На правах рукописи

ПАВЛОВ Станислав Александрович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

ПОРШНЕВОГО ДЕЙСТВИЯ ПОЕЗДОВ

ДЛЯ ТОННЕЛЬНОЙ ВЕНТИЛЯЦИИ МЕТРОПОЛИТЕНА

Специальность 25.00.20 – «Геомеханика, разрушение горных пород,

рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новосибирск – 2011

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте горного дела Сибирского отделения РАН

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Красюк Александр Михайлович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, доцент Костин Владимир Иванович кандидат технических наук, доцент Полянкин Геннадий Николаевич

Ведущая организация: Московский государственный горный университет (МГГУ)

Защита состоится «17» июня 2011 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 003.019.01 в Институте горного дела Сибирского отделения РАН по адресу: 630091, г. Новосибирск, Красный проспект, 54.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Института горного дела СО РАН.

Автореферат разослан «16» мая 20011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук Попов Н.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Современный метрополитен – скоростной общественный пассажирский транспорт, выполняющий свои функции независимо от застройки земной поверхности и загруженных транспортных магистралей, что делает его одной из важнейших транспортных систем мегаполисов мира.

Поэтому развитие метрополитенов способствует решению проблемы пассажироперевозок в крупных городах. В последнее время существует тенденция к увеличению доли строящихся метрополитенов мелкого заложения в общем объеме строительства. В ряде случаев это экономически более выгодный способ по сравнению со строительством метрополитенов глубокого заложения. В настоящий момент в России действуют 7 метрополитенов, 4 из которых преимущественно мелкого заложения.

Постоянно возрастающий пассажиропоток ведет к увеличению частоты движения поездов и как следствие – к выделению и накоплению на станциях и в тоннелях значительного количества вредностей в виде избыточного тепла, газовых выделений, пыли и т.п. Своевременное удаление вредностей и подача требуемого количества свежего воздуха зависит от эффективности и конструктивного совершенства систем вентиляции. Поэтому тоннельной вентиляции метрополитена отводится важная роль по поддержанию требуемого состояния микроклимата, в том числе и теплового баланса в подземных сооружениях.

На вентиляцию метрополитенов кроме метеорологических, гидрогеологических и топологических условий местности, в которой он расположен, значительное влияние оказывает поршневое действие поездов. В метрополитенах мелкого заложения, из-за существенной аэродинамической связи тоннелей с земной поверхностью, это влияние особенно велико. При отключении тоннельных вентиляторов в метрополитене, например, в зимний период времени, чтобы не переохладить подземные сооружения приточным воздухом, поршневое действие поездов является основным способом их проветривания.

Следует отметить, что энергопотребление тоннельных вентиляторов уступает только энергопотреблению подвижного состава и достигает в среднем 0,91,2 млн кВтч за год на 1 км линий. Практически во всех штатных режимах работы вентиляции можно существенно снизить указанное потребление электроэнергии тоннельными вентиляторами, переложив часть вентиляционной нагрузки на поршневое действие поездов. Поэтому задача исследования воздухораспределения, вызванного поршневым действием поездов – весьма актуальна.

Целью диссертационной работы является исследование закономерностей воздухораспределения от поршневого действия поездов в системе тоннельной вентиляции метрополитена мелкого заложения для снижения энергопотребления на проветривание станций.

Идея работы состоит в использовании воздухораспределения от поршневого действия движущихся поездов для вентиляции подземных станций метрополитена мелкого заложения.

Задачи исследования:

разработка обобщенной математической модели вентиляционной системы метрополитена мелкого заложения с элементами, учитывающими поршневое действие поездов и ее адаптация к существующему программному обеспечению для расчета воздухораспределения;

анализ влияния поршневого действия поездов на воздухораспределение в подземных станциях линии метрополитена;

исследование воздухораспределения на перегоне между станциями вследствие поршневого действия движущихся поездов;

анализ эффективности способов регулирования воздухораспределения на подземных станциях линии метрополитена мелкого заложения с учетом поршневого действия поездов.

