Эффект поршня сущность, применение

Привет, Вы узнаете о том , что такое эффект поршня , Разберем основные их виды и особенности использования. Еще будет много подробных примеров и описаний. Для того чтобы лучше понимать что такое эффект поршня , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Прикладная физика.

Поршневой эффект относится к принудительному потоку воздуха внутри туннеля или шахты, вызванному движущимися транспортными средствами. Это одно из многочисленных явлений, которые инженеры и проектировщики должны учитывать при разработке различных конструкций.

Схема, демонстрирующая эффект поршня при движении автомобиля по туннелю.

Удлиненный нос поезда Shinkansen серии E5 в Японии разработан для противодействия эффекту поршня.

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.

Зазор между поездом и туннелем часто небольшой. Поезд лондонского метрополитена выезжает из туннеля.

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.

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.

Сущность явления поршевого эфекта в тоннелях

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).

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

,

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):

;

где

Входящий в последнее выражение коэффициент полного сопротивления тоннеля как воздуховода

Коэффициент полного сопротивления тоннеля

Условием возможности проветривания тоннеля за счет поршневого эффекта поездов является соблюдение следующих неравенств (рис. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . 43, в):

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.

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.

В бытовых водонагревателях (бойлерах) PISTON effect уникальная форсунка из нержавеющей стали создает поршневой эффект замедляет смешивание холодной и горячей воды внутри резервуара для воды. До 15% больше горячей воды, чем у аналогичных продуктов с обычной форсункой

Тоннель на французской сети высокоскоростных поездов TGV с навесом на входе для смягчения гула туннеля.

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. Сила этой волны пропорциональна кубу скорости поезда, поэтому эффект гораздо более выражен у более быстрых поездов.

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, 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, установку перфорированных стен на выходах из туннеля, и сверление вентиляционных отверстий в туннеле (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.

Пассажиры и экипаж могут испытывать дискомфорт в ушах, когда поезд входит в туннель из-за быстрых перепадов давления. [13]

Исследование, описанное в статье про эффект поршня , подчеркивает ее значимость в современном мире. Надеюсь, что теперь ты понял что такое эффект поршня и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Прикладная физика