JP4183885B2

JP4183885B2 - トンネル系風環境予測シミュレータ

Info

Publication number: JP4183885B2
Application number: JP2000130424A
Authority: JP
Inventors: 宣治森井; 実原川; 健一小沼; 信幸三浦; 晴男草薙; 至森久; 正継千葉
Original assignee: Hitachi Engineering and Services Co Ltd; Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Engineering and Services Co Ltd; Hitachi Ltd
Priority date: 2000-04-28
Filing date: 2000-04-28
Publication date: 2008-11-19
Anticipated expiration: 2020-04-28
Also published as: JP2001311400A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、管路網としてモデル化される対象のうち、とくに地下鉄道、長大大深度トンネル、地下街等における風、圧力、炭酸ガス濃度等の環境を予測し、地下構造および送排風機などの設備容量設定に要する情報を提供するトンネル系風環境予測シミュレータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
地下鉄道、高速鉄道用の長大大深度トンネルにおいては、列車がひきおこす風の乗降客や構内構造物へ及ぼす影響が問題となる。この影響を予測するためのトンネル系環境予測シミュレータの従来技術としては、例えば特開平９―３１１６１７号公報に記載されたものがあり、トンネル系を管路網としてモデル化し、気流計算をもとにして、温熱環境、炭酸ガス濃度をシミュレーションしている。
【０００３】
管路網の流れをシミュレートするにあたり、重要な量として圧力損失係数がある。圧力損失係数は分岐、合流の２つの場合について諸研究機関により実測が行われ、配管接合角度、流量比、配管断面積比をパラメータとして整理され、各種便覧、ハンドブック、例えば技術資料「管路、ダクトの流体抵抗」日本機械学会１９８１等に公表されている。そして多くの流路網シミュレータにおける圧力損失係数の用いられ方は、以下の３通りのものがある。その第一は、一定値として代表値を用いる方法、第二は、実測値を内蔵し（データベース化）逐次参照する方法、第三は、近似式を用いる方法である。第三の方法は例えば「分岐合流における流れの静特性」、研究成果報告書、日本機械学会１９６８に記載されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
トンネル内の列車風はその向き、流量が列車運行スケジュールに従い時間変化する。そのためシミュレータの基本物理モデルである運動量保存式中の圧力損失係数の評価がシミュレーション結果に重大な影響を及ぼす。特開平９―３１１６１７号公報のシミュレータでは、圧力損失係数を上記第一の方法のように一定値として代表値を用いるが、トンネル内のように流れの方向および流量が時々刻々変化する非定常的な場合には極めて粗い近似であり、また値の選択の基準がない。第二の方法、即ち実測値をデータベース化してそれを状況に応じて検索して利用すれば精度は向上するが、圧力損失係数は前述のように分岐・合流点の配管接合角度、流量比、及び配管断面積比をパラメータとしたとき、これらパラメータにより変化する。従ってこれらのパラメータごとに圧力損失係数の実測値を対応させたデータベースになるが、パラメータの組み合わせ数は膨大なものが必要で、データベースのデータ量が膨大となり、その検索にも手間がかかる問題がある。また、第三の方法、即ち近似式を用いる方法では、上記パラメータの範囲に制限があり、従って適用範囲が制限されてしまう。
【０００５】
本発明の目的は、特に大きなデータベースを用いなくても、流量が時間的に変化するトンネル内の風速、圧力、換気量等を精度良くシミュレートできるトンネル系風環境シミュレータを得ることである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、トンネル系の風環境をノードとブランチから成る管路網でモデル化してトンネル系風環境における各部の風速を含む環境状態量を予測するトンネル系風環境予測シミュレータにおいて、