Методы исследования включают проведение теоретических исследований воздухораспределения в вентиляционной сети метрополитена методами математического моделирования с применением теории графов и потоковых алгоритмов, а также экспериментальные исследования расходов и давления воздуха в натурных условиях Новосибирского метрополитена.

Основные научные положения, защищаемые автором:

1. Расходы воздуха через станции, инициированные поршневым действием поезда, движущегося без встреч с другими поездами, сопоставимы с расходами от тоннельных вентиляторов, при этом значимое влияние на воздухораспределение распространяется на одну станцию перед поездом и на три – позади него;

2. При движении поезда по тоннелю в вентиляционной сети перегона образуется главное циркуляционное кольцо, причем расход воздуха, вовлекаемый в циркуляцию, увеличивается с повышением количества встреч поездов на линии, что приводит к уменьшению удельного расхода воздуха на станциях, обусловленного поршневым действием одной пары поездов;

3. Уменьшение площади поперечного сечения пристанционных циркуляционных сбоек от 46 м2 до полного их перекрытия ведет к увеличению расходов воздуха от поршневого действия поездов через платформенные залы станций, в зависимости от частоты их движения, в 1,16,4 раза, при этом расходы воздуха через вестибюли станций увеличиваются не более чем на 10 %.

Достоверность научных результатов, выводов, рекомендаций обеспечивается сходимостью и достаточным объемом результатов проведенных математических расчетов и натурных экспериментов по исследованию расходов воздуха в сети метрополитена.

Научная новизна диссертации:

определена область распространения влияния поршневого действия поезда на расход воздуха через платформенные залы станций и соответствие этих расходов производительности от тоннельных вентиляторов;

с помощью численного моделирования показано, что количество воздуха, вовлекаемое в циркуляционное кольцо на перегоне между станциями от поршневого действия поездов, увеличивается с повышением их частоты движения и встреч на линии, при этом удельный расход воздуха, обусловленный поршневым действием одной пары поездов, через платформенные залы станций уменьшается;

обоснован способ регулирования расхода воздуха через платформенные залы станций путем изменения аэродинамического сопротивления циркуляционных сбоек и выявлен диапазон изменения этих расходов.

Личный вклад автора состоит в разработке обобщенной сетевой математической модели вентиляционной системы метрополитена, учитывающей поршневое действие поездов, и проведении численных и натурных экспериментов по исследованию воздухораспределения от поршневого действия поездов, обработке и анализе результатов экспериментов.

Практическая ценность заключается в создании методики расчета воздухораспределения в метрополитенах мелкого заложения с учетом поршневого действия движущихся поездов, позволяющей разрабатывать системы вентиляции метрополитенов со значительным снижением расхода электроэнергии на тоннельные вентиляторы.

Реализация работы. Методика расчета расхода воздуха на станциях метрополитена от поршневого действия поезда использована МУП «Новосибирский метрополитен» для разработки режимов тоннельной вентиляции.

Результаты диссертационной работы также использованы ОАО «Сибгипротранс» в рабочем проекте системы вентиляции станции «Золотая Нива» Новосибирского метрополитена.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и ее отдельные результаты докладывались автором на конференции с участием иностранных ученых «Фундаментальные проблемы формирования техногенной геосреды» (Новосибирск, 2010), на конференциях «Неделя горняка – 2009, 2010, 2011» – Московский государственный горный университет (Москва) и на техническом совещании по модернизации системы вентиляции Новосибирского метрополитена в МУП «Новосибирский метрополитен»

(Новосибирск, 2011).

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 6 печатных работах.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и приложений, общим объемом 149 страниц машинописного текста, и содержит 10 таблиц, 44 рисунка и список литературы из 102 наименований.

Основной объем экспериментальных исследований выполнен в лаборатории рудничной аэродинамики ИГД СО РАН и в натурных условиях Новосибирского метрополитена.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационного исследования, сформулированы цель и идея работы, научная новизна и практическая ценность, а также научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен обзор и анализ задач и проблем тоннельной вентиляции метрополитенов, приведены и проанализированы существующие способы вентиляции, рассмотрены особенности проветривания метрополитенов мелкого заложения в условиях резко-континентального климата Западно-Сибирского региона.

