Kolbeneffekt – Wikipedia

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Kolbeneffekt bezieht sich auf den erzwungenen Luftstrom innerhalb eines Tunnels oder Schachtes, der durch sich bewegende Fahrzeuge verursacht wird.[1] Es ist eines von zahlreichen Phänomenen, die Ingenieure und Designer bei der Entwicklung einer Reihe von Strukturen berücksichtigen müssen.

Ein Diagramm, das den Kolbeneffekt zeigt, wenn sich ein Fahrzeug durch einen Tunnel bewegt.

Wenn ein Fahrzeug im Freien fährt, kann sich die beiseite geschobene Luft in jede Richtung bewegen, außer in den Boden. Innerhalb eines Tunnels wird Luft durch die Tunnelwände eingeschlossen, um sich entlang des Tunnels zu bewegen. Hinter dem fahrenden Fahrzeug wird beim Wegschieben Luft angesaugt und Luft in den Tunnel gezogen. Aufgrund der Flüssigkeitsviskosität schleppt die Oberfläche des Fahrzeugs die Luft, um mit dem Fahrzeug zu strömen, eine Kraft, die als Hautwiderstand des Fahrzeugs auftritt. Diese Luftbewegung durch das Fahrzeug ist analog zum Betrieb eines mechanischen Kolbens innerhalb einer Kolbenkompressor-Gaspumpe, daher der Name “Kolbeneffekt”. Der Effekt ähnelt auch den Druckschwankungen in den Abflussrohren, da das Abwasser Luft vor sich drückt.

Der Abstand zwischen Zug und Tunnel ist oft gering. Londoner U-Bahn, die einen Tunnel verlässt.

Der Kolbeneffekt ist in Eisenbahntunneln sehr ausgeprägt, da die Querschnittsfläche von Zügen groß ist und in vielen Fällen den Tunnelquerschnitt fast vollständig ausfüllt. Der Wind, den die Fahrgäste auf unterirdischen Bahnsteigen (ohne installierte Bahnsteigtüren) spüren, wenn sich ein Zug nähert, ist der Luftstrom aus dem Kolbeneffekt. Der Effekt ist in Straßenfahrzeugtunneln weniger ausgeprägt, da die Querschnittsfläche des Fahrzeugs im Vergleich zur Gesamtquerschnittsfläche des Tunnels klein ist. Einspurige Tunnel haben die maximale Wirkung, aber der Abstand zwischen Fahrzeug und Tunnel sowie die Form der Vorderseite des Zuges wirken sich auf seine Festigkeit aus.[3]

Der durch den Kolbeneffekt verursachte Luftstrom kann große Kräfte auf die Installationen im Tunnel ausüben. Daher müssen diese Installationen sorgfältig entworfen und ordnungsgemäß installiert werden. Manchmal werden Rückschlagklappen benötigt, um ein Abwürgen der Ventilatoren durch diesen Luftstrom zu verhindern.[3]

Anwendungen[edit]

Der Kolbeneffekt muss von den Bauherren in Bezug auf die Rauchbewegung innerhalb eines Aufzugsschachts berücksichtigt werden.[4] Eine sich bewegende Aufzugskabine drückt die Luft vor ihr aus dem Schacht und zieht Luft in den dahinter liegenden Schacht, was bei Aufzugssystemen mit einer sich schnell bewegenden Wagen in einem einzigen Schacht am deutlichsten sichtbar ist. Dies bedeutet, dass bei einem Brand ein sich bewegender Aufzug Rauch in die unteren Stockwerke drücken kann.[4]

Der Kolbeneffekt wird bei der Tunnelbelüftung eingesetzt. In Eisenbahntunneln drückt der Zug die Luft davor in Richtung des nächstgelegenen Lüftungsschachts und saugt Luft vom nächstgelegenen Lüftungsschacht dahinter in den Tunnel. Der Kolbeneffekt kann auch die Belüftung in Straßenfahrzeugtunneln unterstützen.

In unterirdischen Schnellverkehrssystemen trägt der Kolbeneffekt zur Belüftung bei und sorgt in einigen Fällen für eine ausreichende Luftbewegung, um eine mechanische Belüftung unnötig zu machen. An breiteren Stationen mit mehreren Spuren bleibt die Luftqualität gleich und kann sich sogar verbessern, wenn die mechanische Belüftung deaktiviert ist. Bei schmalen Plattformen mit einem einzigen Tunnel verschlechtert sich jedoch die Luftqualität, wenn nur der Kolbeneffekt für die Belüftung verwendet wird. Dies ermöglicht weiterhin potenzielle Energieeinsparungen, indem der Kolbeneffekt nach Möglichkeit anstelle einer mechanischen Belüftung genutzt wird.[5]

Tunnelboom[edit]

Ein Tunnel im französischen Hochgeschwindigkeits-TGV-Netz mit einer Eingangshaube zur Abschwächung des Tunnelbooms.

