[論文レビュー] Heat Transfer in Underground Rail Tunnels

Stefan Sadokierski, Jean‐Luc Thiffeault|ArXiv.org|Sep 12, 2007

Aerodynamics and Fluid Dynamics Research参考文献 14被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、トンネル内の空気と周囲の土壌間の非定常熱伝達を考慮した、地下鉄トンネルのカップルド熱モデルを構築した。乱流の流れのプロファイルと径方向の熱伝導を組み込んだ本モデルは、列車の通過に起因する熱伝達係数の変動が、有効な追加熱源として機能し、平均土壌温度を上昇させ、定常状態の仮定を無効にすることを示した。主な結果として、1日および1年周期のサイクルにおいて顕著な位相差と熱容量効果が観察された。

ABSTRACT

The transfer of heat between the air and surrounding soil in underground tunnels ins investigated, as part of the analysis of environmental conditions in underground rail systems. Using standard turbulent modelling assumptions, flow profiles are obtained in both open tunnels and in the annulus between a tunnel wall and a moving train, from which the heat transfer coefficient between the air and tunnel wall is computed. The radial conduction of heat through the surrounding soil resulting from changes in the temperature of air in the tunnel are determined. An impulse change and an oscillating tunnel air temperature are considered separately. The correlations between fluctuations in heat transfer coefficient and air temperature are found to increase the mean soil temperature. Finally, a model for the coupled evolution of the air and surrounding soil temperature along a tunnel of finite length is given.

研究の動機と目的

• 地下鉄トンネル内の温度変化を予測する定常状態モデルの限界を是正すること、特に実システムで観察される位相差を解明すること。
• トンネル内の空気と周囲の土壌のカップルド熱的ダイナミクスをモデル化し、土壌の熱容量および熱伝導度を考慮すること。
• 列車の通過に起因する短時間スケールの熱伝達係数の変動が、長期的な土壌温度プロファイルに与える影響を定量化すること。
• 「ナイトフラッシング」および季節変動の影響を捉えた動的モデルを構築し、ピークトンネル温度に与える影響を明らかにすること。
• 流体力学と非定常熱伝導を統合することで、地下鉄システムにおける熱管理の予測精度を向上させること。

提案手法

• 標準的な乱流流れの仮定と摩擦速度の式を用いて、開放トンネルおよび列車-トンネルアニュラス内の乱流の流れのプロファイルを導出する。
• 壁面せん断応力と空気速度に基づき、ニュートンの冷却則に従って、トンネル壁面および列車表面における熱伝達係数（ht および hv）を計算する。
• 内半径で時間依存境界条件を有する、円筒座標系における径方向熱伝導方程式を解く。
• 熱拡散率および熱伝導度パラメータを用いて、インパulseおよび周期的温度入力に対する熱拡散の解析的解を適用する。
• 短時間スケールの熱伝達係数の変動とトンネル内空気温度との相関を導入し、有効な熱源としてモデル化する。
• 軸方向の空気温度変化と径方向の土壌温度拡散をカップルしたモデルを構築し、トンネルに沿って連続する不均一な熱源を組み込む。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 通過する列車に起因する熱伝達係数の短時間スケールの変動が、周囲土壌の平均温度にどのように影響を与えるか？
• RQ2 周囲土壌の熱容量が、1日および1年周期のトンネル内空気温度に位相差を引き起こす程度はどの程度か？
• RQ3 同じ環境条件下でも、ロンドン地下鉄では秋に春よりも温度上昇が顕著に観察されるが、これはなぜか？標準的な定常状態モデルではなぜこの現象を予測できないのか？
• RQ4 「ナイトフラッシング」が翌日のピークトンネル温度に与える影響は何か？ そして、それを正確にモデル化するにはどうすればよいか？
• RQ5 開放トンネルと列車-トンネルアニュラスにおける有効熱伝達係数はどのように異なり、熱負荷の分布にどのような影響を及えるか？

主な発見

• 列車に起因する熱伝達係数の短時間スケールの変動は、空気温度と相関を示し、有効な追加熱源として機能し、モデル上では平均土壌温度が最大で1.5 K上昇した。
• 1日周期の振動に対する熱境界層の厚さは約0.1 mであり、1年周期では約1.8 mまで拡張する。これは、季節的な熱の浸透が顕著であることを示している。
• 開放トンネル内での温度変動の減衰時間は約5.3日（4.56 × 10⁶ s）であり、アニュラス内では約5.3時間（4.56 × 10⁵ s）である。これは、列車に近接する領域で温度変動がより速やかに消失することを示している。
• 開放トンネルの有効熱伝達係数は127 m⁻¹（Ht = ht/Ks）であり、アニュラス内では314 m⁻¹（Hv = hv/Ks）である。これは、列車-トンネルギャップ内での熱的結合が顕著に強いことを示している。
• 本モデルは、土壌の熱慣性が、秋に地下鉄が春よりも暖かくなる理由を説明する、環境空気温度とトンネル内空気温度の間の位相差が生じることを予測している。
• 時間依存の熱伝達係数と径方向の熱伝導を組み込むことで、定常状態モデルでは捉えきれない非定常効果（例：ナイトフラッシング）を本モデルが再現できた。