В центре внимания ученых и специалистов в области систем вентиляции и горных машин практически постоянно находилась задача совершенствования тоннельной вентиляции и средств регулирования воздухораспределения метрополитенов. Весомый вклад в решение этой проблемы внесли К.З. Ушаков, В.Я. Цодиков, С.Г. Гендлер, Н.П. Косарев, А.В. Бухмастов, М.Ю. Ракинцев, Э.М. Юшковский, Н.Н. Петров, А.М. Красюк и другие. Значительная часть выполненных исследований посвящена вопросам вентиляции метрополитенов глубокого заложения. Для метрополитенов мелкого заложения не учитывали в полной мере специфику схем и режимов работы вентиляции, а так же способов регулирования воздухораспределения. Из-за существенной аэродинамической связи подземных выработок с атмосферой, на систему вентиляции значительное влияние оказывает поршневое действие поездов. Оно используется для проветривания метрополитенов. Например, в Новосибирском метрополитене в зимний период времени тоннельные вентиляторы отключают, чтобы не переохладить подземные сооружения холодным атмосферным воздухом. Аналогично осуществляется вентиляция и в других метрополитенах мелкого заложения, расположенных на территориях с резко-континентальным климатом и отрицательными температурами атмосферного воздуха в зимний период.

Однако эффективных методов расчета воздухораспеределения от поршневого действия поездов нет. В связи с этим сформулированы цель и задачи диссертационного исследования.

В второй главе проведен анализ существующих методов расчета статического воздухораспределения в вентиляционных сетях. Это позволило обосновать использование комбинированного метода Форда-Фалкерсона и реализацию его в виде компьютерной программы «Распределение воздуха по горным выработкам» для исследования воздухораспределения в вентиляционной сети метрополитена по критериям быстродействия, соответствия выходных параметров задачам исследования и достаточной точности расчета.

Реальные вентиляционные сети метрополитенов обладают рядом специфических, присущих только им особенностей. Получение общих закономерностей воздухораспределения для вентиляционных систем метрополитенов на основе лишь статистических данных весьма трудоемкое и дорогостоящее мероприятие. Поэтому для исследования воздухораспределения метрополитена мелкого заложения методом численных экспериментов, была разработана обобщенная математическая сетевая модель вентиляционной системы (рисунок 1).

Рисунок 1 Расчетная схема обобщенной вентиляционной системы линии метрополитена; узлы 1-10 – станции Основным элементом обобщенной математической модели вентиляционной сети является блок «перегон», который включает в себя станцию, станционную венткамеру, пассажирские пути, перегонные тоннели, вентсбойки и перегонную венткамеру. При расчете аэродинамических сопротивлений ветвей использованы усредненные значения для соответствующих участков вентиляционной сети станций и тоннелей метрополитенов мелкого заложения. Количеством таких блоков определяется длина линии. Эта модель вентиляционной сети может представлять линию с любым количеством станций и легко поддается исследованию.

Метод расчета движения воздуха, инициированного поршневым действием движущихся поездов, посредством статической модели состоит в том, что моделирование разности давления впереди и позади поезда представляется двумя фиктивными источниками – вентиляторами. Это позволяет адекватно описать фронт давления воздуха на лобовой и хвостовой поверхностях поезда. Между собой эти вентиляторы связаны аэродинамическим сопротивлением, соответствующим сопротивлению зазора между поездом и стенками тоннеля (рисунок 2).