ブランチの分岐点及び合流点に接続された各ブランチの風速が満たす運動方程式の圧力損失項を算出するための圧力損失項処理手段と、この手段で用いるパラメータを記憶するためのパラメータ記憶手段と、この手段に必要とするパラメータを予め求めて格納するためのパラメータ算出設定手段とを設けると共に、
前記パラメータ算出手段は、ブランチ間の接続角、管路断面積比、及び流量比に依存する分岐または合流圧力損失係数を含む前記圧力損失項の各々を前記流量比には依存しない新係数を導入して新圧力損失項に変換したとき、その新係数を前記分岐または合流圧力損失係数の実測値から前記接続角及び管路断面積をパラメータとして求める新係数算出手段と、前記新係数をブランチが持つ２つの接続角を変数として二重フーリエ展開したときの前記管路断面積比にのみ依存するフーリエ係数を、前記新係数算出手段により算出した新係数とフーリエ展開により得たフーリエ係数とが一致するように定めて前記パラメータ記憶手段へ格納するためのフーリエ係数算出手段とから構成され、
前記圧力損失項処理手段は、前記パラメータ記憶手段に記憶されたフーリエ係数をそのときの管路断面積比に応じて読み出す読み出し手段と、この手段により読み出されたフーリエ係数と接続角を用いて前記新係数を算出する新係数算出手段と、この手段により算出された新係数を用いて前記新係数を導入して生成された新圧力損失項により分岐または合流圧力損失項を算出する圧力項算出手段から構成されて成ることを特徴とするトンネル系風環境予測シミュレータを開示する。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は、本発明になるトンネル系風環境シミュレータの構成例を示すブロック図である。
トンネル系風環境シミュレータ１０は、シミュレーション操作選択部１１、シミュレーション条件設定部１２、シミュレーション実行部１３、シミュレーション結果表示部１４、構造データ記憶部１５、計算結果記憶部１６、圧力損失項処理用内部パラメータ設定部１９、データ記憶部保守処理部１８、及び構造データ印刷表示処理部１７から構成されており、データを入力する入力装置１と、デイスプレイ、プリンタなどの出力装置２と、ハードデイスク、光磁気デイスクなどの記憶装置３とが接続されている。
【０００８】
シミュレーション操作選択部１１は、シミュレーション条件設定部１２とシミュレーション実行部１３とシミュレーション結果表示部１４をコントロールする。シミュレーション条件設定部１２は、各ブランチの種別、接続関係、ブランチの径、接続角度など構造を定義する構造モデル設定部１２１、列車発着時刻、発車時刻からの経過時間と列車速度の対応データを設定する列車ダイヤ、走行カーブ設定部１２２、送排風機性能曲線設定部１２３、送排風機風量条件設定部１２４からなる。このシミュレーション条件設定部１２は、入力ガイダンス、入力誤りの検出、未入力範囲のデイスプレイ出力などの図示しないデータ入力支援の機能を備え、簡略化と入力誤りの削減を図っており、また構造データ記憶部１５の中にある既存の構造データ追加、修正削除して新規データを作成する図示しないデータ編集機能を備えている。
【０００９】
構造モデル設定部１２１では、シミュレーション対象をモデル化し、そのモデルを表すデータを定義する。
図２は、地下鉄駅構造モデルの例で、トンネル系をトンネルの区分、通路、階段、送排風機を管路でモデル化したブランチとそれらの接続点あるいは外気開放点であるノードとで表現する。そして図２の○印は外気開放ノード、●印は接続ノード、これらをむすぶ線がホーム（Ｈ）、トンネル（Ｔ）、通路（ＰＳ）、階段（Ｓ）、出入り口（Ｅ）、排風機（ＥＦ）、ダクト（Ｄ）、換気塔（ＬＴ）の各種ブランチを示している。図２では調査対象駅が中央にあり、両端に隣接する地上駅があり、その間のトンネルから排風機ダクトと換気塔が分岐している。中央の駅のホーム（Ｈ）、トンネル（Ｔ）の気流流路は通路（ＰＳ）、階段（Ｓ）を介して地上につながっている。このようなモデルを定義するために、オペレータは画面上に表示された格子上にノードを配置し、これをドラックすることによりブランチおよび終点ノードを定義し、また同時に各ブランチ、ノードを入力順に仮付番して接続関係を定義する。各ブランチ、ノードの属性（ブランチの長さ、直径等）は画面上でそれらを指定すると必要な入力項目を表形式で表示する。属性未入力のブランチ、ノードは入力済のものと色別表示する。これによりデータ入力の漏れを防止する。またブランチ内流れの正方向、負方向は所定のルールおよび接続関係をたどることによって定義する。ここでいうルールとは例えばトンネル、ホームにおいては下り方向をプラスとする、階段、通路ではトンネル、ホームから地上に向かってプラスとする等である。これにより風速値の正負の符号で風向きが即座に判断できる。先に仮付番したブランチ、ノードはブランチ方向決めの後、再び番号付けする。近接するブランチ、ノードには近接する番号がつけられる。
