พัดลมเจ็ตสำหรับการระบายอากาศในอุโมงค์: แรงขับและการเว้นระยะ

พัดลมเจ็ตสำหรับอุโมงค์เลือกตามแรงขับ ซึ่งวัดเป็นนิวตัน ไม่ใช่ตามการไหลของอากาศ พัดลมชนิดนี้ไม่ได้ลำเลียงอากาศผ่านท่อ แต่ผลักอากาศที่มีอยู่แล้วในอุโมงค์ และสิ่งสำคัญคือแรงที่พัดลมกระทำต่อคอลัมน์อากาศนั้น

ที่มาของข้อกำหนดแรงขับ

แรงขับรวมที่ต้องการคือผลรวมของแรงต้านที่แรงขับต้องเอาชนะ ซึ่งกระทำต่อคอลัมน์อากาศ:

• แรงเสียดทานกับผนัง ตลอดความยาวอุโมงค์ แปรผันตามความยาวและกำลังสองของความเร็วอากาศ จึงเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วเมื่อความเร็วออกแบบสูงขึ้น
• การสูญเสียที่ปากอุโมงค์และทางเข้า ที่ปลายแต่ละด้าน
• ผลกระทบจากการจราจร รถที่เคลื่อนที่ไปตามทิศทางการไหลของอากาศจะช่วยเสริมแรง ส่วนรถที่เคลื่อนที่สวนทางหรือหยุดนิ่งเนื่องจากการจราจรติดขัดจะเพิ่มแรงต้านอย่างมาก อุโมงค์ที่มีรถหยุดนิ่งเต็มพื้นที่จากการจราจรติดขัดเป็นปัญหาด้านอากาศพลศาสตร์ที่แตกต่างจากอุโมงค์ที่การจราจรเคลื่อนตัวอย่างอิสระ
• แรงลอยตัวจากความลาดชัน อากาศอุ่นจะลอยตัวสูงขึ้น ดังนั้นอุโมงค์ที่มีความลาดเอียงจึงมีผลปล่องไฟตามธรรมชาติ ซึ่งอาจช่วยเสริมหรือขัดขวางทิศทางการออกแบบ
• ความแตกต่างของความดันบรรยากาศ ระหว่างปากอุโมงค์ ซึ่งเกิดจากลมและสภาพอากาศ ปัจจัยนี้มักเป็นองค์ประกอบเดี่ยวที่มีค่าสูงที่สุดและแปรผันมากที่สุด

กรณีออกแบบโดยทั่วไปคือการรวมกันของสภาวะที่เลวร้ายที่สุด ได้แก่ การจราจรติดขัด ความลาดชันที่ไม่เอื้ออำนวย และลมที่ไม่เอื้ออำนวย การกำหนดขนาดตามสภาวะเฉลี่ยจะทำให้ระบบล้มเหลวเมื่อจำเป็นต้องใช้งาน

แรงขับขณะติดตั้งน้อยกว่าแรงขับตามพิกัด

พัดลมที่มีพิกัด 1,000 N ไม่ได้ให้แรงขับที่ใช้งานได้จริง 1,000 N เมื่อติดตั้งแล้ว เนื่องจากมีการสูญเสียสองประการ

ความใกล้กับผนัง ลำเจ็ตที่ออกจากพัดลมจะดึงอากาศโดยรอบเข้ามา หากติดตั้งพัดลมใกล้เพดานหรือผนังอุโมงค์มากเกินไป ลำเจ็ตจะเกาะไปตามพื้นผิว และโมเมนตัมบางส่วนจะสูญเสียไปกับแรงเสียดทานแทนที่จะถ่ายโอนไปยังคอลัมน์อากาศ ผู้ผลิตจะระบุประสิทธิภาพการติดตั้งไว้ และหากระยะห่างต่ำกว่าค่าที่แนะนำ ประสิทธิภาพจะลดลงอย่างเห็นได้ชัด

การรบกวนระหว่างพัดลม พัดลมที่ติดตั้งเรียงต่อกันใกล้เกินไปจะอยู่ในกระแสตามหลังของกันและกัน พัดลมที่อยู่ด้านปลายทางจะรับอากาศที่กำลังเคลื่อนที่อยู่แล้ว และเพิ่มแรงขับได้น้อยกว่าการทำงานในอากาศที่ไม่ถูกรบกวน

หลักปฏิบัติที่ตามมาคือ ต้องรักษาระยะห่างจากเพดานตามที่กำหนด ซึ่งโดยปกติเป็นเศษส่วนของเส้นผ่านศูนย์กลางพัดลม และเว้นระยะพัดลมตามแนวอุโมงค์ให้ห่างเพียงพอเพื่อให้ลำเจ็ตแต่ละชุดผสมกลับเข้ากับอากาศโดยรอบก่อนถึงพัดลมตัวถัดไป การเว้นระยะตามแนวยาวหลายเท่าของเส้นผ่านศูนย์กลางพัดลมเป็นเรื่องปกติ และการบีบระยะให้สั้นลงเพื่อให้พอดีกับอุโมงค์ที่สั้นกว่าจะทำให้ความสามารถที่ติดตั้งไว้สูญเปล่า