Аэродинамическое сопротивление зазора определялось по данным натурных экспериментов через перепад статического давления перед и после поезда и расходу воздуха в зазоре. Оно составило 0,0074 кµ. Вентилятор, моделирующий повышенное давление перед поездом, всасывающим входом соединен с атмосферой, а нагнетательным выходом – с тоннелем, причем перед поездом устанавливалось дополнительное переменное сопротивление рассеивания Rd = f(S). Величина сопротивления рассеяния является функцией расстояния S от передней поверхности поезда до того сечения в тоннеле, в котором определяется расход воздуха. С помощью него моделировался процесс затухания потока воздуха в тоннеле. Для повышения точности моделирования фронтов статического давления воздуха перед поездом и за ним, добавлены поправочные сопротивления RIVZ и RIIVZ на участки соединения фиктивных вентиляторов, моделирующих передний и задний фронт давления поезда, с атмосферой, полученные опытным путем.

Рисунок 2 Схема модели поезда: 1 – вентилятор, моделирующий разрежение воздуха за хвостовым вагоном; 2 – вентилятор, моделирующий повышение давления воздуха перед головным вагоном; RZ – аэродинамическое сопротивление зазора между поездом и стенками тоннеля; Rd – сопротивление рассеяния; RIVZ и RIIVZ – поправочные сопротивления; Vn – скорости поезда; Qf и Qb – производительность вентиляторов 1 и 2; стрелками показано направление движения воздуха Таким образом, математическая модель потока воздуха, вызванная поршневым действием поезда, представляется совокупностью следующих уравнений:

PSV = 0,6Vn2 + 0,64Vn + 1,94;

до того сечения в тоннеле, в котором определяется расход воздуха, м.

Для проверки сходимости расчетных значений расходов воздуха с фактическими проведены натурные эксперименты в Новосибирском метрополитене, совместно с электромеханической службой метро.

В условиях действующего метрополитена эксперименты можно провести только в выработках по которым не ходят поезда, но в которых наблюдается их ярко выраженное поршневое действие. Такими выработками являются сбойки между тоннелями. Для проведения эксперимента был выбран участок вентиляционной сети, удовлетворяющий требованиям аэродинамических измерений. Наиболее важным условием было наличие максимально возможного прямолинейного участка вентиляционной сбойки, в которой и планировалось проводить замеры. Это обусловлено тем, что воздушный поток должен быть однородным, а линии тока – параллельными. То есть влияние возмущений от препятствий и поворотов должно быть минимальным, чтобы не искажать результатов измерений.

Для проведения эксперимента использовались следующие приборы, фиксирующие динамическое давление воздушного потока от проходящего в тоннеле поезда:

– дифференциальный манометр ДМЦ-01М, оснащенный интерфейсом RS 232 и соединенный с ноутбуком,;

– электронный микроманометр ММЭ-3.

После завершения натурных замеров и обработки результатов, они сравнивались с данными численных экспериментов на математической модели вентиляционной сети, учитывающей поршневое действие поездов.

На рисунке 3 приведены среднеарифметические графики изменения динамического давления от поршневого действия поездов на основании результатов замеров ДМЦ-01М, электронного микроманометра ММЭ-3 и результатов математического моделирования. На оси абсцисс за начало отсчета принят момент времени, когда лобовая поверхность первого вагона поезда поравнялась с устьем вентиляционной сбойки. Численное моделирование воздухораспределения, вызванного поршневым действием поездов, показало хорошую сходимость с экспериментальными данными. В среднем расхождение не превысило 10 %.

Также, совместно с электромеханической службой Новосибирского метрополитена, проведен натурный эксперимент по замеру расходов воздуха от поршневого действия поездов через вестибюль тупиковой станции. Замеры проводились на пешеходном лестничном спуске прямоугольного сечения.

Сначала определялись эпюры скоростей воздуха наверху и внизу лестницы (рисунок 4). Затем в этих сечениях определялись координаты точек среднего расхода воздуха и в них проводились замеры.

Для проведения эксперимента использовался модифицированный цифровой дифференциальный манометр ДМЦ-01О, оснащенный интерфейсом RS 232 и соединенный с ноутбуком, фиксирующий динамическое давление воздушного потока от поршневого действия поездов. Прибор фиксировал с интервалом 0,5 с значения динамического давления при прибытии и убытии поезда со станции.

