2009, 151 p.

7. Patankar S. Numerical heat transfer and fluid flow. Hemisphere Publishing Corporation, New York, 1980. Translated from English. Violenskiy V.D. (Ed.)), Moscow, Ener-goatomizdat, 1984, 124 p.

8. Pogodnye faktory vo vliyanii na zdorov'e cheloveka: atmosfernoe davlenie. URL: http://meteopathy. ru/meteofaktory/pogodnye-faktory-vo-vliyanii-na-zdorove-chelove-ka-atmosfernoe-davlenie/ (accessed 15.01.2015).

9. Belov S. V., Il'nitskaya A. V., Koz'yakov A. F. Bezopasnost' zhiznedeyatel'nosti: Uchebnik dlya vuzov. Pod red. S. V. Belova, 7-e izd (Safety: Textbook for high schools. Belov S. V. (Ed.), 7th edition), Moscow, Vysshaya shkola, 2007, 616 p.

10. Alferova E. L., Lugin I. V. Aktual'nyeproblemy mekhaniki i mashinostroeniya. Sbornik materialov IV Mezhdunarodnoy nauchnoy konferentsii «Aktual'nye problemy mekhaniki i mashinostroeniya» 12—14 iyunya 2014 g., Almaty (Actual problems of mechanics and engineering. Coll. Proceedings of the IV International Scientific Conference «Actual Problems of Mechanics and Engineering» June 12-14, 2014, Almaty), Almaty, 2014, pp. 90-97.