Поршневой эффект относится к принудительному потоку воздуха внутри туннеля или шахты, вызванному движущимися транспортными средствами. [1] Это одно из многочисленных явлений, которые инженеры и проектировщики должны учитывать при разработке различных конструкций.
На открытом воздухе, когда движется транспортное средство, отталкиваемый в сторону воздух может двигаться в любом направлении, кроме как в землю. Внутри туннеля воздух ограничен стенками туннеля для движения по туннелю. Позади движущегося транспортного средства, когда воздух отталкивается, создается всасывание, и воздух втягивается в туннель. Кроме того, из-за вязкости жидкости поверхность транспортного средства увлекает воздух, чтобы он тек вместе с транспортным средством, сила, испытываемая транспортным средством как сопротивление поверхности . Это движение воздуха транспортным средством аналогично работе механического поршня , как внутри поршневого компрессора газового насоса, отсюда и название «эффект поршня». Эффект также похож на колебания давления внутри дренажных труб, когда сточная вода выталкивает воздух перед собой.
Поршневой эффект очень выражен в железнодорожных туннелях, поскольку площадь поперечного сечения поездов велика и во многих случаях почти полностью заполняет поперечное сечение туннеля . Ветер, ощущаемый пассажирами на подземных железнодорожных платформах (на которых не установлены платформенные раздвижные двери ) при приближении поезда, представляет собой воздушный поток от поршневого эффекта. Эффект менее выражен в туннелях для автотранспортных средств, поскольку площадь поперечного сечения транспортного средства мала по сравнению с общей площадью поперечного сечения туннеля. Однопутные туннели испытывают максимальный эффект, но зазор между подвижным составом и туннелем, а также форма передней части поезда влияют на его прочность. [3]
Воздушный поток, вызванный эффектом поршня, может оказывать большие силы на установки внутри туннеля, поэтому эти установки должны быть тщательно спроектированы и установлены должным образом. Иногда требуются обратные заслонки , чтобы предотвратить остановку вентиляторов, вызванную этим воздушным потоком. [3]
Эффект поршня должен учитываться проектировщиками зданий в отношении движения дыма в шахте лифта . [4] Движущаяся кабина лифта выталкивает воздух перед собой из шахты и втягивает воздух в шахту позади себя, причем этот эффект наиболее заметен в лифтовых системах с быстро движущейся кабиной в одной шахте. Это означает, что при пожаре движущийся лифт может выталкивать дым на нижние этажи. [4]
Поршневой эффект используется в вентиляции туннелей. В железнодорожных туннелях поезд выталкивает воздух перед собой в направлении ближайшей вентиляционной шахты впереди и всасывает воздух в туннель из ближайшей вентиляционной шахты позади него. Поршневой эффект может также способствовать вентиляции в туннелях для автотранспорта.
В подземных системах скоростного транспорта поршневой эффект способствует вентиляции и в некоторых случаях обеспечивает достаточное движение воздуха, чтобы сделать механическую вентиляцию ненужной. На более широких станциях с несколькими путями качество воздуха остается прежним и может даже улучшиться при отключении механической вентиляции. Однако на узких платформах с одним туннелем качество воздуха ухудшается, когда для вентиляции используется только поршневой эффект. Это все еще позволяет потенциально экономить энергию, используя поршневой эффект вместо механической вентиляции, где это возможно. [5]
Туннельный бум — это громкий гул, который иногда создают высокоскоростные поезда при выходе из туннелей. Эти ударные волны могут беспокоить близлежащих жителей и повреждать поезда и близлежащие сооружения. Люди воспринимают этот звук так же, как и звуковой гул от сверхзвукового самолета. Однако, в отличие от звукового гула, туннельный бум не вызывается поездами, превышающими скорость звука. Вместо этого туннельный бум возникает из-за того, что структура туннеля не позволяет воздуху вокруг поезда выходить во всех направлениях. Когда поезд проходит через туннель, он создает волны сжатия перед собой. Эти волны объединяются в ударную волну , которая генерирует громкий гул, когда достигает выхода из туннеля. [6] [7] Сила этой волны пропорциональна кубу скорости поезда, поэтому эффект гораздо более выражен у более быстрых поездов. [7]
Туннельный гул может беспокоить жителей вблизи устьев туннелей, и он усугубляется в горных долинах, где звук отражается эхом. Уменьшение этих помех является существенной проблемой для высокоскоростных линий, таких как Shinkansen в Японии, TGV во Франции и AVE в Испании . Туннельный гул стал основным ограничением для увеличения скорости поездов в Японии, где горная местность требует частого использования туннелей. Япония приняла закон, ограничивающий шум до 70 дБ в жилых районах, [8] которые включают в себя множество зон выхода из туннелей.
Методы снижения гула в туннеле включают в себя создание высокоаэродинамического профиля поезда , добавление колпаков к входам в туннель, [9] установку перфорированных стен на выходах из туннеля, [6] и сверление вентиляционных отверстий в туннеле [7] (аналогично установке глушителя на огнестрельное оружие, но в гораздо большем масштабе). Проект HS2 в Соединенном Королевстве разработал колпаки для туннеля «пористый портал» для смягчения гула в туннеле для жителей, а также для минимизации слухового дискомфорта для пассажиров, который может возникнуть из-за изменений давления воздуха в поезде. [10] [11] [12]
Пассажиры и экипаж могут испытывать дискомфорт в ушах, когда поезд въезжает в туннель из-за быстрых перепадов давления. [13]