В среднем, расход воздуха через пешеходный лестничный спуск, за время прибытия поезда на станцию, составил 10 м3/с. В численных экспериментах было получено 14 м3/с. При убывании поезда со станции расход воздуха составил 26 м3/с. При компьютерном моделировании получилось 28 м3/с.

Рисунок 3 Изменения динамического давления от движущегося поезда:

1 – результаты численных экспериментов; 2 – среднеарифметическое результатов, зафиксированных дифференциальным манометром ДМЦ-01М; 3 – среднеарифметическое результатов, зафиксированных электронным микроманометром ММЭ- Рисунок 4 Схема станции «Площадь Гарина-Михайловского»: платформа; 2 поезд; 3 пути движения поездов; 4 пристанционная циркуляционная сбойка; 5 камера съезда; 6 вестибюль станции; 7 турникеты; 8 пешеходный лестничный спуск; 9, 10 места снятия замеров Это подтверждает адекватность предложенной математической модели статического воздухораспределения, учитывающей динамику движения воздуха в тоннелях метрополитена от поршневого действия поездов для исследований системы тоннельной вентиляции метрополитенов.

В третьей главе проведены численные исследования воздухораспределения от поршневого действия движущихся поездов на математической модели обобщенной вентиляционной сети метрополитена мелкого заложения при весенне-осеннем режиме работы вентиляции. В этом режиме тоннельные вентиляторы выключены, их шиберные аппараты открыты, а вентиляция линии осуществляется, в основном, за счет поршневого действия поездов. Со стороны станции № 1 линия ограничена тупиком, со стороны станции № 10 – выходом на земную поверхность в виде портала метромоста. Такие линии часто встречаются в метрополитенах мелкого заложения, в частности в г. Новосибирске.

При исследовании воздухораспределения на обобщенной модели были приняты следующие допущения: поезд движется с постоянной скоростью 70 км/ч на протяжении всего пути; при расчете воздухораспределения не учитывалось влияние естественной тяги.

Полученные результаты расчетов воздухораспределения сравнивались с базовым (летним) режимом работы тоннельной вентиляции. В этом режиме поезда отсутствуют на линии, перегонные вентиляторы выключены, их шиберные аппараты находятся в открытом положении, как и затворы гражданской обороны. В станционных венткамерах работают по одному вентилятору ВОМД-24 ( = 15°) с постоянной производительностью (Q = 31 м3/с) на вытяжку, вторые вентиляторы выключены, а их шиберные аппараты находятся в закрытом положении. В таком режиме расход воздуха через платформенный зал станции составляет 20 – 30 м3/с. Эти расходы воздуха приняты в качестве базовых. Следует отметить, что и при минимальном угле установки лопаток рабочего колеса ( = 15°) вентиляторы ВОМД-24 обеспечивают расход воздуха через платформенные залы станций, превышающий требуемый, необходимый для удаления вредностей, пока температура атмосферного воздуха не превышает 20 °C, а интенсивность движения – не более 20 пар поездов в час. С этими данными сравнивались объемы воздуха, перемещаемые через станции поршневым действием поезда при его прохождении по перегонам, примыкающим к рассматриваемой станции.

Как видно из рисунка 5 поршневое действие поезда оказывает значительное влияние на воздухообмен на одной станции перед составом и на трех ближайших станциях позади него.

Для различных станций воздухообмен будет разным из-за влияния топологии сети и расположения на ней рассматриваемой станции. По критерию расхода воздуха через платформенные залы были условно выделены три вида станций на линии: «тупиковые» станции расположенные рядом с тупиком, «атмосферные» станции находящиеся рядом с выходом тоннелей на дневную поверхность и «промежуточные» станции. Тупик оказывает существенное влияние на вентиляцию двух ближайших к нему станций (рисунок 6). Аналогичное влияние на две станции оказывает выход тоннеля на земную поверхность. Все остальные станции, расход воздуха через платформы которых остается примерно одинаковым, являются промежуточными.

