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 транспортное средство движется, отталкиваемый в сторону воздух может двигаться в любом направлении, кроме земли. Внутри туннеля воздух удерживается стенами туннеля и движется 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 притягивает воздух к транспортному средству, и эта сила воспринимается транспортным средством как сопротивление кожи . Это движение воздуха в автомобиле аналогично работе механического поршня внутри газового насоса поршневого компрессора , отсюда и название «поршневой эффект». Эффект также аналогичен колебаниям давления внутри дренажных труб, когда сточные воды выталкивают воздух перед собой.
Поршневой эффект очень выражен в железнодорожных тоннелях, поскольку площадь поперечного сечения поездов велика и во многих случаях почти полностью заполняет поперечное сечение тоннеля . Ветер, ощущаемый пассажирами на платформах метрополитена (на которых не установлены экранированные двери ) при приближении поезда, представляет собой поток воздуха 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. Максимальный эффект достигается в однопутных туннелях, но зазор между подвижным составом и туннелем, а также форма передней части поезда влияют на его прочность. [3]
Поток воздуха, вызванный эффектом поршня, может оказывать большие силы на установки внутри туннеля, поэтому эти установки необходимо тщательно проектировать и устанавливать правильно. Иногда необходимы обратные заслонки , чтобы предотвратить остановку вентиляторов, вызванную этим потоком воздуха. [3]
Проектировщикам зданий необходимо учитывать эффект поршня применительно к движению дыма внутри шахты лифта . [4] Движущаяся кабина лифта вытесняет воздух перед собой из шахты и втягивает воздух в шахту позади нее, причем эффект наиболее очевиден в лифтовых системах с быстро движущейся кабиной в одной шахте. Это означает, что при пожаре движущийся лифт может выбрасывать дым на нижние этажи. [4]
Эффект поршня используется в туннельной вентиляции. В железнодорожных туннелях поезд выталкивает воздух перед собой к ближайшей вентиляционной шахте впереди и всасывает воздух в туннель из ближайшей вентиляционной шахты позади него. Эффект поршня также может способствовать вентиляции в туннелях транспортных средств.
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, если для вентиляции используется только поршневой эффект. Это по-прежнему позволяет потенциально экономить энергию за счет использования поршневого эффекта, а не механической вентиляции, где это возможно. [5]
Туннельный грохот — это громкий грохот, который иногда издают высокоскоростные поезда при выходе из туннелей. Эти ударные волны могут потревожить близлежащих жителей и повредить поезда и близлежащие постройки. Люди воспринимают этот звук так же, как звуковой удар сверхзвукового самолета. Однако, в отличие от звукового удара, туннельный взрыв не вызван превышением поездами скорости звука. Вместо этого туннельная стрела возникает из-за конструкции туннеля, препятствующей выходу воздуха вокруг поезда во всех направлениях. Когда поезд проходит через туннель, перед ним возникают волны сжатия . Эти волны сливаются в ударную волну , которая производит громкий грохот, когда достигает выхода из туннеля. [6] [7] Сила этой волны пропорциональна кубу скорости поезда, поэтому эффект гораздо более выражен на более быстрых поездах. [7]
Туннельный грохот может беспокоить жителей вблизи устьев туннелей, и он усугубляется в горных долинах, где звук отражается эхом. Уменьшение этих помех является серьезной проблемой для высокоскоростных линий, таких как японский Синкансэн , французский TGV и испанский AVE . Туннельная стрела стала основным препятствием для увеличения скорости движения поездов в Японии, где гористая местность требует частого использования туннелей. Япония приняла закон, ограничивающий уровень шума до 70 дБ в жилых районах, [8] которые включают в себя множество зон выхода из туннелей.
Методы уменьшения туннельной стрелы включают придание профиля поезда высокой аэродинамичности , установку колпаков на входах в туннель, [9] установку перфорированных стенок на выходах из туннеля, [6] и просверливание вентиляционных отверстий в туннеле [7] (аналогично установке глушителя на огнестрельное оружие, но в гораздо больших масштабах). В рамках проекта HS2 в Соединенном Королевстве были разработаны туннельные колпаки с «пористым порталом», чтобы смягчить туннельный бум для жителей, а также свести к минимуму слуховой дискомфорт для пассажиров, который может возникнуть из-за изменений давления воздуха в поезде. [10] [11] [12]
Пассажиры и члены экипажа могут испытывать дискомфорт в ушах при въезде поезда в туннель из-за резких изменений давления. [13]
