CFD-studie van de luchtkwaliteit en de fijnstofafvang in een ondergronds metrostation: zuigereffect van de treinen, verspreiding en afvangvoorzieningen.
EOLIOS voerde een CFD-studie in een metrostation in Parijs om de doeltreffendheid te beoordelen van fijnstofafvangers op de perrons. De studie, uitgevoerd voor de SNCF en TrapAparT, analyseert de luchtsnelheden en luchtbanen binnen het station om te bepalen of de geplaatste voorzieningen het aanwezige fijnstof doeltreffend afvangen.
De kern — CFD-studie voor de SNCF en TrapAparT in een Parijs metrostation: nagaan of passieve afvangers met gepatenteerd adsorberend medium het fijnstof doeltreffend afvangen (PM10 / PM2,5, gemiddeld ×3 hoger geconcentreerd dan in de buitenlucht) dat door het zuigereffect van de treinen in beweging wordt gebracht. Een audit in situ en daarna een CFD-model van ongeveer 10 miljoen cellen (station + trein) geven snelheden, drukgolven en vorticiteit in het zog weer; deflectoren optimaliseren daarna de afvang.
Sinds het begin van de jaren 2000 laten metingen van de luchtkwaliteit zien dat de concentraties zwevende deeltjes in de spoorzones in Frankrijk gemiddeld drie keer hoger zijn dan in de stedelijke buitenlucht. De in de lucht gemeten deeltjesconcentratie wordt vaak uitgedrukt in PM10 en PM2,5.
Zwevende deeltjes met een diameter kleiner dan 10 µm (PM10) en 2,5 µm (PM2,5). De fijnste dringen via de luchtwegen door tot in de longalveolen, vandaar hun schadelijkheid.
Deze deeltjes dringen de luchtwegen binnen en de fijnste zetten zich rechtstreeks af in de longalveolen. De samenstelling van de deeltjes in de spooromgeving wijkt duidelijk af van die in de buitenlucht, met hoge concentraties metalen bestanddelen — met name ijzer — en van elementair en organisch koolstof. Deze verontreiniging, eigen aan de ondergrondse spooractiviteit, wordt veroorzaakt door de slijtage van de materialen bij het remmen van de treinen, door de wrijving tussen wielen en rails, en door het opnieuw in zwevende toestand brengen van stof door het rijden van de treinen.
Epidemiologische en toxicologische gegevens wijzen op mogelijke ernstige cardiorespiratoire effecten, gezien de vastgestelde biologische gevolgen op het gebied van ontstekingen, oxidatieve stress en cardiovasculaire activiteit bij het personeel dat deze infrastructuur onderhoudt. Op grond van deze vaststellingen bevestigt ANSES de noodzaak de fijnstofverontreiniging te verminderen in ondergrondse spoorzones, en dus het onderzoek naar en de verbetering van de ventilatie in deze omgevingen voort te zetten.
Gezondheidsbelang — ANSES heeft cardiorespiratoire gevolgen (ontstekingen, oxidatieve stress) gedocumenteerd bij onderhoudspersoneel dat in de ondergrondse spooromgeving is blootgesteld. Het fijnstof op de perrons verminderen is in de eerste plaats een gezondheidsdoel.
Luchtkwaliteit is vandaag wereldwijd een grote zorg voor onze gezondheid. Het openbaar vervoer wordt vaak gepresenteerd als een ecologischer alternatief, omdat het de uitstoot van verontreinigende stoffen per afgelegde kilometer verlaagt. Het is echter niet volledig vrij van verontreiniging: de slijtage van de onderdelen van de spoorexploitatie — wielen, rails, ballast, stroomafnemer, bovenleiding, remmen — brengt verontreinigende deeltjes voort.
Deze deeltjes hopen zich sterker op in ondergrondse spoorruimtes door het insluitingseffect. Onderzoek naar de gevolgen van deze verontreiniging is nog schaars; daarom is TrapAparT hiernaar onderzoek gestart.
De verontreinigingsniveaus in ondergrondse spoorruimtes komen vooral voort uit hun insluiting, die de luchtverversing beperkt die nodig is om de door de rijdende treinen uitgestoten verontreiniging te verwijderen. In de oudste stations hoopt de verontreiniging zich daardoor eerder binnen op.
De invloed van de buitenluchtverontreiniging op die in ondergrondse stations is niet duidelijk vastgesteld; zij hangt in hoge mate af van de architectonische kenmerken die eigen zijn aan elk ondergronds vervoersysteem. Factoren als het type ventilatie (natuurlijk, mechanisch, klimaatregeling), de diepte van het station — diepere stations zijn minder gevoelig voor schommelingen in de buitenluchtkwaliteit — en het aantal toegangen spelen een essentiële rol.
