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Thèse Année : 2023

Modeling airflow related to train movement in subway stations : small-scale model and numerical simulations compared to on-site measurements

Modélisation de l'écoulement de l'air lié à la circulation des trains dans les stations de métro : modèle à échelle réduite et simulations numériques comparés aux mesures sur site

Résumé

Air quality and ventilation efficiency in underground subway stations are concerns for health and safety. The piston effect, caused by trains passing through the station, contributes significantly to air movements. Models are often used to study and predict airflow in these environments due to challenges in on-site measurements. However, the differences between measured and modeled data are rarely discussed. This thesis focuses on developing models for train-induced airflow on platforms of underground subway stations. A 3D Computational Fluid Dynamics (CFD) model with a dynamic mesh is implemented to simulate the station. A small-scale model at 1:95 scale with Particle Image Velocimetry (PIV) is also used. Both models include the train's realistic movement, deceleration, stop, and departure phases. To validate the models, extensive on-site measurements are conducted, recording velocity magnitude at various platform positions. The results are compared using correlation and peak shape parameters. They show that models can capture the key elements of piston wind in the station: both the numerical and experimental results reveal that differences can be found between locations close to each other, that are the consequence of flow features developing at a fraction of the platform scale in the horizontal plane; and that local velocity changes occur over short time intervals scaling with the train velocity. However, finer predictions about the value of velocity magnitude are less reliable as they are bounded by simplifications of the geometry, of the boundary conditions and by scaling considerations. Despite these limitations, the models provide insights into flow patterns and are used to investigate how changes in station blockage ratio and train speed affect velocity magnitude and air exchanges in the station. The study concludes that the models are valuable tools for exploring platform airflow, but caution is needed in interpreting fine-scale velocity predictions.
La qualité de l'air et l'efficacité de la ventilation dans les stations de métro souterraines sont des préoccupations en matière de santé et de sécurité. L'effet piston, causé par le passage des trains, contribue de manière significative aux mouvements d'air. La réalisation de mesures sur site étant coûteuse, l’utilisation de modèle permet d’étudier et de prédire la circulation de l'air dans ces environnements. Les différences entre les données mesurées et modélisées sont cependant rarement discutées. Cette thèse développe des modèles pour la circulation de l’air induite par les trains sur les quais des stations de métro. Un modèle de dynamique des fluides numérique (CFD) de la station en 3D avec un maillage dynamique est réalisé, et la vélocimétrie par imagerie de particules (PIV) est utilisée sur un modèle à l'échelle 1:95. Les deux modèles incluent le mouvement réaliste du train, comprenant la décélération, l'arrêt et le départ. Pour valider les modèles, des mesures de la vitesse de l’air à différentes positions sur le quai sont réalisées. Les résultats sont comparés à l'aide de paramètres de corrélation et de forme de pic. Ils montrent que les modèles capturent les principaux éléments de l’effet piston dans la station. Les résultats numériques comme expérimentaux révèlent des différences entre des positions proches les unes des autres, conséquences de caractéristiques de l'écoulement se développant à une fraction de l'échelle du quai dans le plan horizontal ; et des changements locaux de vitesse se produisent sur de courts intervalles de temps liés à la vitesse du train. Cependant, les prédictions plus fines concernant l'amplitude de la vitesse sont moins fiables, car limitées par des simplifications de la géométrie, des conditions aux limites, et des considérations d'échelle. Malgré ces limitations, les modèles permettent d’étudier comment les variations de l’architecture de la station et de la vitesse du train affectent la vitesse et les échanges d'air dans la station.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04466413 , version 1 (19-02-2024)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04466413 , version 1

Citer

Loreline Faugier. Modeling airflow related to train movement in subway stations : small-scale model and numerical simulations compared to on-site measurements. Fluids mechanics [physics.class-ph]. Université de La Rochelle; École royale militaire. Section de l'artillerie et du génie (Bruxelles, Belgique); Institut von Karman de dynamique des fluides (Rhode-Saint-Genèse, Belgique), 2023. English. ⟨NNT : 2023LAROS022⟩. ⟨tel-04466413⟩
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