Tunnelboom ist ein lauter Boom, der manchmal von Hochgeschwindigkeitszügen beim Verlassen von Tunneln erzeugt wird. Diese Stoßwellen können Anwohner in der Nähe stören und Züge und nahe gelegene Strukturen beschädigen. Die Menschen nehmen dieses Geräusch ähnlich wahr wie einen Überschallknall von Überschallflugzeugen. Im Gegensatz zu einem Überschallknall wird der Tunnelboom jedoch nicht durch Züge verursacht, die die Schallgeschwindigkeit überschreiten. Stattdessen resultiert der Tunnelausleger aus der Struktur des Tunnels, die verhindert, dass die Luft um den Zug in alle Richtungen entweicht. Wenn ein Zug durch einen Tunnel fährt, erzeugt er vor ihm Kompressionswellen. Diese Wellen verschmelzen zu einer Stoßwelle, die beim Erreichen des Tunnelausgangs einen lauten Knall erzeugt.[6][7] Die Stärke dieser Welle ist proportional zum Würfel der Zuggeschwindigkeit, daher ist der Effekt bei schnelleren Zügen viel stärker.[7]

Der Tunnelboom kann die Bewohner in der Nähe der Tunnelmündungen stören und wird in Gebirgstälern, in denen der Klang widerhallt, noch verstärkt. Die Reduzierung dieser Störungen ist eine große Herausforderung für Hochgeschwindigkeitsstrecken wie das japanische Shinkansen und das französische TGV. Der Tunnelboom ist zu einer Haupteinschränkung für höhere Zuggeschwindigkeiten in Japan geworden, wo das bergige Gelände häufige Tunnel erfordert. Japan hat ein Gesetz erlassen, das den Lärm in Wohngebieten auf 70 dB begrenzt.[8] Dazu gehören viele Tunnelausgangszonen.

Zu den Methoden zur Reduzierung des Tunnelbooms gehört es, das Profil des Zuges hoch aerodynamisch zu gestalten und den Tunneleingängen Hauben hinzuzufügen.[9] Installation von Lochwänden an Tunnelausgängen,[6] und Bohren von Entlüftungslöchern in den Tunnel[7] (Ähnlich wie beim Anbringen eines Schalldämpfers an einer Schusswaffe, jedoch in weitaus größerem Maßstab).

Ohrenbeschwerden[edit]

Fahrgäste und Besatzungsmitglieder können Ohrenschmerzen haben, wenn ein Zug aufgrund schneller Druckänderungen in einen Tunnel einfährt.[10]

Siehe auch[edit]

  1. ^ “JR-Ost (East Japan Railway Company)”. Archiviert von das Original am 17. Februar 2012.
  2. ^ Hitachi Brasil Ltd. “Innovation und fortschrittliche Technologie – Hochgeschwindigkeitszug – Hitachi Brasil Ltda”. www.slideshare.net. Folie 7.
  3. ^ ein b Bonnett, Clifford F. (2005). Praktische Bahntechnik. Imperial College Press. S. 174–175. ISBN 978-1860945151. Abgerufen 20. Januar 2016.
  4. ^ ein b Klote, John H.; George Tamura (13. Juni 1986). “Aufzugskolbeneffekt und das Rauchproblem” (PDF). Brandschutzjournal. 11 (2): 227–233. doi:10.1016 / 0379-7112 (86) 90065-2. Abgerufen 20. Januar 2016.
  5. ^ Moreno, T.; Pérez, N.; Reche, C.; Martins, V.; de Miguel, E.; Capdevila, M.; Centelles, S.; Minguillón, MC; Amato, F.; Alastuey, A.; Querol, X.; Gibbons, W. (24.04.2014). “Luftqualität des U-Bahnsteigs: Bewertung der Einflüsse der Tunnelbelüftung, des Zugkolbeneffekts und des Stationsdesigns”. Atmosphärische Umgebung. 92 (August 2014): 461–468. Bibcode:2014AtmEn..92..461M. doi:10.1016 / j.atmosenv.2014.04.043.
  6. ^ ein b Takayama, K.; Sasoh, A.; Onodera, O.; Kaneko, R.; Matsui, Y. (1995-10-01). “Experimentelle Untersuchung zum Tunnelschallboom”. Stoßwellen. 5 (3): 127–138. Bibcode:1995ShWav … 5..127T. doi:10.1007 / BF01435520.
  7. ^ ein b c Auvity, B.; Bellenoue, M.; Kageyama, T. (Februar 2001). “Experimentelle Untersuchung des instationären aerodynamischen Feldes außerhalb eines Tunnels während einer Zugfahrt”. Experimente in Flüssigkeiten. 30 (2): 221–228. doi:10.1007 / s003480000159.
  8. ^ “Die Umweltverordnung für Shinkansen-Lärmbelästigung (1975, Environmental Agency) (Japanisch)” (50). Env.go.jp. Abgerufen 1. Oktober 2012.
  9. ^ Ishikawa, Satoshi; Nakade, Kazuhiro; Yaginuma, Ken-ichi; Watanabe, Yasuo; Masuda, Toru (2010). “Entwicklung neuer Tunneleintrittshauben”. JR East Technical Review. 16 (Frühling): 56–59. Abgerufen 2016-01-04.
  10. ^ Xie, Pengpeng; Peng, Yong; Wang, Tiantian; Zhang, Honghao (April 2019). “Risiken von Ohrbeschwerden von Fahrgästen und Fahrern, während Züge mit hoher Geschwindigkeit durch Tunnel fahren: Eine numerische Simulation und experimentelle Studie”. Internationale Zeitschrift für Umweltforschung und öffentliche Gesundheit. 16 (7): 1283. doi:10.3390 / ijerph16071283. ISSN 1661-7827. PMC 6480231. PMID 30974822.

Verweise[edit]

Externe Links[edit]

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