Efekt tłoka

Efekt tłokowy odnosi się do wymuszonego przepływu powietrza wewnątrz tunelu lub szybu, spowodowanego przez poruszające się pojazdy. Jest to jedno z wielu zjawisk, które inżynierowie i projektanci muszą wziąć pod uwagę przy opracowywaniu szeregu konstrukcji.

Przyczyna

Schemat przedstawiający efekt tłoka podczas przejazdu pojazdu przez tunel.

Wydłużony nosek Shinkansenów serii E5 w Japonii został zaprojektowany tak, aby przeciwdziałać efektowi tłoka.

Na otwartej przestrzeni, gdy pojazd jedzie, powietrze odepchnięte na bok może przemieszczać się w dowolnym kierunku z wyjątkiem kierunku gruntu. Wewnątrz tunelu powietrze jest zatrzymywane przez ściany tunelu i przemieszcza się wzdłuż tunelu. Za poruszającym się pojazdem, w miarę wypychania powietrza, powstaje zasysanie, które jest wciągane i przepływa do tunelu. Ponadto, ze względu na lepkość płynu , powierzchnia pojazdu ciągnie powietrze, aby przepływało wraz z pojazdem, co jest siłą odczuwaną jako opór skóry przez pojazd. Ten ruch powietrza w pojeździe jest analogiczny do działania mechanicznego tłoka w sprężarce tłokowej pompa benzynowa, stąd nazwa „efekt tłoka”. Efekt jest również podobny do wahań ciśnienia wewnątrz rur drenażowych, gdy ścieki wypychają przed siebie powietrze.

Prześwit między pociągiem a tunelem jest często niewielki. Pociąg londyńskiego metra wyjeżdżający z tunelu.

Efekt tłoka jest bardzo wyraźny w tunelach kolejowych, ponieważ pole przekroju poprzecznego pociągów jest duże i w wielu przypadkach niemal całkowicie wypełnia przekrój poprzeczny tunelu . Wiatr odczuwany przez pasażerów na peronach kolei podziemnej (niewyposażonych w drzwi peronowe ) podczas zbliżania się pociągu to przepływ powietrza powstający w wyniku efektu tłoka. Efekt jest mniej wyraźny w tunelach pojazdów drogowych, ponieważ pole przekroju poprzecznego pojazdu jest małe w porównaniu do całkowitego pola przekroju poprzecznego tunelu. Tunele jednotorowe charakteryzują się maksymalnym efektem, jednak prześwit pomiędzy taborem a tunelem oraz kształt przodu pociągu wpływają na jego wytrzymałość.

Przepływ powietrza wywołany efektem tłoka może wywierać duże siły na instalacje wewnątrz tunelu, dlatego instalacje te muszą być starannie zaprojektowane i prawidłowo zainstalowane. Czasami potrzebne są przepustnice zwrotne , aby zapobiec blokowaniu się wentylatorów wentylacyjnych spowodowanym przepływem powietrza.

Aplikacje

Projektanci budynków muszą wziąć pod uwagę efekt tłoka w odniesieniu do ruchu dymu w szybie windy . Poruszająca się kabina windy wypycha powietrze znajdujące się przed nią z szybu i wciąga powietrze do szybu znajdującego się za nią, co jest najbardziej widoczne w systemach wind z szybko poruszającą się kabiną w jednym szybie. Oznacza to, że podczas pożaru poruszająca się winda może wypchnąć dym na niższe piętra.

Efekt tłoka wykorzystuje się w wentylacji tunelowej. W tunelach kolejowych pociąg wypycha powietrze przed sobą w stronę najbliższego szybu wentylacyjnego z przodu i zasysa powietrze do tunelu z najbliższego szybu wentylacyjnego za nim. Efekt tłoka może również wspomagać wentylację w tunelach pojazdów drogowych.

W podziemnych systemach szybkiego transportu efekt tłoka wspomaga wentylację, a w niektórych przypadkach zapewnia wystarczający przepływ powietrza, aby wentylacja mechaniczna nie była konieczna. Na szerszych stacjach z wieloma torami jakość powietrza pozostaje taka sama, a nawet może się poprawić, gdy wyłączona jest wentylacja mechaniczna. Jednakże na wąskich peronach z jednym tunelem jakość powietrza pogarsza się, gdy do wentylacji wykorzystuje się wyłącznie efekt tłoka. Nadal pozwala to na potencjalne oszczędności energii poprzez wykorzystanie efektu tłoka zamiast wentylacji mechanicznej, tam gdzie to możliwe.

Wybuch tunelu

Tunel we francuskiej sieci dużych prędkości TGV z osłoną wejściową łagodzącą boom tunelowy.

Huk tunelowy to głośny huk, czasami generowany przez szybkie pociągi wjeżdżające do tuneli. Te fale uderzeniowe mogą przeszkadzać pobliskim mieszkańcom oraz uszkadzać pociągi i pobliskie konstrukcje. Ludzie postrzegają ten dźwięk podobnie do dźwięku wydawanego samolot . Jednak w przeciwieństwie do boomu dźwiękowego, boomu tunelowego nie powoduje przekroczenie przez pociągi prędkości dźwięku. Zamiast tego wysięg tunelu wynika z konstrukcji tunelu, która uniemożliwia ucieczkę powietrza wokół pociągu we wszystkich kierunkach. Kiedy pociąg przejeżdża przez tunel, powstają przed nim fale sprężające . Fale te łączą się w tzw fala uderzeniowa , która generuje głośny huk, gdy dotrze do wyjścia z tunelu. Siła tej fali jest proporcjonalna do sześcianu prędkości pociągu, więc efekt jest znacznie wyraźniejszy w przypadku szybszych pociągów.

Wybuch tuneli może przeszkadzać mieszkańcom w pobliżu wylotów tuneli i nasila się w dolinach górskich, gdzie dźwięk odbija się echem. Ograniczenie tych zakłóceń stanowi poważne wyzwanie dla linii dużych prędkości, takich jak japoński Shinkansen , francuski TGV i hiszpański AVE . Boom tunelowy stał się głównym ograniczeniem zwiększonych prędkości pociągów w Japonii, gdzie górzysty teren wymaga częstych tuneli. Japonia przyjęła ustawę ograniczającą hałas do 70 dB w obszarach mieszkalnych, które obejmują wiele stref wyjścia z tuneli.

Metody zmniejszania wysięgnika tunelu obejmują nadanie profilowi pociągu dużej aerodynamiki , dodanie osłon do wejść do tunelu, zainstalowanie perforowanych ścian przy wyjściach z tunelu i wiercenie otworów wentylacyjnych w tunelu (podobnie do montażu tłumika w broni palnej, ale na znacznie większą skalę). .

Dyskomfort ucha

Pasażerowie i załoga mogą odczuwać dyskomfort w uszach, gdy pociąg wjeżdża do tunelu z powodu szybkich zmian ciśnienia.

Zobacz też

Hydraulika Odpowietrzanie

Przypisy

Bonnett, Clifford F. (2005). Praktyczna inżynieria kolejowa (wyd. 2). Londyn, Wielka Brytania: Imperial College Press . ISBN 978-1-86094-515-1 . OCLC 443641662 .
Tłok

Linki zewnętrzne