피스톤 효과

Piston effect

피스톤 효과는 이동 차량에 의해 발생하는 터널이나 샤프트 내부의 강제 공기 흐름을 말한다.[1] 그것은 엔지니어들과 설계자들이 다양한 구조물을 개발할 때 고려해야 하는 수많은 현상들 중 하나이다.

원인

차량이 터널을 통과할 때 피스톤 효과를 보여주는 다이어그램.
일본 E5 시리즈 신칸센의 긴 코는 피스톤 효과에 대항하기 위해 고안되었다.[2]

야외에서 차량이 이동할 때 옆으로 밀린 공기는 지면을 제외한 어떤 방향으로도 이동할 수 있다. 터널 안에서는 공기가 터널 벽에 의해 제한되어 터널을 따라 이동한다. 움직이는 차량 뒤편에서는 공기가 밀려나면서 흡착이 생기고, 공기가 당겨져 터널로 유입된다. 또한 유체의 점성 때문에 차량의 표면은 공기를 끌어서 차량과 함께 흐르게 하는데, 이는 차량에 의해 피부가 끌리는 것과 같은 힘이다. 차량에 의한 이러한 공기의 움직임은 왕복식 컴프레서 가스 펌프 내부와 마찬가지로 기계식 피스톤의 작동과 유사하므로 '피스톤 효과'라는 명칭이다. 폐수가 앞에 공기를 밀어내면서 배수관 내부의 압력 변동과도 비슷한 효과다.

기차와 터널 사이의 간극은 종종 작다. 런던 지하철은 터널을 빠져나간다.

피스톤 효과는 철도 터널에서 매우 두드러지는데, 이는 열차의 단면적이 크고 많은 경우에 터널 단면을 거의 완전히 채우기 때문이다. 열차가 접근하고 있을 때 지하 철도 플랫폼(플랫폼 스크린 도어가 설치되지 않은)에서 승객이 느끼는 바람은 피스톤 효과로 인한 공기 흐름이다. 도로 차량 터널에서는 차량의 단면적이 터널의 전체 단면적에 비해 작기 때문에 효과가 덜 뚜렷하다. 단일 선로터널은 최대 효과를 보지만 철도차량과 터널 사이의 간격은 물론 열차 앞부분의 형태까지 영향을 미친다.[3]

피스톤 효과로 인한 공기 흐름은 터널 내부의 설비에 큰 힘을 발휘할 수 있으므로 이러한 설비는 세심하게 설계하고 적절히 설치해야 한다. 이 공기 흐름으로 인한 환기 팬의 멈춤을 방지하기 위해 역류 방지 댐퍼가 필요할 때도 있다.[3]

적용들

피스톤 효과는 건물 설계자가 엘리베이터 샤프트 내의 연기 이동과 관련하여 고려해야 한다.[4] 움직이는 엘리베이터 카는 그 앞의 공기를 축 밖으로 밀어내고 그 뒤의 축으로 공기를 끌어 들이는데, 그 효과는 하나의 축에 빠르게 움직이는 자동차가 있는 엘리베이터 시스템에서 가장 뚜렷하게 나타난다. 이것은 화재에서 움직이는 엘리베이터가 연기를 더 낮은 층으로 밀어넣을 수 있다는 것을 의미한다.[4]

피스톤 효과는 터널 환기에 사용된다. 철도 터널에서 기차는 앞쪽의 공기를 앞쪽의 가장 가까운 환풍구 쪽으로 밀어내고, 뒤쪽의 가장 가까운 환풍구에서 터널 안으로 공기를 빨아들인다. 피스톤 효과는 또한 도로 차량 터널에서의 환기를 도울 수 있다.

지하 고속 수송 시스템에서 피스톤 효과는 환기에 기여하며, 어떤 경우에는 기계적 환기가 불필요할 정도로 충분한 공기 이동을 제공한다. 선로가 여러 개 있는 넓은 역에서는 공기질이 그대로 유지되며 기계적 환기가 불가능할 때도 공기 질이 개선될 수 있다. 그러나 단일 터널이 있는 좁은 플랫폼에서는 환기를 위해 피스톤 효과에만 의존할 경우 공기질이 악화된다. 이것은 가능한 경우 기계적 환기보다는 피스톤 효과를 이용하여 잠재적 에너지 절감을 가능하게 한다.[5]

터널 붐

터널 붐을 완화하기 위한 입구 후드가 있는 프랑스 고속 TGV 네트워크의 터널.