【００１０】
送排風機性能曲線設定部１２３は、送排風機の圧力損失―風量曲線を設定する。データ記憶部保守処理部１８では、常用記憶装置にあるデータの中の不要データの削除、データファイル名の付け替え、大容量記憶装置への待避などをオペレータの指示により行う。ここで記憶装置３は、作業時に常用するハードデイスクと、大容量記憶装置としての光磁気デイスクから成っているとする。
【００１１】
シミュレーション実行部１３は、静的処理部としての初期定常状態処理部１３１と、動的処理部としての列車位置、速度、加速度を計算する列車走行状態処理部１３２、風速状態処理部１３３、圧力状態処理部１３４、換気状態処理部１３５、風速状態処理部１３３の従属部である圧力損失項処理部１３７、およびここで参照される内部パラメータ記憶部１３６から構成されている。
シミュレーション結果表示部１４では、計算結果記憶部１６から当該ケースの計算結果を読み取り、各々風速状態表示部１４１と圧力状態表示部１４２において最大風速、圧力分布図、指定時刻の風速、圧力分布図、および指定場所の風速、圧力時間変化グラフ（列車ダイヤをあわせて表示）等を選択により画面およびプリンタに出力する。風速状態表示部１４１の風速分布図は風速値がモデル図上に示されるが、ブランチ方向を前述のルールにしたがって定めているので風向も即座にわかる。最大風速、圧力の分布図により規制値を越える風速の発生の有無、またその場所が特定でき、列車ダイヤを合わせて表示した風速、圧力の時間グラフによりどのような状況において異常風速、風圧が発生したかが把握できる。これらは駅構造および列車の走行パターンの検討に有用である。換気状態表示部１４３では、列車走行または送排風機による機械換気によってシミュレーション開始時刻以後、系に流入した新鮮外気の濃度変化を表示する。これにより例えば列車走行による換気効果がみてとれ、送排風機の負荷低減策検討に有用である。
【００１２】
図３はシミュレーション実行部１３の処理フローである。まず、初期定常状態処理部１３１により、トンネル系に列車が存在しない条件のもとで、送風機が所定の風量となるように系全体の初期定常時の風量および圧力分布を求める（ステップ３０１）。この後の動的処理部では、時間ステップごとの繰り返し処理に移り、まずシミュレーションの時間ステップを１つ進め（ステップ３０２）、列車走行状態処理部１３２で列車ダイヤ、走行カーブ設定部１２２で入力したデータを参照して、各トンネル、ホームブランチにおいて上下列車の存在判定、位置、走行速度、加速度を計算する（ステップ３０３）。
【００１３】
次に分岐合流点での圧力損失項の計算を行う（ステップ３０４）。この圧力損失項の求め方が本発明の特徴とする部分で、その詳細は後述するが、概略的には３ブランチが接続するノードについて接続する管路の風量および風向によりこのノードが分岐点であるか合流点であるかを判定し、その判定結果に応じた圧力損失項を圧力損失項処理部１３７で計算する。この圧力損失項計算に用いる内部パラメータは、圧力損失項処理用内部パラメータ設定部１９で事前に計算され、内部パラメータ記憶部１３６に内蔵しているものを用いる。
【００１４】
次に、風速状態処理部１３３では、圧力損失項を含む気流の運動方程式の積分により、各ブランチの風量を計算する（ステップ３０５）。列車が存在するトンネル、ホームブランチでの気流運動方程式は、例えば「ながれ」第１２巻第４号（平成５年１２月３０日、日本流体学会）の理論を適用する。圧力状態処理部１３４では、連続条件（質量保存則）と運動方程式により各ノードでの圧力に関する連立一次方程式を組み立て、これを解く（ステップ３０６）。
【００１５】
換気状態処理部１３５では、初期時刻において系内にあった空気の濃度を追跡する換気計算を、当該時点での風量を用い、次の移流方程式に基づき行う（ステップ３０７）。
【数１】

