CFD-Studie der Luftqualität und der Feinstauberfassung in einer unterirdischen U-Bahn-Station: Kolbeneffekt der Züge, Ausbreitung und Erfassungssysteme.
EOLIOS führte eine CFD-Studie in einer U-Bahn-Station in Paris durch, um die Wirksamkeit von auf den Bahnsteigen installierten Feinstaub-Sensoren zu bewerten. Die für die SNCF und TrapAparT durchgeführte Studie analysiert die Geschwindigkeiten und Bahnen der Luft im Inneren der Station, um festzustellen, ob die installierten Vorrichtungen den in der Atmosphäre vorhandenen Feinstaub wirksam erfassen können.
Das Wesentliche — CFD-Studie für die SNCF und TrapAparT in einer Pariser U-Bahn-Station: prüfen, ob passive Sensoren mit patentiertem Adsorptionsmedium den Feinstaub wirksam erfassen (PM10 / PM2,5, im Durchschnitt ×3 stärker konzentriert als an der freien Luft), der durch den Kolbeneffekt der Züge in Bewegung versetzt wird. Ein Audit vor Ort, dann ein CFD-Modell mit rund 10 Millionen Zellen (Station + Zug) bilden Geschwindigkeiten, Druckwellen und Vortizität im Nachlauf ab; Leitbleche optimieren anschließend die Erfassung.
Seit Anfang der 2000er-Jahre zeigen Messungen der Luftqualität, dass die Konzentrationen luftgetragener Partikel in Bahnbereichen in Frankreich im Durchschnitt dreimal höher sind als in der städtischen Außenluft. Die in der Luft gemessene Partikelkonzentration wird häufig als PM10 und PM2,5 ausgedrückt.
Luftgetragene Partikel mit einem Durchmesser unter 10 µm (PM10) und 2,5 µm (PM2,5). Die feinsten dringen bis in die Lungenalveolen vor, daher ihre Schädlichkeit.
Diese Partikel dringen in die Atemwege ein, und die feinsten lagern sich direkt in den Lungenalveolen ab. Die Zusammensetzung der im Bahnumfeld beobachteten Partikel unterscheidet sich deutlich von der Außenluft, mit hohen Konzentrationen metallischer Elemente — insbesondere Eisen — sowie elementarem und organischem Kohlenstoff. Spezifisch für den unterirdischen Bahnbetrieb wird diese Verschmutzung durch den Materialverschleiß beim Bremsen der Züge, durch die Reibung zwischen Rädern und Schienen sowie durch das Wiederaufwirbeln von Staub infolge der Zugbewegungen verursacht.
Epidemiologische und toxikologische Daten legen mögliche schwerwiegende kardiorespiratorische Auswirkungen nahe, angesichts der beobachteten biologischen Folgen in Form von Entzündungen, oxidativem Stress und kardiovaskulärer Aktivität beim Wartungspersonal dieser Infrastrukturen. Angesichts dieser Beobachtungen bestätigt die ANSES die Notwendigkeit, die Feinstaubbelastung zu senken und somit die Untersuchung und Verbesserung der Belüftung in diesen Umgebungen fortzusetzen.
Gesundheitsfrage — die ANSES hat kardiorespiratorische Auswirkungen (Entzündungen, oxidativer Stress) beim in unterirdischen Bahnumgebungen exponierten Wartungspersonal dokumentiert. Die Reduzierung des Feinstaubs auf den Bahnsteigen ist in erster Linie ein Ziel des Gesundheitsschutzes.
Die Luftqualität ist heute weltweit ein großes Gesundheitsanliegen. Der öffentliche Verkehr wird oft als umweltfreundlichere Alternative dargestellt, da er die Schadstoffemissionen pro gefahrenem Kilometer reduziert. Er ist jedoch nicht völlig frei von Verschmutzung: Der Verschleiß der im Bahnbetrieb verwendeten Komponenten — Räder, Schienen, Schotter, Stromabnehmer, Oberleitung, Bremsen — erzeugt Schadstoffpartikel.
Diese Partikel neigen aufgrund des Einschlusseffekts dazu, sich in unterirdischen Bahnanlagen stärker anzusammeln. Studien über die Auswirkungen dieser Verschmutzung sind noch selten; deshalb hat TrapAparT Forschungsarbeiten zu diesem Thema aufgenommen.
Die Verschmutzungswerte in unterirdischen Bahnräumen werden hauptsächlich durch ihren Einschluss verursacht, der die zur Beseitigung der von den Zügen ausgestoßenen Schadstoffe erforderliche Lufterneuerung begrenzt. Die ältesten Stationen neigen daher eher dazu, Verschmutzungspartikel im Inneren anzusammeln.
Der Einfluss der Außenluftverschmutzung auf jene der unterirdischen Stationen ist nicht klar definiert; er hängt weitgehend von den architektonischen Merkmalen ab, die jedem unterirdischen Verkehrssystem eigen sind. Faktoren wie die Art der Belüftung (natürlich, mechanisch, klimatisiert), die Tiefe der Station — tiefere Stationen sind weniger empfindlich gegenüber Schwankungen der Außenluftqualität — und die Anzahl der Zugänge spielen eine wesentliche Rolle.
