ピストン効果

ピストン効果とは、移動する車両によって引き起こされるトンネルやシャフト内の強制空気流を指します。 ^[1] これは、エンジニアや設計者がさまざまな構造物を開発する際に考慮しなければならない数多くの現象の1つです。

屋外では、車両が走行する際、押しのけられた空気は地面以外のどの方向にも移動できます。トンネル内では、空気はトンネルの壁によって閉じ込められ、トンネルに沿って移動します。走行中の車両の後ろでは、空気が押しのけられているため、吸引力が生じ、空気が引き寄せられてトンネルに流れ込みます。さらに、流体の粘性により、車両の表面は車両と一緒に流れるように空気を引き寄せます。この力は、車両によって皮膚抵抗として感じられます。車両によるこの空気の動きは、往復コンプレッサーガスポンプ内の機械ピストンの動作に似ているため、「ピストン効果」と呼ばれています。この効果は、排水管内で廃水が空気を押しのけるときに生じる圧力変動にも似ています。

ピストン効果は鉄道トンネルでは非常に顕著である。なぜなら列車の断面積が大きく、多くの場合トンネルの断面積をほぼ完全に埋め尽くすからである。列車が接近しているときに地下鉄のプラットホーム（プラットホームドアが設置されていない）の乗客が感じる風は、ピストン効果による気流である。道路車両のトンネルでは車両の断面積がトンネルの総断面積に比べて小さいため、ピストン効果の影響はそれほど顕著ではない。単線トンネルでは最大の効果が得られるが、車両とトンネルのクリアランスや列車の先頭部の形状がその強度に影響を与える。^[3]

ピストン効果によって生じる空気の流れはトンネル内の設備に大きな力を加える可能性があるため、これらの設備は慎重に設計され、適切に設置されなければならない。この空気の流れによって換気ファンが停止するのを防ぐために、逆止ダンパーが必要になることがある。^[3]

建物の設計者は、エレベーターシャフト内の煙の動きに関してピストン効果を考慮する必要があります。^[4]移動するエレベーターは、前方の空気をシャフトから押し出し、後方のシャフトに空気を引き込みます。この効果は、単一のシャフト内で高速で移動するエレベーターシステムで最も顕著になります。つまり、火災が発生した場合、移動するエレベーターは煙を下層階に押しやる可能性があるということです。^[4]

ピストン効果はトンネル換気に利用されています。鉄道トンネルでは、列車が前方の空気を前方の最も近い換気シャフトに向かって押し出し、後方の最も近い換気シャフトからトンネル内に空気を吸い込みます。ピストン効果は、道路車両のトンネルでも換気を補助することができます。

地下高速交通システムでは、ピストン効果は換気に寄与し、場合によっては機械換気が不要になるほどの空気の流れを提供します。複数の線路がある広い駅では、空気の質は変わらず、機械換気を無効にしても改善することがあります。しかし、トンネルが1つしかない狭いプラットホームでは、換気にピストン効果だけに頼ると空気の質が悪化します。それでも、機械換気ではなくピストン効果を可能な限り利用することで、潜在的なエネルギー節約が可能です。^[5]

トンネルブームは、高速列車がトンネルを出るときに時々発生する大きな衝撃音です。これらの衝撃波は、近隣住民に迷惑をかけ、列車や近隣の構造物を損傷する可能性があります。人々はこの音を超音速航空機のソニックブームと同様に認識します。ただし、ソニックブームとは異なり、トンネルブームは列車が音速を超えたことによって引き起こされるわけではありません。代わりに、トンネルブームは、トンネルの構造により列車の周囲の空気があらゆる方向に逃げるのを防ぐことによって発生します。列車がトンネルを通過すると、その前方に圧縮波が発生します。これらの波は衝撃波に合体し、トンネル出口に到達したときに大きな衝撃音を生成します。^{[6] [7]}この波の強さは列車の速度の3乗に比例するため、速度が速い列車ではその影響はさらに顕著になります。^[7]

トンネルの爆音はトンネル坑口付近の住民に迷惑をかける可能性があり、山間の谷間などでは音が反響する場所ではさらに迷惑になる。こうした騒音を軽減することは、日本の新幹線、フランスのTGV、スペインのAVEなどの高速鉄道にとって大きな課題である。山岳地帯でトンネルが頻繁に通る日本では、トンネルの爆音は列車の速度を上げる上での主な制約となっている。日本では住宅地での騒音を70dB以下に制限する法律が制定されており^[8] 、多くのトンネル出口区域もこれに含まれます。

トンネル爆音を軽減する方法としては、列車のプロファイルを高度に空気力学的にすること、トンネル入口にフードを追加すること、^[9]、トンネル出口に穴あき壁を設置すること、^[6]、トンネルに通気孔を掘削すること^[7] （銃に消音器を取り付けるのと似ているが、はるかに大規模）などがある。英国のHS2プロジェクトでは、住民に対するトンネル爆音を軽減し、列車内の気圧の変化から生じる可能性のある乗客の聴覚的不快感を最小限に抑えるために、「多孔質ポータル」トンネルフードを開発した。^{[10] [11] [12]}

列車がトンネルに入ると急激な圧力変化により乗客や乗務員は耳の不快感を感じることがあります。^[13]

• 配管排水通気

• Bonnett, Clifford F. (2005). Practical Railway Engineering (第 2 版). ロンドン、イギリス: Imperial College Press . ISBN 978-1-86094-515-1. OCLC  443641662.
• ピストン

• YouTubeのピストン効果シミュレーション
• スペイン、ブニョールの AVE 列車によるトンネルの爆発
• 地下鉄トンネルのピストン効果を高める
• Ansys CFX を使用したピストン効果シミュレーション