De seizoensschommelingen van het weer lijken de verontreinigingsniveaus op de perrons ook te beïnvloeden. De materialen die worden gebruikt bij de bouw van de stations, de spoorinfrastructuur en het rollend materieel, onderhevig aan slijtage en afschuring, kunnen eveneens bijdragen aan de variatie van de verontreinigende deeltjes.
De vangsystemen TrapAparT maken het mogelijk de blootstelling van de bevolking aan schadelijk fijnstof te verminderen, door gerichte zones uit te rusten — grote stedelijke verkeersassen en ondergrondse spoorstations (metro) — waar de verontreinigingsniveaus veel hoger liggen dan de door de WHO aanbevolen grenswaarden, op plaatsen met veel mensen.
De kern van de voorziening bestaat uit een door TrapAparT gepatenteerd adsorberend medium, dat fijnstof kan vangen door eenvoudig contact, uitsluitend dank zij de natuurlijke luchtstromen (wind en turbulentie van de voertuigen). Het medium wordt geregenereerd door het simpelweg met water te wassen, ongeveer maandelijks; het waswater wordt opgevangen en de verontreiniging erin wordt verwijderd.
Het hoofddoel van de studie van de ingenieurs van EOLIOS is de luchtsnelheden en luchtbanen te analyseren binnen het station, om te bepalen of de op de perrons geplaatste voorzieningen het aanwezige fijnstof doeltreffend afvangen. Het project beoogt de specifieke luchtstromingsverschijnselen op het perron te beheersen, met behulp van de CFD-modellering om de luchtstroming die het passeren van de metro's veroorzaakt in detail te onderzoeken.
De audit bestaat uit een reeks metingen om de luchtbewegingen bij de aankomst van de metro's in het station te onderzoeken en tegelijk de fijnstofconcentratie in de lucht te beoordelen. Deze metingen zijn uitsluitend op de perrons en in de technische zone van het perron uitgevoerd.
Bij het binnenrijden van de tunnel duwt een trein de lucht voor zich uit (overdruk) en zuigt hij haar achter zich aan (onderdruk), waardoor op de perrons sterke luchtstromen ontstaan die het fijnstof opnieuw in zwevende toestand brengen en verplaatsen.
De ingenieurs van EOLIOS stelden vast dat de luchtstroomsnelheden variëren met de rijrichting van de trein, met lagere maximale amplitudes wanneer de trein langs het tegenoverliggende perron rijdt. Deze snelheden worden beïnvloed door factoren als de remtijd en het vermogen van de trein. De afname van de luchtsnelheid bij het passeren hangt bovendien af van de bewegingsrichting (aankomst bij of vertrek van het perron) en van de duur van de passage. Wel moet worden vermeld dat de metingen, uitgevoerd nabij het perron in de werkzone, om veiligheidsredenen aanzienlijke snelheidsverlagingen van de treinen vereisten, wat afwijkingen ten opzichte van de gebruikelijke rijomstandigheden opleverde.
De numerieke stromingsleer, of Computational Fluid Dynamics (CFD), is een numerieke methode om stromingen in een bepaalde omgeving te onderzoeken. Zij lost complexe vergelijkingen die deze stromingen beschrijven numeriek op, terwijl dat analytisch niet mogelijk is. Toegepast op gebouwen levert zij cruciale informatie over de luchtsnelheden, de drukken en de temperaturen binnen en rond bebouwde ruimtes, en helpt zij ontwerpers de ventilatie en de klimaatregeling te optimaliseren.
Om deze partiële differentiaalvergelijkingen op te lossen moeten de randvoorwaarden van de berekening worden vastgelegd. Deze volgen uit de metingen op locatie en de informatie van het ontwerpteam: type wanden, stroming (eenrichtings in- of uitlaat), snelheidsparameters, debiet of gemiddelde statische druk, en oppervlaktecoëfficiënten wanneer warmteoverdracht moet worden gesimuleerd.
Het rekenrooster van het model, bestaande uit ongeveer 10 miljoen orthogonale gestructureerde vloeistofelementen met verfijning in de sleutelzones, is essentieel voor de nauwkeurigheid van de studie, maar kan lange rekentijden opleveren.
Het 3D-model van het station is opgebouwd uit de aangeleverde plannen; het geeft de vereenvoudigde geometrie van de locatie en de omgeving weer. Om de nauwkeurigheid van de resultaten te waarborgen zijn de tunnels aan beide zijden van het station over een voldoende lengte in de modellering opgenomen, om elke invloed van de randvoorwaarden van het model te vermijden.
Om de invloed van het passeren van de metro op de thermische en luchtstroming in het station te onderzoeken, is ook een specifiek 3D-model van de trein gemaakt. Deze aanpak maakt het mogelijk de wisselwerking tussen de trein en de stationsomgeving grondig te onderzoeken, voor een beter begrip van de thermische en luchtstromingsverschijnselen in deze ruimte.