터널 붐은 고속 열차가 터널에 진입할 때 때때로 발생하는 시끄러운 붐이다. 이러한 충격파는 인근 주민들을 교란시키고 열차와 인근 구조물을 손상시킬 수 있다. 사람들은 이 소리를 초음속 항공기의 소닉 붐과 유사하게 인지한다. 그러나, 소닉 붐과 달리 터널 붐은 소리의 속도를 초과하는 열차에 의해 야기되지 않는다. 대신 터널 붐은 열차 주변 공기가 사방으로 빠져나가는 것을 막는 터널 구조에서 비롯된다. 열차가 터널을 통과하면서 그 앞에 압축파가 생긴다. 이러한 파도는 터널 출구에 이르면 큰 굉음을 내는 충격파로 합쳐진다.[6][7] 이 파도의 강도는 열차 속도의 큐브에 비례하기 때문에 고속 열차로 그 효과가 훨씬 뚜렷하다.[7]

터널 붐은 터널 입구 인근 주민들을 방해할 수 있으며, 소리가 메아리치는 산골짜기에서 더욱 심해진다. 이러한 소요를 줄이는 것은 일본의 신칸센이나 프랑스의 TGV와 같은 고속 노선에 있어서 중대한 도전이다. 터널 붐은 산악 지형이 빈번한 터널을 필요로 하는 일본에서 열차 속도를 증가시키는 주된 제한이 되었다. 일본은 터널 출구 구역을 많이 포함하는 [8]주택가에서는 소음을 70dB로 제한하는 법을 제정했다.

터널 붐을 줄이는 방법으로는 열차의 프로파일을 고도로 공기역학적으로 만드는 것, 터널 입구에 후드를 추가하는 것,[9] 터널 출구에 구멍이 뚫린 벽 설치,[6] 터널에[7] 구멍을 뚫는 것(화기에 소음기를 장착하는 것과 유사하지만 훨씬 더 큰 규모로) 등이 있다.

귀 불편함

승객과 승무원은 기차가 급격한 압력 변화로 터널에 진입하면서 귀가 불편해질 수 있다.[10]

참고 항목

각주

  1. ^ "JR-East (East Japan Railway Company)". Archived from the original on February 17, 2012.
  2. ^ Hitachi Brasil Ltd. "Innovation and Advanced Technology - High Speed Train – Hitachi Brasil Ltda". www.slideshare.net. Slide 7.
  3. ^ a b Bonnett, Clifford F. (2005). Practical Railway Engineering. Imperial College Press. pp. 174–175. ISBN 978-1860945151. Retrieved 20 January 2016.
  4. ^ a b Klote, John H.; George Tamura (13 June 1986). "Elevator Piston Effect and the Smoke Problem" (PDF). Fire Safety Journal. 11 (2): 227–233. doi:10.1016/0379-7112(86)90065-2. Retrieved 20 January 2016.
  5. ^ Moreno, T.; Pérez, N.; Reche, C.; Martins, V.; de Miguel, E.; Capdevila, M.; Centelles, S.; Minguillón, M.C.; Amato, F.; Alastuey, A.; Querol, X.; Gibbons, W. (2014-04-24). "Subway platform air quality: Assessing the influences of tunnel ventilation, train piston effect and station design". Atmospheric Environment. 92 (August 2014): 461–468. Bibcode:2014AtmEn..92..461M. doi:10.1016/j.atmosenv.2014.04.043.
  6. ^ a b Takayama, K.; Sasoh, A.; Onodera, O.; Kaneko, R.; Matsui, Y. (1995-10-01). "Experimental investigation on tunnel sonic boom". Shock Waves. 5 (3): 127–138. Bibcode:1995ShWav...5..127T. doi:10.1007/BF01435520. S2CID 122885346.
  7. ^ a b c Auvity, B.; Bellenoue, M.; Kageyama, T. (February 2001). "Experimental study of the unsteady aerodynamic field outside a tunnel during a train entry". Experiments in Fluids. 30 (2): 221–228. Bibcode:2001ExFl...30..221A. doi:10.1007/s003480000159. S2CID 120337373.
  8. ^ "新幹線鉄道騒音に係る環境基準について（昭和50年環境庁告示） The Environmental Regulation of Shinkansen Noise Pollutions (1975, Environmental Agency) (Japanese)". Env.go.jp. Retrieved 1 October 2012.
  9. ^ Ishikawa, Satoshi; Nakade, Kazuhiro; Yaginuma, Ken-ichi; Watanabe, Yasuo; Masuda, Toru (2010). "Development of New Tunnel Entrance Hoods". JR East Technical Review. 16 (Spring): 56–59. Retrieved 2016-01-04.
  10. ^ Xie, Pengpeng; Peng, Yong; Wang, Tiantian; Zhang, Honghao (April 2019). "Risks of Ear Complaints of Passengers and Drivers While Trains Are Passing Through Tunnels at High Speed: A Numerical Simulation and Experimental Study". International Journal of Environmental Research and Public Health. 16 (7): 1283. doi:10.3390/ijerph16071283. ISSN 1661-7827. PMC 6480231. PMID 30974822.

참조

외부 링크