CFD ONDERZOEK NAAR WINDCOMFORT OP ONDERGRONDSE TREINSTATIONS

Transcriptie

1 BOUWFYSICA CFD ONDERZOEK NAAR WINDCOMFORT OP ONDERGRONDSE TREINSTATIONS ir. J.B. (Jochem) Straathof, Peutz b.v., Zoetermeer prof. dr. ir. B.J.E. (Bert) Blocken Wanneer een trein een tunnel passeert kunnen er hoge windsnelheden worden waargenomen in de tunnel. Door middel van CFD (Computational Fluid Dynamics) simulaties zijn in deze studie de luchtstromen in kaart gebracht die ontstaan wanneer een trein met hoge snelheid door een tunnel rijdt. CFD-simulaties zijn uitgevoerd voor twee veel voorkomende treintypen op de Nederlandse spoorwegen. De simulaties zijn gevalideerd met behulp van experimentele data verkregen van de Universiteit van Birmingham. In het navolgende artikel wordt dieper ingegaan op het zogeheten piston effect in tunnels, het valideren van de CFD-modellen en de uiteindelijke resultaten in een case study, representatief voor een ondergronds treinstation in Nederland. Het artikel komt voort uit een afstudeerproject [1] aan de Technische Universiteit Eindhoven, faculteit Bouwkunde, unit Building Physics & Services in samenwerking met Deerns Nederland. ir. W.D. (Wendy) Janssen ir. A.A. (Adelya) Khayrullina, TU Eindhoven, leerstoelgroep Urban Physics and Building Physics INTRODUCTIE Nederland heeft een van s werelds drukste spoorwegnetwerken. Voor intercity treinen, welke alleen stoppen op de grotere stations, is het op veel trajecten in Nederland toegestaan om een tussenliggend perron te passeren met een snelheid van 140 km/u. Voor goederentreinen ligt deze maximum snelheid tot op heden nog op 80 km/u. Echter, Prorail heeft de ambitie om het aantal intercity treinen tussen de grote steden in Nederland te verhogen van 4 naar 6 per uur. Om de eventueel gepaarde opstoppingen op het spoorwegnetwerk te voorkomen wordt de mogelijkheid onderzocht om de maximum snelheid van goederentreinen te verhogen naar 100 km/u. Dit brengt consequenties met zich mee ten aanzien van het windcomfort op de perrons van tussenliggende ondergrondse stations. HET PISTON EFFECT Een voortbewegende trein zorgt voor verplaatsing en vervorming van het omliggende luchtvolume. Voor de trein wordt lucht samengedrukt, waardoor de luchtdruk toeneemt. De lucht voor de trein wordt hierdoor alle richtingen op geduwd (compressiegolf). Achter de trein ontstaat een onderdrukzone die omliggende lucht naar de trein toe zuigt (expansiegolf). Wanneer een trein zich voortbeweegt in de open lucht, worden deze over- en onderdrukzone direct vereffend door de omliggende lucht (figuur 1a). Zodoende zijn de windvlagen die gevoeld worden bij het passeren van een trein in de open lucht kort en niet krachtig. Wanneer een trein zich voortbeweegt door een tunnel kunnen de expansiegolf en de compressiegolf niet eenvoudig worden vereffend door de omliggende lucht. In dr. ir. P.J.W. (Peter) van den Engel ir. M.E. (Marten) Valk, Deerns 1a Ontwikkeling van wind voor en achter een trein in de open lucht 1b Ontwikkeling van wind voor en achter een trein in een tunnel _BF01.indb :06

2 STEDENBOUWFYSICA BOUWFYSICA a Meetposities in de open lucht 2b Gemeten windsnelheden op de meetposities in de open lucht 3a Meetposities in de tunnel 3b Gemeten windsnelheden op de meetposities in de tunnel deze situatie wordt de lucht gedwongen in een bepaalde richting the stromen (figuur 1b). De windvlagen veroorzaakt door een passerende trein in een tunnel zijn hierdoor een stuk langer en krachtiger. Dit fenomeen wordt het piston effect genoemd. Als gevolg hiervan zou een wachtend persoon op een ondergronds perron hinder kunnen ondervinden van deze windvlagen. opstellingen uitgevoerd; één zonder tunnel en één met een 8 m lange tunnel halverwege het spoor. In beide situaties is de windsnelheid gemeten op drie posities naast het spoor. Figuur 2 geeft de gemeten windsnelheden op drie posities naast het spoor in de situatie zonder tunnel en figuur 3 geeft de gemeten windsnelheden op drie posities ongeveer halverwege de tunnel. De drie factoren die het meest van invloed zijn op het piston effect [2] zijn: De blokkeringsratio; de verhouding van de oppervlakte