การกลับทิศทาง

ระบบอุโมงค์ส่วนใหญ่จำเป็นต้องผลักอากาศได้ทั้งสองทิศทาง โดยใช้ทิศทางปกติสำหรับการระบายอากาศประจำวัน และใช้ทิศทางตรงข้ามเพื่อควบคุมการเคลื่อนที่ของควันเมื่อเกิดเพลิงไหม้

มีสองวิธีในการทำให้บรรลุวัตถุประสงค์ดังกล่าว:

• ใบพัดที่กลับทิศทางได้ทางอากาศพลศาสตร์ โดยมีรูปทรงสมมาตร ให้แรงขับเต็มที่ทั้งสองทิศทาง แต่ใบพัดสมมาตรมีประสิทธิภาพน้อยกว่าใบพัดแบบแอร์ฟอยล์ในทิศทางหลัก
• การกลับทิศทางด้วยทิศทางการหมุนของมอเตอร์ร่วมกับใบพัดแบบไม่สมมาตร มีประสิทธิภาพในทิศทางเดินหน้า แต่แรงขับย้อนกลับต่ำกว่ามาก โดยทั่วไปมักระบุไว้ที่ประมาณ 60–70% ของแรงขับเดินหน้า ซึ่งยอมรับได้หากกรณีการเดินย้อนกลับได้รับการกำหนดขนาดโดยอ้างอิงค่าที่ลดลงดังกล่าว

การกำหนดผิดในเรื่องนี้ถือเป็นข้อผิดพลาดร้ายแรงด้านข้อกำหนด: ระบบที่สมมติว่าแรงขับย้อนกลับเท่ากับแรงขับเดินหน้าจะมีขนาดไม่เพียงพอสำหรับเหตุฉุกเฉินที่ระบบถูกติดตั้งไว้เพื่อรับมือโดยเฉพาะ

การทำงานในภาวะเพลิงไหม้

พัดลมเจ็ตในอุโมงค์ถนนต้องทำงานต่อไปได้ท่ามกลางควันร้อน พิกัดจะแสดงเป็นอุณหภูมิและระยะเวลา เช่น พัดลมที่ได้รับการจัดพิกัดให้ทำงานที่ 250°C เป็นเวลาสองชั่วโมง หรือ 400°C เป็นเวลาสองชั่วโมง ขึ้นอยู่กับกลยุทธ์ด้านอัคคีภัยของโครงการ

การบรรลุเงื่อนไขดังกล่าวส่งผลต่อชุดประกอบทั้งหมด ไม่ใช่เฉพาะตัวพัดลม ได้แก่ ฉนวนมอเตอร์และตลับลูกปืน ประเภทสายเคเบิล อุปกรณ์ฮาร์ดแวร์สำหรับติดตั้ง และชุดควบคุมที่จ่ายไฟให้พัดลม พัดลมที่ได้รับการรับรองให้ทำงานที่อุณหภูมิสูง แต่จ่ายไฟด้วยสายเคเบิลที่ขัดข้องเมื่อถึงอุณหภูมิต่ำกว่า ไม่ถือเป็นระบบอุณหภูมิสูง

การติดตั้ง

พัดลมเจ็ตแขวนอยู่จากส่วนยอดของอุโมงค์ และชุดติดตั้งต้องรองรับน้ำหนักที่มากกว่าน้ำหนักของพัดลม:

• แรงปฏิกิริยาจากแรงขับ พัดลมผลักอากาศไปทางหนึ่ง และผลักชุดติดตั้งของตนไปอีกทางหนึ่งอย่างต่อเนื่อง
• แรงทางอากาศพลศาสตร์จากรถที่แล่นผ่าน โดยเฉพาะในอุโมงค์ที่มีรถบรรทุกสินค้าขนาดใหญ่สัญจรด้วยความเร็ว
• การสั่นสะเทือน ซึ่งทำให้จุดยึดคลายตัวตลอดหลายปี หากการออกแบบไม่ได้คำนึงถึงปัจจัยนี้

การใช้แท่นรองรับแรงสั่นสะเทือนร่วมกับอุปกรณ์ยึดเหนี่ยวเพื่อความปลอดภัยสำรองเป็นแนวปฏิบัติมาตรฐาน และอุปกรณ์ยึดเหนี่ยวสำรองไม่ใช่สิ่งที่ละเว้นได้ เพราะพัดลมตกลงสู่การจราจรที่กำลังใช้งานอยู่คือรูปแบบความขัดข้องที่การออกแบบมีไว้เพื่อป้องกัน

กรณีที่พัดลมเจ็ตไม่ใช่คำตอบ

การระบายอากาศตามแนวยาวด้วยพัดลมเจ็ตทำงานได้ดีถึงจุดหนึ่ง อุโมงค์ที่ยาวมาก อุโมงค์ที่มีการจราจรสองทิศทาง และอุโมงค์ที่ต้องไม่ผลักควันไปตามความยาวทั้งหมดเข้าหาผู้ที่อยู่ในอุโมงค์ โดยทั่วไปจำเป็นต้องใช้ระบบระบายอากาศตามขวางหรือกึ่งขวาง พร้อมท่อจ่ายและท่อดูดอากาศโดยเฉพาะ นั่นเป็นโครงการคนละประเภท และการระบุให้ใช้พัดลมเจ็ตกับโครงการดังกล่าวไม่สามารถขยายรองรับได้