Тепло-массообменные процессы в подземных сооружениях станции закрытого типа метрополитена с двухпутным тоннелем Кияница Лаврентий Александрович

Введение к работе

1. Актуальность темы: Как вид городского транспорта, метрополитен практиче
ски не имеет альтернативы в современном мегаполисе. Помимо основной – транспортной
– функции метрополитен является важным элементом инженерной защиты населения в
крупных городах. К подземным сооружениям метрополитена предъявляются норматив
ные санитарно-гигиенические требования по обеспечению параметров внутреннего мик
роклимата (температура воздуха, относительная влажность воздуха и т. д.) в местах пре
бывания людей. Поддержание параметров внутреннего микроклимата на станциях и в
тоннелях в допустимом диапазоне значений – первая из двух важнейших задач системы
вентиляции метрополитенов. Вторая задача вентиляции – обеспечение аварийных режи
мов проветривания при пожарах, авариях и террористических актах.

Современные тенденции строительства линий метрополитена свидетельствуют об увеличении доли возведения станций закрытого типа с двухпутными тоннелями в общем объеме строительства. Подтверждением тому служат конструктивные решения проектируемых и строящихся станций и тоннелей г. Москвы, Новосибирска и Екатеринбурга (Кожуховская линия в г. Москва – двухпутные тоннели, станция «Гусинобродская» в г. Новосибирск – закрытого типа с двухпутным тоннелем, вторая линия Екатеринбургского метрополитена – станции закрытого типа и двухпутные тоннели). Станция закрытого типа имеет конструктивную особенность, а именно наличие разделительной перегородки между путевым отсеком и пассажирской платформой. Учитывая, что к температуре воздуха на станции и в тоннеле предъявляются различные требования, рабочие параметры системы вентиляции и требования к вентиляционному оборудованию отличаются от аналогичных параметров для систем проветривания станций без разделительных перегородок. Опыт эксплуатации станций закрытого типа мелкого заложения в условиях резкоконтинентального климата России отсутствует, поэтому возникает необходимость в разработке новых методик проектирования систем вентиляции станций закрытого типа с двухпутными тоннелями мелкого заложения.

При организации проветривания станций закрытого типа существует ряд нерешенных проблем, таких как: тепловое и аэродинамическое влияние воздушных потоков в тоннеле на микроклимат в пассажирских помещениях; теплообменные процессы и тепловой баланс на станции закрытого типа; требования к аэродинамическим параметрам работы станционного вентиляционного оборудования; определение наиболее рациональных схем проветривания. Все вышеизложенное свидетельствует об актуальности и позволяет сформулировать цель диссертационного исследования.

1. Целью диссертационной работы является разработка методики определения составляющих теплового, влажностного, газового балансов и требований к аэродинамическим параметрам системы вентиляции подземных сооружений станции закрытого типа метрополитена мелкого заложения с двухпутным тоннелем в условиях резко-континентального климата.

2. Идея работы состоит в использовании теплоизбытков в двухпутном тоннеле метрополитена для восполнения теплонедостатков в пассажирских помещениях станции закрытого типа при помощи системы раздельного проветривания станции и тоннеля только пристанционными вентиляционными камерами с рециркуляцией тоннельного воздуха на станцию.

4. Задачи исследования:

1. Определить закономерности процесса тепловыделений от поездов подвижного состава метрополитена по длине двухпутного тоннеля.

2. Определить закономерности тепломассопереноса между путевым отсеком двухпутного тоннеля и пассажирскими помещениями станции закрытого типа.

3. Исследовать теплообменные процессы в подземных пассажирских помещениях станции закрытого типа метрополитена с двухпутным тоннелем для определения требуемых расходов воздуха и режимов проветривания.

4. Разработать систему вентиляции подземных сооружений станции закрытого
типа метрополитена с двухпутным тоннелем и обосновать требования к аэродинамиче
ским параметрам системы вентиляции при раздельном проветривании пассажирских по
мещений станции и перегонного тоннеля.

5. Методы исследования включают проведение теоретических исследований воз-духораспределения на станциях закрытого типа и в двухпутных тоннелях метрополитена посредством математического моделирования аэротермодинамических процессов с применением теории графов и методов вычислительной гидродинамики и теплообмена.