van de dwarsdoorsnede van de trein ten opzichte van de oppervlakte van de dwarsdoorsnede van de tunnel waar deze doorheen rijdt. De vorm van de neus en achterkant van de trein. Bij meer aerodynamisch vormgegeven treinen kan de lucht makkelijker langs de trein stromen. De snelheid van de trein. De windsnelheid welke voelbaar is bij het passeren van een trein is recht evenredig met snelheid van de trein. Zoals te zien is in de resultaten is het piston effect duidelijk zichtbaar. In het experiment zonder tunnel zijn de hoogste windsnelheden waarneembaar in de periode waarop de trein de meetpunten passeert, terwijl de hoogste windsnelheden in het experiment met tunnel waarneembaar zijn voor- en nadat de trein is gepasseerd. De rood en blauw gearceerde gebieden geven de expansiegolf en compressiegolf weer. Opmerkelijk is ook dat de gemeten windsnelheden in de tunnel niet afnemen naarmate de afstand ten opzichte van het spoor toeneemt. Deze experimentele data is gebruikt bij het valideren van de CFD-simulaties en de bijbehorende instellingen. In een experimentele studie is het optreden van het piston effect aangetoond [3]. In deze studie is gebruik gemaakt van een schaalmodel van een Duitse ICE-2 trein, die met een snelheid van 32 m/s over een 150 m lang spoor wordt gekatapulteerd. Dit experiment is in twee VALIDATIESTUDIE EN NIEUWE INZICHTEN Om er zeker van te zijn dat de resultaten welke voortkomen uit de CFD-simulaties in de case study betrouwbaar zijn, is een validatiestudie uitgevoerd met behulp van de experimentele data uit het hiervoor genoemde experiment [3] _BF01.indb :06

3 BOUWFYSICA 4 Vergelijking van experimentele data met CFD resultaten Op basis van de best practice guidelines [4, 5 en 6] is een CFD-model gemaakt waarbij gebruik is gemaakt van de sliding mesh -methode om de trein te laten voortbewegen door de tunnel. Simulaties zijn uitgevoerd middels RANS (Reynolds Averaged Navier-Stokes) in combinatie met het k-ε turbulentie-model. Verdere onderbouwing van de gebruikte numerieke instellingen en uitleg over de sliding mesh -methode zijn terug te vinden in de afstudeerscriptie [1]. Om rekentijd te reduceren is gebruik gemaakt van de Non-Iterative Time Avancement - methode voor transiënte simulaties. Figuur 4 geeft een vergelijking van de gemeten windsnelheden in het experiment (zwarte lijn) en de windsnelheid voortkomend uit de CFD-simulatie (rode lijn) op een meetpunt links van het spoor, halverwege de tunnel. In de periode waarin de trein het meetpunt passeert (0 tot en met 3,3 sec) worden de windsnelheden onderschat in de CFD-simulatie. Echter, de pieken van de expansiegolf en de compressiegolf tonen goede overeenstemming. Aangezien de windsnelheden veroorzaakt door deze twee golven maatgevend zijn bij het bepalen van het windcomfort op een perron is besloten de gebruikte numerieke instellingen ook toe te passen in de case study. Een voordeel van CFD is dat de luchtstromingen van een heel gebied in kaart kunnen worden gebracht, waardoor onder andere de verschijning van het piston effect visueel gemaakt kan worden. Bij het uitvoeren van de simulaties werd duidelijk dat de hoogste windsnelheden in een tunnel niet optreden in het midden van de tunnel, maar bij de ingang. Zodra de neus van de trein de tunnel in rijdt kan de verhoging van de luchtdruk voor de trein gedeeltelijk worden vereffend door het gebied voor de tunnel. Dit zorgt voor een luchtstroming aan weerszijden in tegengestelde richting van de bewegingsrichting van de trein, met piek windsnelheden tot 35% van de snelheid van de trein. Figuur 5 toont een horizontale doorsnede, voorzien van een contourplot met de windsnelheid, op het moment dat de neus van de trein de ingang van de tunnel passeert. De trein beweegt zich voort van links naar rechts, terwijl de lucht zich in tegengestelde richting voortbeweegt. 