Спосіб розрахунку аеродинамічних характеристик системи “тунель – поїзд” у метрополітені

Спосіб розрахунку аеродинамічних характеристик системи "тунель - поїзд" у метрополітені, який полягає у розрахунку oпоpy повітряного середовища при pyci потяга в тунелі та враховує oпір повітряного середовища при pyci потяга на поверхні, еквівалентну поверхню потяга, швидкісний натиск набігаючого повітряного потоку, масову щільність повітря, коефіцієнт повного опору тунелю, довжину тунелю, довжину потяга, гідравлічний 3 редовища з урахуванням режимів тяги, вибігання і гальмування. Недоліком методу-прототипу є те, що він не враховує вплив вентиляційних потоків, втрати на місцевих гідравлічних опорах по усій довжині активної ділянки, нестаціонарний характер руху повітряного потоку. В основу корисної моделі поставлена задача створити метод розрахунку аеродинамічних характеристик системи "тунель - поїзд" у метрополітені, який забезпечить розрахунок питомого повітряного опору з урахуванням збурень повітряного середовища: місцевих гідравлічних опорів, нестаціонарного характеру циркуляційного потоку і впливу вентиляційних потоків в тунелі, а також врахування сили опору, обумовлену інерційністю приєднаних мас повітря, оцінку ролі опору руху в загальному балансі витрати електроенергії на тягу потягів, визначення складових цієї витрати для різних типів вагонів та вплив на нього обтічності вагонів і габаритів тунелю. Поставлена задача вирішується за рахунок того, що у методі-прототипі, який розраховує опір повітряного середовища при русі потягу в тунелі та враховує опір повітряного середовища при русі потягу на поверхні, еквівалентну поверхню поїзда, швидкісний натиск набігаючого повітряного потоку, масову щільність повітря, коефіцієнт повного опору тунелю, довжину тунелю, довжину поїзда, гідравлічний діаметр, площу поперечного перерізу тунелю, периметр поперечного перерізу тунелю, коефіцієнт заповнення поїздом поперечного перерізу тунелю, поперечний переріз вагона, бічну поверхню (стінки, даху і дна) вагона, кількість вагонів в складі, а також коефіцієнти тертя повітря об стінки тунелю з урахуванням міри шорсткості стін і опір від тертя повітряного потоку об стінки вагона з урахуванням нерівномірності швидкості цього потоку в проміжку між поїздом і стінками тунелю та питомий опір повітряного середовища з урахуванням режимів тяги, вибігання і гальмування, додатково враховуються циркуляційні потоки, місцеві гідравлічні опори, нестаціонарний характер руху повітряних потоків при русі потягу і введений безрозмірний коефіцієнт опору повітряного середовища. Технічний результат, який може бути отриманий при здійсненні корисної моделі полягає в зменшенні витрат електроенергії на тягу потягів, поліпшенні техніко-економічних показників рухомого складу і поліпшенні санітарно-гігієнічних умов метрополітену та підвищенні ефективності вентиляції і опалювання вагонів, зниженні шуму, зменшенні динамічних навантажень на панелі і інші елементи стін тунелю. На фіг. 1 приведено швидкості відносного руху потягу в тунелі зі швидкістю V0 . На фіг. 2 приведено залежності опору повітряного середовища QT від швидкості V з урахуванням конкретних значень коефіцієнтів місцевих опорів. На фіг. 3 приведено залежність швидкості потягу V від довжини ділянки L . 65252 4 На фіг. 4 приведено залежність швидкості руху від часу по довжині перегону. На фіг. 5 приведено залежність опору повітряного середовища від часу без урахування локальних місцевих гідравлічних опорів. На фіг. 6 приведено залежність опору повітряного середовища від часу з урахуванням локальних місцевих гідравлічних опорів. Суть методу розрахунку аеродинамічних характеристик системи "тунель - поїзд" у метрополітені полягає у розрахунку опору повітряного середовища при русі потягу в тунелі та враховує опір повітряного середовища при русі потягу на поверхні, еквівалентну поверхню поїзда, швидкісний натиск набігаючого повітряного потоку, масову щільності повітря, коефіцієнт повного опору тунелю, довжину тунелю, довжину поїзда, гідравлічний діаметр, площу поперечного перерізу тунелю, периметр поперечного перерізу тунелю, коефіцієнт заповнення поїздом поперечного перерізу тунелю, поперечний переріз вагона, бічну поверхню (стінки, дах і дно) вагона, кількість вагонів в складі, а також коефіцієнти тертя повітря об стінки тунелю з урахуванням міри шорсткості стін і опір від тертя повітряного потоку об стінки вагона з урахуванням нерівномірності швидкості цього потоку в проміжку між поїздом і стінками тунелю та питомий опір повітряного середовища з урахуванням режимів тяги, вибігання і гальмування та циркуляційні потоки, місцеві гідравлічні опори, нестаціонарний характер руху повітряних потоків при русі потягу та безрозмірний коефіцієнт опору повітряного середовища. При русі в тунелі, працюючи на прикладі поршня, потяг приводить в рух повітря тунелю. Надлишок тиску, що виникає перед поїздом, витрачається на подолання повітряного опору в передній ділянці тунелю. Розрідження, що виникає за поїздом, витрачається на подолання повітряного опору задньої ділянки тунелю. Різниця тисків перед головним і за останнім вагонами потягу викликає перетікання повітря уздовж проміжку між стінками тунелю і вагонами у бік, зворотний напряму руху. В той же час сила опору потягу захоплює повітря в проміжку по напряму руху. Взаємодія цих двох чинників призводить до того, що в одних випадках в проміжку утворюється попутна течія, а інших зустрічна. Сумарний повітряний потік в тунелі метрополітену утворюється за рахунок складання двох потоків: від руху електропоїздів і від роботи вентиляційних установок. Облік циркуляційних потоків. Вплив збурень повітряного середовища на основні характеристики рухомого складу описується співвідношеннями між повітряним опором потягу і що становлять рухи на різних ділянках тунелю (фіг. 1). Працюючи на прикладі поршня, потяг приводить в рух повітря тунелю, надаючи йому швидкість. Попереду потягу (переріз 1, фіг. 1) створюється тиск більше за атмосферний, надлишок тиску h1  p1  p0  0 , витрачається на подолання повітряного опору в передній ділянці (1-0) тунелю. 5 За поїздом (переріз 2, фіг. 2) має місце розрядка, за рахунок якої долається повітряний опір задньої ділянки (0-2) тунелю h2  p2  p0  0 . Різниця тисків перед та за поїздом h1  h2 викликає перетікання повітря уздовж проміжку між стінками тунелю і вагонами у бік, зворотній до напряму руху. При цьому вектор швидкості повітря в проміжку може мати різні знаки:   0 - при попутному струмі;   0 - при протитечії;   0 - коли повітря відносно стінок тунелю не переміщається. Тунельне повітря набігає на потяг з відносною швидкістю VT  V0  c , (1) де V0 - швидкість руху потягу; c - швидкість повітря в тунелі, та рухається в проміжку з відносною швидкістю VЗ  V0   , (2) де  - вектор швидкості повітря в проміжку (фіг. 1). З урахуванням складової, обумовленої роботою вентиляційної системи, маємо VT  V0  c  свент . (3) Облік вентиляційних потоків, при розрахунку сумарного циркуляційного потоку, здійснюється шляхом обліку швидкості повітряного потоку, що індукується працюючою вентиляційною установкою G Qнаб свент  вент  Q f ((Iкін  Іпоч )  наб )  f 4Gц , (4) G  Gобщ  Gвент де ц Qнаб - теплонадлишки в тунелях, асимільовані повітрям, що подається системою тунельної вентиляції; Iкін - кінцева розрахункова тепломісткість по вітря в тунелі у кінці розрахункової ділянки станції, з боку якої потяги входять на станцію; Іпоч - початкова розрахункова тепломісткість зовнішнього повітря, що відповідає тепловому періоду року; f - площа поперечного перерізу тунелю. Облік місцевих гідравлічних опорів. Надмірний тиск в передній ділянці тунелю h 1 витрачається на подолання повітряного опору в передній ділянці тунелю, викликаного тертям повітря об стінки цієї h  hтр1 ділянки 1 . Розрідження в задній ділянці h 2 витрачається на: втрати натиску при тунелю вході повітря в тунель hвх ; подолання опору терhтр2 тя в задній ділянці тунелю ; компенсацію 65252 6 розрідження, викликаного створенням швидкісного натиску в тунелі h ск . Втрати натиску в тунелі або перепад тисків перед головним та за останнім вагоном потягу h1  h2  hтр1  hтр2  hвх  hск . Опір тертя по довжині вільної частини тунелю дорівнює hтр  hтр1  hтр2 . Величина hтр визначає опір тертя від потоку повітря, викликаного рухом потягу в тунелі hтр   L T  Ln c 2  DГ 2 , (5) f DГ  4 u гідравлічний діаметр тунелю; де u - периметр поперечного перерізу;  - коефіцієнт