6. Основные научные положения, защищаемые автором:

– тепловыделения от подвижного состава метрополитена на участке двухпутного тоннеля между станциями превосходят по величине тепловыделения от подвижного состава в окрестностях станции, определяются дробно рациональной функцией от времени движения поезда по участку, и составляют от 56,6 % до 87,4 % от общих тепловыделений для межстанционных участков двухпутных тоннелей длиной от 0,5 км до 3 км;

– конвективная составляющая теплового потока из путевого отсека на станцию при стоянке поезда в путевом отсеке линейно зависит от средней скорости теплого воздуха в сечении дверного проема разделительной перегородки путевого отсека и станции, которая в свою очередь линейно зависит от разности температур воздуха в путевом отсеке и на станции;

– в течение года величина избыточного теплового потока в пассажирских помещениях станции закрытого типа мелкого заложения носит циклический знакопеременный характер, при этом, в зависимости от времени года, коэффициента температуропроводности грунта, глубины заложения и частоты движения поездов максимальные теплоизбытки на станции достигают 96 кВт, а максимальные теплонедостатки 175 кВт;

– требуемые аэродинамические параметры вентиляционных камер системы раздельной вентиляции станции закрытого типа и двухпутного тоннеля с рециркуляцией воздуха находятся для штатных режимов в интервале расходов от 74 м³/с до 109 м³/с при необходимом полном давлении от 1120 Па до 1320 Па, для аварийных режимов не менее 119 м³/с и полном давлении не менее 1070 Па.

7. Достоверность научных результатов, выводов, рекомендаций обеспечива
ется сходимостью с результатами натурных экспериментов и достаточным объемом ре
зультатов математического моделирования по исследованию воздухораспределения на
станции закрытого типа с двухпутным тоннелем.

8. Научная новизна диссертации заключается в том, что:

– выявлено, что зависимость между тепловыделениями от ходовой части поезда в межстанционном участке двухпутного тоннеля и временем движения поезда по участку описывается дробно-рациональной функцией;

– определено, что конвективная составляющая теплового потока из путевого отсека на станцию при стоянке поезда в путевом отсеке линейно зависит от средней скорости

теплого воздуха в сечении дверного проема разделительной перегородки путевого отсека и станции, которая в свою очередь линейно зависит от разности температур воздуха в путевом отсеке и на станции;

– выявлено, что величина избыточного теплового потока в пассажирских помещениях станции закрытого типа мелкого заложения носит циклический знакопеременный характер, при этом, с увеличением глубины заложения с 1 м до 25 м максимальные теп-лонедостатки в течение года на станции монотонно уменьшаются от 175 кВт до 48 кВт, а максимальные теплоизбытки увеличиваются с 69 кВт до 96 кВт с локальными экстремумами при глубинах заложения 3 и 6 м;

– обоснованы требуемые аэродинамические параметры вентиляционных камер системы вентиляции станции закрытого типа метрополитена с двухпутным тоннелем мелкого заложения в штатном и аварийном режимах проветривания при раздельном проветривании с рециркуляцией подземных сооружений станции и тоннеля без устройства перегонных вентиляционных камер.

9. Личный вклад автора состоит в: обобщении известных результатов; разработке
термо-аэродинамической математической модели станции закрытого типа с двухпутным
тоннелем; проведении вычислительных экспериментов по исследованию воздухораспре-
деления на станции закрытого типа; обработке и анализе результатов вычислительных и
натурных экспериментов.

10. Практическая ценность заключается в создании методики расчета системы раздельной вентиляции метрополитена с двухпутным тоннелем и станциями закрытого типа для работы в штатных и аварийных ситуациях.

11. Реализация работы. Методика расчета системы раздельной вентиляции метрополитена с двухпутным тоннелем и станциями закрытого типа для работы в штатных и аварийных ситуациях передана: для использования в учебном процессе в Сибирский государственный университет путей сообщения; для проектирования линий метрополитена в НП «АВОК-Сибирь».

12. Апробация работы. Основные положения диссертации и ее отдельные результаты были представлены на Международном научном симпозиуме «Неделя горняка» (2015, 2016, 2017, 2018, Москва), всероссийской научно-технической конференции «Актуальные вопросы строительства» (2015, 2016, 2017, 2018, Новосибирск), всероссийской научной конференции «Горняцкая смена» (2015, 2017, Новосибирск), всероссийской конференции «Проблемы развития горных наук и горнодобывающей промышленности» (2016, Новосибирск), международной научно-практической конференции «Повышение надежности и безопасности транспортных сооружений и коммуникаций» (2016, Саратов), международной научно-практической конференции «Транспорт России: проблемы и перспективы» (2016, Санкт-Петербург), Международной конференции «16th international multidisciplinary scientific geoconference SGEM 2016» (2016, Альбена, Болгария), всероссийской конференции «Энергосбережение и энергоэффективность на промышленных предприятиях и в жилищно-коммунальном хозяйстве» (2016, Новосибирск), международной выставке и научном конгрессе «Интерэкспо ГЕО-Сибирь» (2017, 2018, Новосибирск).

13. Публикации. Основное содержание опубликовано в 15 печатных работах, из них 4 – в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ.

14. Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав,
заключения и приложений, общим объемом 194 страницы машинописного текста, и со
держит 24 таблицы, 76 рисунков, список литературы из 85 источников и 5 приложений.