5 Horizontale doorsnede inclusief contourplots van de windsnelheid bij de ingang van de tunnel 6 Verticale doorsnede inclusief contourplots van de windsnelheid bij de uitgang van de tunnel Figuur 6 toont een verticale doorsnede, voorzien van een contourplot met de windsnelheid, op het moment dat de achterkant van de trein de tunnel verlaat. In deze figuur is een duidelijke golvende beweging waarneembaar in de expansiegolf. De golvende beweging wordt veroorzaakt door de aerodynamische vormgeving van de trein, welke er voor zorgt dat de lagere luchtdruk achter de trein grotendeels vereffend kan worden door het gebied boven de trein. CASE STUDY Op basis van de eerder beschreven drie factoren die van invloed zijn op het piston effect is besloten twee simulaties uit te voeren van treinen die naar verwachting de grootste windvlagen op een perron zullen genereren; één simulatie met een VIRM intercity trein, rijdend met een snelheid van 140 km/u en één simulatie met een TRAXX 2803 goederentrein rijdend met een snelheid van 100 km/u. De VIRM intercity trein heeft de grootste blokkeringsratio van alle intercity treinen in Nederland en de TRAXX 2803 goederentrein heeft de minst aerodynamische vormgeving. De NEN 8100 (2006a) [7] geeft grenswaarden voor winddiscomfort en windgevaar. Voor toetsing aan deze grens _BF01.indb :06

4 STEDENBOUWFYSICA BOUWFYSICA Ontwikkeling van de windsnelheid achter de treinen, weergegeven aan de hand van stroombanen waarden dient de uurgemiddelde windsnelheid uit metingen in beschouwing te worden genomen. Ten aanzien van windvlagen bestaan er tot op heden geen wettenlijke toetsingscriteria. Derhalve is besloten deze waarden niet aan te houden in deze studie. Onderzoek toont aan dat 70% van de getoetste personen zijn balans verliest bij windvlagen met een snelheid van 12 m/s [8] en bij wind met een snelheid van 5 m/s is het moeilijk voor een persoon om een krant te lezen [9]. Zodoende zijn de volgende criteria aangehouden voor het bepalen van het windklimaat op een perron: 0-5 m/s = windcomfort 5-12 m/s = winddiscomfort > 12 m/s = windgevaar Voor de case study is een fictief treinstation gemodelleerd, waarbij de gekozen tunneldimensies gelijkend zijn aan de tunnels die momenteel worden geconstrueerd bij station Delft Centraal. De tunnel heeft een totale lengte van 250 m en is in het midden aan één zijde voorzien van een perron met een lengte van 150 m. De afmetingen van het perron voldoen aan de eisen voor Nederlandse perrons [10]. Hierin staat dat een perron wordt onderverdeeld in vier zones; een veiligheidszone, een loopzone, een sta-/ wachtzone en een circulatiezone. Iedere zone heeft een minimale breedte en tezamen dient de breedte van een perron minimaal 3,4 meter te zijn. Dit houdt in dat het is toegestaan voor mensen om 0,8 m van de rand van een perron te lopen op het moment dat er een trein passeert met een snelheid van 140 km/u. Twee CFD-simulaties zijn uitgevoerd; één simulatie met een 106 m lange VIRM intercity trein, rijdend met een snelheid van 140 km/u (38,9 m/s) en één simulatie met een TRAXX locomotief inclusief 6 goederenwagons, met een totale lengte van 102 m en een snelheid van 100 km/u (2,8 m/s). In beide simulaties is gebruik gemaakt van hetzelfde tunnelmodel. De gevalideerde instellingen uit de validatiestudie zijn toegepast in deze studie. Figuren 7 toont de ontwikkeling van de wervels in de expansiegolf achter de treinen in drie fasen; 1) voordat de trein de tunnel in rijdt, 2) het moment dat achterkant van de trein in het eerste deel van de tunnel is en 3) het moment waarop de achterkant van de trein het begin van het perron passeert (de meest kritische positie ten aanzien van de wind op het onderzochte perron). De figuren tonen horizontale doorsneden. De stroombanen geven de ontwikkeling van de wervels achter beide treinen inclusief de windsnelheid. In de figuur is te zien dat de wervels achter de treinen verschillen in vorm. Achter de goederentrein zijn twee staande wervels zichtbaar. Door de meer gestroomlijnde vormgeving van de intercity trein klappen deze staande wervels om en ontstaan spiraalvormige liggende wervels. Wanneer positie 2 wordt vergeleken met positie 1 dan valt op te maken dat de expansiegolf in intensiteit toeneemt zodra de treinen zich in de tunnel begeven. De meest opmerkelijke observatie is dat de liggende wervels, zoals deze voorkomen achter de intercity trein, gevoeliger