ここでＣは初期時刻において地下駅系を占めていた空気の濃度、Ｑは風量を示し、右辺第一項は領域Ω（体積も同一の記号で表わす）への流入流量、右辺第二項は領域Ωからの流出流量を示す。なお領域Ωとは近接する複数個のブランチをまとめたものである。境界条件は外気においてＣ＝０（％）、初期条件はＣ＝１００（％）である。１００−Ｃ（％）は初期時刻以後に領域Ωに流入した新鮮外気の割合を示す。
【００１６】
以上により１時点の計算が終了し、次の時点の計算に移り、最終時間ステップまで以上の処理を繰り返す（ステップ３０８）。最終時間ステップの計算終了後にその結果を計算結果記憶部１６に格納する。なお、以上の図３の処理で、ステップ３０４以外は全て従来技術と同様であり、それらの詳細説明は省略する。
【００１７】
以下では、本発明の特徴とする図１の圧力損失項処理用内部パラメータ設定部１９の処理内容を詳しく述べる。まず、運動方程式中の圧力損失項を新しく係数（分岐、合流損失係数と仮称する）を導入してその関数形を決定し、その中の未知パラメータを圧力損失係数の実験値から決定する処理を行う。図４は、分岐及び合流点における分岐圧力損失係数ζ₁₂、ζ₁₃を、合流圧力損失係数ζ₂₁、ζ₃₁の説明図で、図中の矢印は気流の方向を、Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３はブランチを、Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３、Ｎｎはノードである。これら分岐圧力損失係数ζ₁₂、ζ₁₃及び合流圧力損失係数ζ₂₁、ζ₃₁は、以下に示すベルヌイの式である（数２）〜（数５）によって定義される。
【数２】