Изменение количества воздуха, перемещаемого через платформенные залы поршневым действием поездов, обусловлено тем, что основная масса воздушного потока увлекается вслед за хвостовым вагоном. Проходя по линии, поезд затягивает за собой все большее количество воздуха.

Рисунок 5 Расход воздуха Q через платформенные залы станций от поршневого действия одного поезда; точками показаны расходы воздуха при работе тоннельных вентиляторов в базовом режиме; заштрихованная стрелка показывает направление движения поезда Рисунок 6 Влияние топологии на воздухораспределение: 1 – общее количество воздуха; 2 – доля свежего в общем количестве воздуха При прохождении поезда от станции № 1 до станции № 10 и в обратном направлении, он перемещает через платформенные залы количество воздуха, показанное на рисунке 7 (позиция а). По сути, это количество воздуха, перемещаемое одной парой поездов, которые ни разу не встречаются на линии.

При интенсивности движения 20 пар в час, когда на каждом перегоне находится по два поезда, количество воздуха, перемещаемого через все станции исследуемой линии, примерно одинаково. Из полученных данных следует, что для «тупиковых» и «атмосферных» станций, при частоте движения свыше 20 пар в час, влиянием топологии на водухораспределение можно пренебречь.

Анализ полученных результатов показывает, что при прохождении одиночных поездов или при низкой частоте движения поездов на линии, их поршневое действие сопоставимо с производительностью тоннельных вентиляторов. Но, чем чаще встречаются поезда на линии, тем меньше воздуха от их поршневого действия перемещается через платформенные залы станций (рисунок 7, позиция е).

Q, м Рисунок 7 Количество воздуха, перемещаемое через станцию одной парой поездов: а – которые ни разу не встречаются на линии; б – которые встречаются один раз на перегоне между 5-ой и 6-ой станциями; в, г, д, и е – количество поездов на линии составляет соответственно 5, 10, 15 и 20 пар/час Это объясняется возникновением циркуляционных контуров внутри перегона. На рисунке 8 приведены результаты исследования следующих вариантов расположения поездов на линии: а – поезд отходит от станции № 5 по направлению к станции № 6; б – два поезда одновременно отходят от станции № 5 по направлению к станциям № 4 и № 6 соответственно.

На рисунке 8а видно, что на перегоне образуется циркуляционное кольцо, которое ограничено вентиляционной сбойкой за станцией №5, вентиляционной сбойкой перегонной вентиляционной камеры и тоннелями между ними, в которое вовлечена основная часть воздуха, перемещаемого поршневым действием поезда. По параллельному тоннелю, в котором нет поезда, перемещается 37,2 м3/с воздуха. При появлении поезда на смежном перегоне (рисунок 8б), по параллельному тоннелю перемещается уже 54 м3/с воздуха, что на 45 % больше, чем в варианте а.

Рисунок 8 Схема циркуляция воздуха: а – поезд отходит от станции № 5 по направлению к станции № 6; б – два поезда одновременно отходят от станции № 5 по направлению к станциям № 4 и № В результате исследований установлено, что на перегоне формируется главное циркуляционное кольцо, инициированное поршневым действием поездов. Меньшая часть воздуха от поршневого действия поездов идет на проветривание станций, а большая – вовлекается в циркуляционное кольцо внутри перегона. Причем расход воздуха, вовлекаемый в циркуляционное кольцо, повышается с увеличением количества поездов на линии и их встреч на перегонах. Таким образом, при увеличении частоты движения поездов на линии все большее количество воздуха вовлекается в образующиеся главные циркуляционные кольца внутри перегонов. Это приводит к снижению удельного расхода воздуха на станциях.

В четвертой главе исследуются способы регулирования воздухораспределения от поршневого действия движущихся поездов. В результате исследований выявлено, что мероприятия, направленные на размыкание циркуляционных колец, приводят к увеличению расходов воздуха через платформенные залы станций и перегонные венткамеры.