zijn voor verschillen in de luchtdruk dan de staande wervels achter de goederentrein. Dit resulteert in een korte windvlaag met een hoge intensiteit aan de voorzijde van het perron, zodra de intercity trein passeert (positie 3). Deze windvlaag is niet waarneembaar op het perron bij het passeren van de goederentrein. Figuur 8b geeft een vergelijking van de windsnelheden op het meetpunt weergegeven in figuur 8a. Het punt is gepositioneerd in het midden van de loopzone aan de voorzijde van het perron. Zoals uit figuur 8b valt op te merken, zijn er windsnelheden hoger dan 12 m/s waarneembaar in de periode dat de intercity trein passeert. De goederentrein rijdt met een lagere snelheid, waardoor de piek windsnelheid veroorzaakt door de expansiegolf achter deze trein pas 8 s na het starten van de simulatie waarneembaar is, terwijl de piek in de simulatie met de intercity trein reeds na 5,5 s waarneembaar is. De compressiegolf (tussen 0 en 2,5 s) zorgt in beide situaties voor beduidend lagere windsnelheden op het perron _BF01.indb :06

5 BOUWFYSICA 8a Meetpositie op het perron 8b Windsnelheden op de meetpositie voortkomend uit de CFD-simulaties CONCLUSIES Verschillende aannames zijn gedaan bij het bepalen van de criteria voor winddiscomfort en windgevaar. Mede daarom dienen de resultaten met voorzichtigheid te worden benaderd. Ondanks de gesimplificeerde treintunnel die gebruikt is in de case study, welke in werkelijkheid niet met deze afmetingen geconstrueerd zal worden, kunnen de volgende conclusies worden getrokken uit de resultaten in deze studie: Een intercity trein, zoals gemodelleerd in deze studie, genereert twee spiraalvormige liggende wervels achter de trein. Door verschillen in de luchtdruk achter en naast de trein slaan deze wervels uit over het perron zodra de achterkant van de trein het perron bereikt. Dit resulteert in een korte windvlaag op het perron waarbij voor een korte periode windgevaar wordt waargenomen. Een goederentrein, zoals gemodelleerd in deze studie, genereert twee staande wervels achter de laatste container van de trein. Ondanks de verschillen in luchtdruk achter en naast de trein bij het passeren van het ondergrondse perron blijven deze wervels achter de trein en is er geen uitslaande golf over het perron zichtbaar, zoals bij de intercity trein. Dit zorgt ervoor dat er geen windgevaar op het gemodelleerde perron wordt waargenomen bij het passeren van de goederentrein. n BRONNEN E [1] Straathof J., Wind comfort at underground railroad platforms, Afstudeerrapport, Technische Universiteit Eindhoven, 2013 E [2] Baron A., Mossi M., Sibilla S., The alleviation of the aerodynamic drag and wave effects of high-speed trains in very long tunnels, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 89, 2001; E [3] Gilbert T., Baker C., Quinn A., Sterling M., Aerodynamics of high-speed trains in confined spaces, The Seventh International Colloquium on Bluff Body Aerodynamics and Applications 7, 2012, Shanghai, China E [4] Franke J., Hellsten A., Schlünzen H., Carissimo B., Best practice guideline for the CFD simulation of flows in the urban environment, COST Quality Assurance and Improvement of Microscale Meteorological Models, 2007 E [5] Tominaga Y., Mochida A., Yoshie R., Kataoka H., Nozu T., Yoshikawa M., Shirasawa T., AIJ guidelines for practical applications of CFD to pedestrian wind environment around buildings, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 96, 2008, E [6] Blocken B., Gualtieri C., Ten iterative steps for model development and evaluation applied to computational fluid dynamics for environmental fluid mechanics, Environmental Modeling & Software 33, 2012, 1 22 E [7] Nederlandse Norm NEN 8100, Windhinder en windgevaar in de gebouwde omgeving, februari 2006 E [8] Jordan S., Johnson T., Sterling M., Baker C., Evaluating and modeling the response of an individual to a sudden change in wind speed, Building and Environment 43, 2008, E [9] Bottema M., Wind climate and urban geometry, Proefschrift, Technische Universiteit Eindhoven, 1993, ISBN E [10] Prorail OVS00067, Ontwerpvoorschrift Perrons Prorail, _BF01.indb :06