【数３】

【数４】

【数５】

ここで、Ｄは管路径、Ｌは管路長、ρは密度、λは壁面摩擦抵抗係数、Ｖはブランチ内の平均風速をそれぞれ示し、添字は図４のブランチ番号に対応した量であることを示している。
【００１８】
次に、１つのブランチに対する運動方程式（運動量保存式）は、圧力損失係数が通常当該ブランチの風速の二乗の項に乗ずる係数となっており、次のようにかける。
【数６】

前記のように、圧力損失係数ζはブランチ間の接続角度、管路断面積比、流量比の関数であるが、内部パラメータ設定部１９では、流量比に関する依存性を分離するため新係数を導入し、さらにその新係数の接続角度と管路断面積比に関する依存性を分離する。このことを分岐の場合を例にとって説明すると、（数６）の係数ζを含む圧力損失項を、下流側ブランチＢ２、Ｂ３に対して、これと共通の分岐点に接続されている他の管路の風速の二乗項と新たに導入する係数ζ_d21、ζ_d22、ζ_d23、ζ_d31、ζ_d32、ζ_d33で下記の式のように展開する。但しブランチＢ１に対してはζ＝０である。
【数７】

【数８】

【数９】

新たに導入した係数ζ_d21、ζ_d22、ζ_d23とζ₁₂、およびζ_d31、ζ_d32、ζ_d33とζ₁₃とを結びつける関係式は、（数７）〜（数９）の運動方程式で左辺を０とした定常状態の式と（数２）〜（数５）のベルヌイ式から圧力項Ｐ₁、Ｐ₂、Ｐ₃、Ｐ_nを消去することにより得られ、分岐圧力損失係数ζ₁₂、ζ₁₃はそれぞれ流量比の二次式で表される。この二次式を係数二次式と呼ぶことにすると、この係数二次式の係数は、ブランチの断面積比と新しく、ζ_d21、ζ_d22、ζ_d23、ζ_d31、ζ_d32、ζ_d33の関数で表され、流量比には依存しない。
【００１９】
内部パラメータ設定部１９では、まず上記新しく導入した係数ζ_djk（ｊ＝２、３、ｋ＝１〜３）を係数ζ₁₂、ζ₁₃の実測値から決定する。分岐圧力損失係数ζ₁₂、ζ₁₃の値は、前述のように多くの実測値が得られているので、ブランチの接続角及び断面積比をパラメータとし、係数ζ₁₂、ζ₁₃を流量比の関数と見なし、その関数を流量比の二次式で近似して近似二次式を求める。そしてその近似二次式の係数と、前記係数二次式とを比較し、それらの係数を等置することにより新しく導入した係数ζ_djkをブランチの断面積比及び接続角ごとに求める。
【００２０】
以上のようにして、分岐圧力損失係数として新しく導入した係数ζ_djkを用い、（数７）〜（数９）の運動方程式を解くことにすれば、係数ζ_djkはブランチの接続角と断面積比にのみ依存し、流量には依存しないので、データベースとして圧力損失係数を用意する場合に、圧力損失係数ζ₁₂、ζ₁₃そのものを用意する場合よりも大幅にデータ量を減らすことができる。しかしそれでもまだ２つのパラメータ、即ち接続角と断面積比があるので、これらへの依存性をさらに分離するのが望ましい。
【００２１】
この係数ζ_djkの断面積比と接続角に関する依存性を分離するために、これらの係数をそれぞれ接続角についてフーリエ係数に展開する。今、ブランチＢ１とＢ２のなす角度と断面積比をθ₂とｍ₂、ブランチＢ１とＢ３のなす角度と断面積比をθ₃とｍ₃とすると、上記フーリエ係数は二重フーリエ展開により求められる。
【数１０】

ここで添字μ₁、ν₁、μ₂、ν₂はそれぞれ０、１、２…の値をとる加算Σのパラメータである。実際にはこれらのパラメータの値を０〜Ｍの範囲にとって近似することになる。そこで内部パラメータ設定部１９では、先にζ₁₂、ζ₁₃の実測値から求められた各係数ζ_djkと（数１０）の値（パラメータμ₁、ν₁、μ₂、ν₂の各値を０〜Ｍ以内にとって加算した値）との差の絶対値が最小となるようにフーリエ係数ｆα（ｍ₂、ｍ₃）を定める。但しｆαは（数１０）のｆｓ_jkμ¹ν¹，ｓ＝１〜４を略記したものである。このフーリエ係数ｆα（ｍ₂、ｍ₃）は勿論、断面積比ｍ₂、ｍ₃と加算パラメータαのみに依存し、接続角θ₂、θ₃には依存しない。そしてこのフーリエ係数を、図１の内部パラメータ記憶部１３６に予め求めて格納しておく。
【００２２】
以上は分岐の場合について述べたが、合流の場合は下流に位置するブランチＢ１に対してζ_c11、ζ_c12、ζ_c13を導入し分岐の場合と同様の処理を適用すればよい。そしてシミュレーション実行時には、このパラメータｆα（ｍ₂、ｍ₃）を読み出し、（数１０）によって係数ζ_djkを算出し、これを用いて（数７）〜（数９）及びこれに対応する合流の時の運動方程式を図３のステップ３０５で解くようにする。このようにすると、損失係数を求めるのに必要とするデータベースには、先述のフーリエ係数ｆα（ｍ₂、ｍ₃）のみを予め内部パラメータ設定部１９により求めて格納しておけばよい。そして損失係数ζ１２等が依存するパラメータである流量比、ブランチ角度、断面積比の内、断面積比のみにフーリエ係数が依存するので、データベースに用意するデータ数を大幅に減らすことができる。
【表１】