Наиболее перспективным способом регулирования воздухораспределения при размыкании циркуляционных колец является полное или частичное перекрытие поперечного сечения пристанционных вентсбоек (рисунок 9).

Циркуляционные сбойки были предложены для снижения «дутья» в работе В.Я. Цодикова. Этот конструктив применяется проектировщиками во всех метрополитенах Российской Федерации.

Рисунок 9 Схема системы вентиляции тоннелей с устройством вентиляционной сбойки у торца станции: 1 – станция метрополитена; 2 – перегонные тоннели; 3 – пристанционные циркуляционные сбойки; 4 – поезд метрополитена; заштрихованными стрелками показано направление движения поездов; обычными стрелками показано направление движения воздуха С помощью серий численных экспериментов выявлена зависимость изменения расходов воздуха на станциях от степени перекрытия циркуляционных сбоек и от частоты движения поездов. Средняя площадь сечения таких сбоек составляет 92 м2. Проведенные исследования показали, что уменьшение площади поперечного сечения циркуляционных вентсбоек до 46 м2 не оказывает существенного влияния на воздухораспределение на станциях. Но при дальнейшем уменьшении их сечения и увеличении интенсивности движения поездов на линии, расходы воздуха через платформенные залы станций начинают интенсивно возрастать.

Для оценки эффективности регулирования исследовались расходы воздуха через станции при трех размерах сечения сбоек (рисунок 10): 92 м2 (0 % перекрытия), результат показан в первом столбце для каждой интенсивности движения поездов; 23 м2 (75 % перекрытия) – во втором столбце и 0 м (100 % перекрытия) – в третьем столбце. На рисунке 11 представлены результаты исследования расходов воздуха через пешеходные выходы на поверхность.

Как видно из рисунка 10, при малой интенсивности движения поездов, полное перекрытие циркуляционных сбоек оказывает незначительное влияние на воздухораспределение через платформенные залы рассматриваемых станций. Но при движении 20 пар поездов в час – воздухораспределение через платформенные залы станций в среднем увеличивается в 6,4 раза.

На полученных гистограммах (рисунок 11) показано изменение расходов воздуха через вестибюли станций при открытой и полностью закрытой циркуляционной сбойке. Для малой интенсивности движения поездов изменение расходов воздуха не превышает 10 %. Для частоты движения 10 пар поездов в час разница расходов воздуха через вестибюли в среднем не превышает 7 %. Когда на линии движутся 20 пар поездов в час, расходы воздуха через пешеходные выходы на поверхность начинают незначительно снижаться.

Рисунок 10 Расходы воздуха, перемещаемые через платформенные залы станций за час, в зависимости от степени перекрытия поперечного сечения пристанционных циркуляционных сбоек и от частоты движения поездов по линии: а – 1 пара поездов в час; б – 10 пар поездов в час; в – 20 пар поездов в час; 0 – 0 % перекрытия циркуляционных сбоек; 0,75 – 75 % перекрытия циркуляционных сбоек; 1 – 100 % перекрытия циркуляционных сбоек Таким образом, можно утверждать, что в метрополитенах мелкого заложения полное перекрытие сечения пристанционных циркуляционных сбоек не оказывает значительного влияния на расходы воздуха через вестибюли станций. Изменение сечения сбоек позволяет регулировать расходы воздуха через платформенные залы станций от поршневого действия движущихся поездов, что позволяет проветривать станции в большинстве штатных режимов без использования тоннельных вентиляторов.

Рисунок 11 Расходы воздуха через пешеходные входы и выходы вестибюлей за час, в зависимости от степени перекрытии поперечного сечения пристанционных циркуляционных сбоек и от частоты движения поездов по линии: а – 1 пара поездов в час; б – 10 пар поездов в час; в – 20 пар поездов в час; 0 – 0 % перекрытия циркуляционных сбоек; 0,75 – 75 % перекрытия циркуляционных сбоек; 1 – 100 % перекрытия циркуляционных сбоек

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации, являющейся научно-квалификационной работой, изложены научно обоснованные технические разработки, имеющие существенное значение для экономики страны. На основе результатов выполненных теоретических и экспериментальных исследований дано обоснование использования поршневого действия поездов для проветривания подземных станций и тоннелей метрополитенов мелкого заложения.