Auch die jahreszeitlichen Wetterschwankungen scheinen die Verschmutzungswerte auf den Bahnsteigen zu beeinflussen. Die beim Bau der Stationen, der Bahninfrastruktur und der Fahrzeuge verwendeten Materialien, die Verschleiß und Abrieb ausgesetzt sind, können ebenfalls zur Variabilität der Schadstoffpartikel beitragen.
Die TrapAparT-Fallen ermöglichen es, die Exposition der Bevölkerung gegenüber schädlichem Feinstaub zu verringern, indem gezielte Bereiche ausgestattet werden — große städtische Verkehrsachsen und unterirdische Bahnhöfe (U-Bahn) — die Verschmutzungswerte weit über den von der WHO empfohlenen Schwellenwerten an Orten mit hoher Menschenkonzentration aufweisen.
Kern der Vorrichtung ist ein von TrapAparT patentiertes, Feinstaub adsorbierendes Medium, das Feinstaub durch einfachen Kontakt binden kann, allein dank der natürlichen Luftströmungen (Wind und durch Fahrzeuge erzeugte Turbulenzen). Das Medium wird durch einfaches Waschen mit Wasser regeneriert, etwa einmal im Monat; das Waschwasser wird aufgefangen und die darin enthaltenen Schadstoffe werden beseitigt.
Hauptziel der von den EOLIOS-Ingenieuren durchgeführten Studie ist es, die Geschwindigkeiten und Bahnen der Luft im Inneren der Station zu analysieren, um festzustellen, ob die auf den Bahnsteigen installierten Vorrichtungen den in der Atmosphäre vorhandenen Feinstaub wirksam erfassen. Das Projekt zielt darauf ab, die spezifischen lufttechnischen Phänomene auf dem Bahnsteig zu beherrschen, und stützt sich dabei auf die CFD-Modellierung, um die durch das Vorbeifahren der U-Bahnen erzeugte Luftströmung im Detail zu untersuchen.
Das Audit besteht aus einer Reihe von Messungen, um die mit der Ankunft der U-Bahnen in der Station verbundenen Luftbewegungen zu untersuchen und gleichzeitig die Feinstaubkonzentration in der Luft zu bewerten. Diese Messungen werden ausschließlich auf den Bahnsteigen und im technischen Bereich des Bahnsteigs durchgeführt.
Beim Einfahren in den Tunnel schiebt ein Zug die Luft vor sich her (Überdruck) und saugt sie hinter sich an (Unterdruck), wodurch auf den Bahnsteigen starke Luftströmungen entstehen, die den Feinstaub wiederaufwirbeln und verlagern.
Die EOLIOS-Ingenieure stellten fest, dass die Luftströmungsgeschwindigkeiten je nach Fahrtrichtung des Zuges variieren, mit geringeren maximalen Amplituden, wenn der Zug auf dem gegenüberliegenden Bahnsteig verkehrt. Diese Geschwindigkeiten werden von Faktoren wie der Bremszeit und der Leistung des Zuges beeinflusst. Die Verringerung der Luftgeschwindigkeit beim Vorbeifahren hängt zudem von der Bewegungsrichtung (Ankunft am oder Abfahrt vom Bahnsteig) und der Dauer der Vorbeifahrt ab. Es ist zu beachten, dass die in der Nähe des Bahnsteigs im Arbeitsbereich durchgeführten Messungen aus Sicherheitsgründen ein erhebliches Abbremsen der Züge erforderten, was zu Abweichungen von den üblichen Betriebsbedingungen führte.
Die numerische Strömungsmechanik oder Computational Fluid Dynamics (CFD) ist eine numerische Methode zur Untersuchung von Fluidströmungen in einer gegebenen Umgebung. Sie löst numerisch komplexe Gleichungen, die diese Strömungen bestimmen und sich nicht analytisch lösen lassen. Auf Gebäude angewendet, liefert sie entscheidende Informationen über Luftgeschwindigkeiten, Drücke und Temperaturen innerhalb und um bebaute Räume und hilft den Planern, Belüftung und Klimatisierung zu optimieren.
Zur Lösung dieser partiellen Differentialgleichungen müssen die Randbedingungen der Berechnung definiert werden. Sie werden anhand der Messungen vor Ort und der von der Bauleitung bereitgestellten Informationen festgelegt: Art der Wände, Strömungen (unidirektionaler Ein- oder Austritt), Geschwindigkeits-, Durchfluss- oder mittlere statische Druckparameter sowie Oberflächenkoeffizienten, sofern Wärmeübertragungen simuliert werden müssen.
Das Netz des Modells, das aus etwa 10 Millionen orthogonalen strukturierten Fluidelementen mit Verfeinerung in den Schlüsselzonen besteht, ist entscheidend für die Genauigkeit der Studie, kann aber zu langen Rechenzeiten führen.
Das 3D-Modell der Station wurde anhand der bereitgestellten Pläne erstellt; es übernimmt die vereinfachte Geometrie des Standorts und seiner Umgebung. Um die Genauigkeit der Ergebnisse zu gewährleisten, wurden die Tunnel beiderseits der Station mit ausreichender Länge in das Modell einbezogen, um jeglichen Einfluss der Randbedingungen des Modells zu vermeiden.