【００２３】
例えば、前記した技術資料「管路、ダクトの流体抵抗」に記載された８０本弱の曲線を処理して（表１）に示した３９個の係数を算出した。但し表１では、同一覧に記載された２つの係数、例えばζ_d21，ζ_d31は同じ値である。これら３９の係数を用いて戻し計算をすると、実測値との誤差は ±１０％未満であった。そこで、断面積比ｍ₂，ｍ₃と接続角度θ₂，θ₃を指定した流量比ー損失係数曲線を二次曲線で近似するものとすると、１曲線を得るのに３点、６個のデータを必要とする。従って、３９個の係数からは７曲線が得られる。従って、データ圧縮効果は、直接損失係数を数値化する場合に比べて少なくとも１０％未満となる。さらに、既存の損失係数曲線を数値化した場合には、（ｍ₂，ｍ₃，θ₂，θ₃）の組み合わせがない場合は内挿、外挿等の処理を必要とするが、本法では不要であり、この点でも有利である。
【００２４】
【発明の効果】
本発明によれば、データ量の少ないデータベースを用意するだけで実測値に適合した圧力損失係数が得られ、トンネル系風環境のシミュレーションを精度よく、容易に行える効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明になるトンネル系風環境シミュレータの構成例を示すブロック図である。
【図２】地下鉄駅モデルの一例である。
【図３】シミュレーション実行部の動作フローである。
【図４】分岐合流と分岐合流圧力損失係数の説明図である。
【符号の説明】
１０トンネル系風環境シミュレータ
１１シミュレーション操作選択部
１２シミュレーション条件設定部
１３シミュレーション実行部
１４シミュレーション結果表示部
１９圧力損失項処理用内部パラメータ設定部
１３３風速状態処理部
１３６内部パラメータ記憶部
１３７圧力損失項処理部

Claims

トンネル系の風環境をノードとブランチから成る管路網でモデル化してトンネル系風環境における各部の風速を含む環境状態量を予測するトンネル系風環境予測シミュレータにおいて、
ブランチの分岐点及び合流点に接続された各ブランチの風速が満たす運動方程式の圧力損失項を算出するための圧力損失項処理手段と、この手段で用いるパラメータを記憶するためのパラメータ記憶手段と、この手段に必要とするパラメータを予め求めて格納するためのパラメータ算出設定手段とを設けると共に、
前記パラメータ算出手段は、ブランチ間の接続角、管路断面積比、及び流量比に依存する分岐または合流圧力損失係数を含む前記圧力損失項の各々を前記流量比には依存しない新係数を導入して新圧力損失項に変換したとき、その新係数を前記分岐または合流圧力損失係数の実測値から前記接続角及び管路断面積をパラメータとして求める新係数算出手段と、前記新係数をブランチが持つ２つの接続角を変数として二重フーリエ展開したときの前記管路断面積比にのみ依存するフーリエ係数を、前記新係数算出手段により算出した新係数とフーリエ展開により得たフーリエ係数とが一致するように定めて前記パラメータ記憶手段へ格納するためのフーリエ係数算出手段とから構成され、
前記圧力損失項処理手段は、前記パラメータ記憶手段に記憶されたフーリエ係数をそのときの管路断面積比に応じて読み出す読み出し手段と、この手段により読み出されたフーリエ係数と接続角を用いて前記新係数を算出する新係数算出手段と、この手段により算出された新係数を用いて前記新係数を導入して生成された新圧力損失項により分岐または合流圧力損失項を算出する圧力項算出手段から構成されて成ることを特徴とするトンネル系風環境予測シミュレータ。