Het passeren van de trein veroorzaakt langdurige verstoringen in zijn zog. Deze verstoringen laten zien dat de luchtsnelheid een baan volgt die tangentieel langs de media loopt, wat gunstig kan zijn gezien hun eigenschappen.
In beweging veroorzaakt de trein weerstand aan de achterzijde: hij wekt een zone van overdruk aan de voorzijde en een zone van onderdruk aan de achterzijde op. Er ontstaat dan een luchtstroom van de zijkanten van de trein naar achteren om de onderdruk te compenseren, waardoor de luchtsnelheid achteraan hoger is dan in stilstaande lucht.
De drukvlakken illustreren de voortplanting van de drukgolf bij het naderen van de trein. De stroming loopt eerst van links naar rechts en keert daarna om zodra de trein in het station staat, in het bijzonder aan de kop van de trein. Dit drukverschil brengt een luchtstroom door de media op gang, al is dit drukverschil van korte duur.
Vorticiteit is een pseudovectorveld dat de plaatselijke rotatiebeweging van een medium beschrijft. Zij maakt het mogelijk de zones met sterke turbulentie visueel te bepalen. De vorticiteitsbeelden laten zien dat de gebieden nabij de media verstoringen ondergaan, in het bijzonder na het passeren van de trein.
Pseudovectorveld dat de plaatselijke rotatiebeweging van de lucht beschrijft. Het maakt de zones met sterke turbulentie zichtbaar — hier die welke het contact van de deeltjes met het afvangmedium bepalen.
Aanvullende studies maakten het mogelijk de prestatieniveaus van de afvangsystemen nauwkeurig vast te stellen. Optimalisatieoplossingen, zoals de ontwikkeling van deflectoren, verbeterden de prestaties van de fijnstofafvang.
EOLIOS kan zo gevallen van fijnstofuitstoot behandelen en industriële partijen begeleiden bij de optimalisatie van hun installaties en de dimensionering van prototypes.
Om verder op dit onderwerp in te gaan, bevelen wij de dissertatie aan « Dispersion des particules issues du freinage des trains en stations souterraines », door Antoine Durand.
Expertise: onderzoek naar de luchtkwaliteit in metrostationsVerontreiniging op de perrons, zuigereffect van de treinen en passieve fijnstofafvang.
In een ondergrondse spoorzone zijn de zwevende deeltjes gemiddeld drie keer hoger geconcentreerd dan in de buitenlucht: zij komen van de slijtage bij het remmen, de wrijving tussen wielen en rails en het opnieuw in zwevende toestand brengen door de treinen, en hopen zich op door het insluitingseffect. Zie ons dossier luchtkwaliteit in metrostations.
Tijdens het rijden duwt de trein de lucht voor zich uit (overdruk) en zuigt hij haar achter zich aan (onderdruk). Deze korte maar krachtige luchtstromen verplaatsen het fijnstof op de perrons en brengen het opnieuw in zwevende toestand.
Een gepatenteerd adsorberend medium vangt het fijnstof door eenvoudig contact, uitsluitend dank zij de natuurlijke luchtstromen (wind, turbulentie van de treinen). Het wordt maandelijks met water gewassen, waarbij het water wordt opgevangen en gezuiverd.
De luchtsnelheden die bij de aankomst van de treinen horen, en de fijnstofconcentratie, gemeten op de perrons en in de technische zone. Deze gegevens dienen als randvoorwaarden voor het CFD-model.
Zij geeft snelheden, drukgolven en vorticiteit in het zog van de trein weer, en beoordeelt of de afvangers de deeltjes onderscheppen — tot het testen van deflectoren ter optimalisatie. Een aanpak die dicht bij ons project luchtkwaliteit van het RER-station Issy.
Verken onze expertise, projecten en technische dossiers om verder te komen dan deze vragenlijst.
CFD-simulatie van de vorticiteit rond een trein die het station binnenrijdt — onderzoek naar de invloed van het zuigereffect op de verspreiding van fijnstof en de luchtkwaliteit in ondergrondse ruimtes.
WindhinderWindhinder voor voetgangers — La Défense
Zonne-energieWindbelasting — zonnepark
DakterrasDakterras luxehotel — Casablanca
ZonneparkBeheersing van winderosie — zonnepark
WindhinderThermisch comfort — school
DakterrasWindhinder — dakterras
HoogbouwWindbelasting — hoogbouw — Caen
LuchtkwaliteitLuchtkwaliteit — RER-station Issy
VeiligheidWindgevaar — winkelcentrum
HoogbouwWindbelasting — Tours Olympiades — Parijs
SportWindhinder — trainingscentrum PSG
WindpotentieelWindonderzoek — La Défense
HoogbouwTour Liberté — La Défense
WindpotentieelBalenciaga — windpotentieel
CFD-expertise, opgeleverde projecten en technische dossiers: het hele vakgebied lucht & wind op één plek.
Het eenvoudigst is om er samen over te praten. Onze ingenieurs antwoorden met een eerste technische analyse.