Um die Auswirkung der Vorbeifahrt der U-Bahn auf die Thermo-Aeraulik der Station zu untersuchen, wurde außerdem ein spezifisches 3D-Modell des Zuges erstellt. Dieser Ansatz ermöglicht es, die Wechselwirkungen zwischen dem Zug und der Stationsumgebung eingehend zu erforschen, für ein besseres Verständnis der thermischen und lufttechnischen Phänomene dieses Raums.
Die Vorbeifahrt des Zuges erzeugt anhaltende Störungen in seinem Nachlauf. Diese Störungen zeigen, dass die Luftgeschwindigkeit einer zu den Medien tangentialen Bahn folgt, was angesichts ihrer Eigenschaften vorteilhaft sein kann.
In Bewegung erzeugt der Zug einen Widerstand am Heck: Er bildet eine Überdruckzone an der Front und eine Unterdruckzone am Heck. Ein Luftstrom stellt sich dann von den Seiten des Zuges zum Heck ein, um den Unterdruck auszugleichen, und erhöht so die Luftgeschwindigkeit am Heck gegenüber der ruhenden Luft.
Die Druckebenen veranschaulichen die Ausbreitung der Druckwelle infolge der Annäherung des Zuges. Die anfängliche Strömung verläuft von links nach rechts und kehrt sich um, sobald der Zug in der Station ist, insbesondere an der Zugspitze. Diese Druckdifferenz treibt einen Luftstrom durch die Medien, auch wenn dieser Druckunterschied nur von kurzer Dauer ist.
Die Vortizität ist ein Feld von Pseudovektoren, das die lokale Rotationsbewegung eines Mediums beschreibt. Sie ermöglicht es, die Zonen mit intensiver Turbulenz visuell zu identifizieren. Die Vortizitätsmuster zeigen, dass die Bereiche nahe den Medien Störungen erfahren, insbesondere nach der Vorbeifahrt des Zuges.
Feld von Pseudovektoren, das die lokale Rotationsbewegung der Luft beschreibt. Es macht die Zonen intensiver Turbulenz sichtbar — hier jene, die den Kontakt der Partikel mit dem Erfassungsmedium bestimmen.
Ergänzende Studien ermöglichten es, die Leistungsniveaus der Erfassungssysteme präzise zu bestimmen. Optimierungslösungen wie die Entwicklung von Leitblechen verbesserten diese Feinstaub-Erfassungsleistungen.
EOLIOS ist somit in der Lage, Fälle von Feinstaubfreisetzung zu bearbeiten und Industrieunternehmen bei der Optimierung ihrer Anlagen und der Dimensionierung von Prototypen zu begleiten.
Um das Thema zu vertiefen, empfehlen wir die Lektüre der Dissertation „Ausbreitung der beim Bremsen der Züge entstehenden Partikel in unterirdischen Bahnhöfen", von Antoine Durand.
Fachkompetenz: die Untersuchung der InnenraumluftqualitätVerschmutzung der Bahnsteige, Kolbeneffekt der Züge und passive Feinstauberfassung.
In unterirdischen Bahnbereichen ist der luftgetragene Feinstaub im Durchschnitt dreimal stärker konzentriert als an der freien Luft: Er stammt aus dem Bremsverschleiß, der Reibung zwischen Rad und Schiene und dem Wiederaufwirbeln durch die Züge und sammelt sich durch den Einschlusseffekt an. Siehe unser Dossier zur Luftqualität in U-Bahn-Stationen.
Beim Fahren schiebt der Zug die Luft vor sich her (Überdruck) und saugt sie hinter sich an (Unterdruck). Diese kurzen, aber intensiven Luftströmungen verlagern und wirbeln den Feinstaub auf den Bahnsteigen wieder auf.
Ein patentiertes Adsorptionsmedium bindet den Feinstaub durch einfachen Kontakt, allein dank der natürlichen Luftströmungen (Wind, durch die Züge erzeugte Turbulenzen). Es wird durch monatliches Waschen mit Wasser regeneriert, wobei das Wasser aufgefangen und entschadstofft wird.
Die Luftgeschwindigkeiten bei der Ankunft der Züge und die Feinstaubkonzentration, erfasst auf den Bahnsteigen und im technischen Bereich. Diese Daten dienen als Randbedingungen für das CFD-Modell.
Sie bildet Geschwindigkeiten, Druckwellen und Vortizität im Nachlauf des Zuges ab und bewertet, ob die Sensoren die Partikel abfangen — bis hin zum Test von Optimierungs-Leitblechen. Ein Ansatz nahe unserem Projekt zur Luftqualität am RER-Bahnhof Issy.
Entdecken Sie unsere Kompetenzen, Projekte und technischen Dossiers, um über die FAQ hinauszugehen.
CFD-Simulation der Vortizität rund um einen in die Station einfahrenden Zug — Untersuchung der Auswirkung der Kolbeneffekte auf die Ausbreitung des Feinstaubs und die Luftqualität der unterirdischen Räume.
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