Основные научные и практические результаты работы.

1. Предложен метод решения задачи движения воздушного потока, инициированного поршневым действием поезда в метрополитене мелкого заложения путем использования математических моделей статического воздухораспределения, при этом расхождение результатов численного моделирования воздухораспределения с экспериментальными данными не превышает 10 %.

2. Определена область распространения влияния поршневого действия поезда на расход воздуха через платформенные залы станций и соответствие этих расходов производительности от тоннельных вентиляторов.

3. С помощью численного моделирования показано, что количество воздуха, вовлекаемое в циркуляционное кольцо на перегоне между станциями от поршневого действия поездов, увеличивается с повышением их частоты движения и встреч на линии, при этом удельный расход воздуха, обусловленный поршневым действием одной пары поездов, через платформенные залы станций уменьшается.

4. Обоснован способ регулирования расходов воздуха через станции путем изменения аэродинамического сопротивления циркуляционных сбоек и выявлен диапазон изменения этих расходов.

5. Разработана методика расчета воздухораспределения в метрополитенах мелкого заложения, учитывающая поршневое действие движущихся поездов.

6. Внедрение результатов исследований в Новосибирском метрополитене позволит снизить расход электроэнергии на один тоннельный вентилятор до 130000 кВт·ч за год (или 230000 руб/год в ценах 2011 года), за счет перераспределения части вентиляционной нагрузки с тоннельных вентиляторов на поршневое действие движущихся поездов.

7. Методика расчета расхода воздуха на станциях метрополитена от поршневого действия поезда использована МУП «Новосибирский метрополитен» для разработки режимов тоннельной вентиляции. Результаты диссертационной работы также использованы ОАО «Сибгипротранс» в рабочем проекте системы вентиляции станции «Золотая Нива» Новосибирского метрополитена.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Павлов С.А. Элементы вентиляционных систем транспортных тоннелей и метрополитенов зарубежных стран [Текст] / С.А. Павлов. Сборник трудов молодых ученых. Т. 1. Изд. ИГД СО РАН. – Новосибирск. – 2008. – С. 159-164.

2. Красюк А.М. Математическое моделирование воздухораспределения в вентиляционной сети метрополитена с учетом поршневого действия поездов [Текст] / А.М. Красюк, И.В. Лугин, С.А. Павлов. Горный информационноаналитический бюллетень. Тематическое приложение. Аэрология. – М.:

МГГУ. 2009. – С. 48- 3. Красюк А.М. Влияние поршневого действия поездов на тоннельную вентиляцию метрополитенов мелкого заложения [Текст] / А.М. Красюк, И.В. Лугин, С.А. Павлов, А.Н. Чигишев. Метро и тоннели. Изд-во "ТА Инжиниринг". – 2010. – № 2. – С. 30-32.

4. Красюк А.М. Об использовании поршневого действия поездов в тоннельной вентиляции метрополитена мелкого заложения [Текст] / А.М. Красюк, И.В. Лугин, С.А. Павлов, А.Н. Чигишев. Труды конф. с участием иностранных ученых «Фундаментальные проблемы формирования техногенной геосреды» в III т. Т. III. Машиноведение. – Новосибирск: ИГД СО РАН. 2010. С. 252- 5. Красюк А.М. Об эффекте возникновения циркуляционных колец и их влиянии на воздухораспределение в метрополитене мелкого заложения [Текст] / А.М. Красюк, И.В. Лугин, С.А. Павлов. Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. Новосибирск. – 2010. – № 4. – С. 75-82.

6. Павлов С.А. Исследование воздухораспределения от поршневого действия поездов [Текст] / С.А. Павлов // Сборник трудов молодых ученых. Т. 2.

Изд. ИГД СО РАН. – Новосибирск. – 2010. – С. 81-86.