тертя повітря об стінки тунелю; L T - довжина тунелю між станціями; L n - довжина потягу;  - масова щільність повітря. Вираз для розрахунку втрат натиску в тунелі має вигляд c2 с2  (вх  вих   тр )    2 2 , (6) L  Ln  вих   T Dг - коефіцієнт пов h1  h2  T     T   вх де ного опору для цього тунелю; вх , вих - коефіцієнти місцевих опорів, викликаних різкою зміною конфігурації живого перерізу повітряного потоку, ззаду і спереду складу, що рухається. При цьому величини коефіцієнтів місцевих гідравлічних опорів мають бути конкретизовані для кожного перегону метрополітену. Облік нестаціонарного характеру руху. Різниця тисків перед головним і за останнім вагонами потягу урівноважується опором потягу QТ і додатко вими втратами в проміжку QЗ . Величина опору повітряного середовища при русі потягу в тунелі QТ  (h1  h2 )  h  QЗ . (7) Коефіцієнт повного опору для тунелю l  Ln  T  вх  вих  нест T  f (t) Dг , де нест - коефіцієнт тертя при несталому русі повітря в тунелі  dv d2v   нест  ст  ,   f  ;  dt dt2    (8) Опір потягу з урахуванням нестаціонарного характеру руху повітряних мас 2   V 2 v2 (1  ) V   QT  f T 1  T   З  T   , З  V  1     V   2  3,62   , (9) 7 65252 8 де  З - коефіцієнт опору зазору в проміжку між поїздом і стінками тунелю; F  f коефіцієнт заповнення тунелю; яких містить не більше одного логотипу завихрень потоку (фіг. 3). На кожній ділянці шляху руху потягу проводиться чисельна інтеграція F - площа міделевого перерізу вагонів. Нестаціонарний характер руху циркуляційних потоків враховується через коефіцієнт тертя повітряного середовища. При зменшенні величини сумарного коефіцієнта місцевих опорів  M на 0,5 i 1 a (12) При проведенні тягових розрахунків з урахуванням неоднорідностей повітряного середовища для визначення аеродинамічних характеристик тунель розглядається з урахуванням реальних геометричних форм (раптове звуження або розширення, поворот, план і профіль шляху) тунелю, потоків від вентиляційних каналів на кожній елементарній ділянці. При цьому питомий опір не дозволяє враховувати неоднорідності повітряного середовища по довжині перегону зважаючи на недосконалість його аеродинамічних форм. Для порівняльного аналізу повітряного опору транспортних підземних засобів по довжині перегону вводиться безрозмірний коефіцієнт опору повітряного середовища, QТ який визначається відношенням до множини швидкісного натиску на характерну площу (площа міделевого перерізу) 2 2 2QT 1  V  V   Cx    T 1  T    З  T     V  V  v 2F          (13) одиниць QТ падає на 3 %, а на 1 одиницю - QТ падає на 6 % (фіг. 2). Розрахунок тягових характеристик рухомого складу метрополітену з урахуванням неоднородностей повітряного середовища. Рух рухомого складу (PC) зі змінною швидкістю в тунелі, що має різні геометричні форми і розміри поперечних перерізів по довжині безпосередньо пов'язано зі змінами перерізів тунелю в місцях вентиляційних збоєк, шахт, входів (виходів) перегонів, розташування комунікацій і так далі. Рух PC описуємо другим законом Ньютона dv G  Fk  Fпр  Wk dt , (10) де Fk - сила тяги (пропульсована сила); Wk - основний опір руху PC; Fпр - сила опору, яка обумовлена інерційністю приєднаних мас повітря та визначається як множина маси приєднаної повітряної маси на прискорення dVT Fпр  пр , пр  LпрF dt , (11) де Lпр пр - об'єм приєднаної повітряної маси; - активна довжина ділянки приєднаної маси повітря. При чисельній реалізації методу загальна ділянка руху потягу [a;b] розбивається на ряд елеba ti  a  i ,..., n , i  0,1 n , кожен з ментних ділянок b  v( t )  ba n 2 n   v a  b  a  1  i   n  2    де а  3,6  . Розрахунок аеродинамічних характеристик підземних транспортних засобів враховує вплив вентиляційних потоків, втрат на місцевих гідравлічних опорах по усій довжині активної ділянки, нестаціонарний характер руху повітряного середовища (фіг. 4-6). Джерела інформації: 1. Абрамович Г.Н. К расчету воздушного сопротивления поезда на открытой трассе и в тоннеле. //Труды ЦАГИ им. проф. Н.Е. Жуковского, 1939, -вып. №400,-С. 3-32 с. 2. Радченко В.Д. Сопротивление движению вагонов метрополитена. -М.: Недра, 1957,-70 с. 9 Комп’ютерна верстка І. Скворцова 65252 Підписне 10 Тираж 23 прим. Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601