§ 23. ПОРШНЕВОЙ ЭФФЕКТ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА

Особое значение для естественного проветривания имеет влияние поршневого эффекта проходящих через тоннель транспортных единиц. В благоприятных условиях поршневой эффект может создать достаточную для проветривания тоннеля скорость воздушного потока, а в неблагоприятных условиях — уравновесить естественную тягу или изменить направление движения воздуха на обратное.

В железнодорожных тоннелях поршневой эффект особенно заметен, так как поезд занимает большую часть сечения однопутного тоннеля и имеет длину, соизмеримую с длиной тоннеля.

При движении поезда в тоннеле создается избыточное давление воздуха перед локомотивом и разрежение за последним вагоном. Эти факторы способствуют преодолению сопротивления тоннеля как воздуховода и создают напор, обеспечивающий перемещение воздуха в тоннеле.

Скорость vвоздушного потока, вызванного поршневым эффектом поезда, прямо пропорциональна скорости v0 его движения. Свежий воздух, входящий в тоннель вслед за поездом, движется несколько медленнее его и поэтому отстает от заднего вагона (рис. 43, а). После выхода поезда из тоннеля поршневой эффект исчезает и движение воздуха к выходному порталу продолжается под влиянием кинетической энергии массы воздуха, находящегося в тоннеле (рис. 43, б).

Проветривание поршневым действием подвижного состава
Рис. 43. Проветривание поршневым действием подвижного состава

Если эта энергия недостаточна для преодоления сопротивления тоннеля как воздуховода, свежий воздух не сможет полностью вытеснить воздух с продуктами сгорания топлива и при неблагоприятных условиях эта смесь может распространиться в направлении, обратном движению поезда, на значительное протяжение тоннеля.

Величина отставания потока свежего, воздуха от заднего вагона поезда в момент выхода из тоннеля

Величина отставания потока свежего воздуха от заднего вагона поезда в момент выхода из тоннеля,
(37)

где L — длина тоннеля;

v0 — скорость движения поезда;

v — скорость движения воздуха в тоннеле, установившаяся в результате совместного действия поршневого эффекта и естественной тяги.

Используя теорему об изменении кинетической энергии системы, можно найти время tк свободного движения воздушного потока по тоннелю и величину выходной скорости vк воздуха, которая должна быть достаточной для преодоления случайных факторов противоположного направления (напор естественной тяги, движение транспорта):

Время свободного движения воздушного потока по тоннелю;
(38)
Скорость движения воздуха по тоннелю,
(39)

где

.
(40)

Входящий в последнее выражение коэффициент полного сопротивления тоннеля как воздуховода

Коэффициент полного сопротивления тоннеля.
(41)

Условием возможности проветривания тоннеля за счет поршневого эффекта поездов является соблюдение следующих неравенств (рис. 43, в):

Условие возможности проветривания тоннеля за счет поршневого эффекта при движении поездов

Усилению влияния поршневого эффекта на проветривание тоннеля способствует проведение следующих мероприятий:

1. Увеличение воздушного сопротивления, которого можно достигнуть при большем заполнении поездом поперечного сечения тоннеля и повышении скорости движения. Поэтому целесообразно вместо двухпутного тоннеля устраивать два однопутных и располагать тоннели на малых уклонах. При этом одновременно уменьшается расход горючего локомотивом при проходе через тоннель и, следовательно, выделение вредных газов.

2. Уменьшение сопротивления тоннеля как воздуховода, которое может быть достигнуто при уменьшении коэффициента трения воздуха о стены тоннеля и сокращении местных сопротивлений при входе и выходе путем закругления кромок портальных отверстий. Наибольшее значение имеет уменьшение шероховатости внутренней поверхности тоннеля. Для этой цели целесообразно применять при бетонировании металлическую инвентарную опалубку или тщательно оштукатуривать поверхность с последующим железнением.

3. Нагнетание воздуха через ствол неглубокой шахты в тоннель в направлении движения поезда в местах прекращения вентиляционного действия от поршневого эффекта, которое сокращает время проветривания тоннеля и увеличивает выходную скорость воздушного потока.

В автомобильных тоннелях влияние поршневого эффекта не так велико, как в железнодорожных тоннелях, вследствие значительно меньшего заполнения транспортными единицами поперечного сечения тоннеля. Однако и здесь следует считаться с возможностью возникновения устойчивого воздушного потока, особенно при движении колонн автомашин с минимальными интервалами между ними. Поэтому целесообразно устраивать отдельные тоннели дляодностороннего движения, в которых воздушные потоки от поршневого эффекта автомашин могут быть использованы для естественного проветривания. Такое решение допустимо в случае коротких тоннелей (длиной до 400 м). При этом обязательно выключение двигателей внутреннего сгорания при остановке машин в тоннеле.

Волков В.П., Наумов С.Н., Пирожкова А.Н., Храпов В.Г. Тоннели и метрополитены