Smoke Deflectors / Windleitblech 集煙板

[Louis Liu]

有個有趣的發現！

台灣蒸汽火車為何看不到小耳朵「witte」？

以前的台灣蒸汽火車，不是沒有「集煙版」、就是大耳朵「wagner」，似乎就是沒有小耳朵「witte」？小時坐的蒸機也都是「大耳朵」。
台灣蒸機大都來自日本，但日本蒸機有許多「witte」型的蒸機。為何台灣蒸機都「剛好」沒有改款呢？
有人看過witte型台灣蒸機照嗎？
會不會是「台鐵」的政策？因為「小耳朵」是在二戰後才流行的。

謝謝

[KOMACHI]

今天遇到流體老師馬上跟他請教一下集煙板的問題
他說他對火車不熟所以也只能提出他的看法
不過諸多觀念也因此有所釐清

先前我提到噴射氣流的看法與實際情形不合
因為實際情況如呂比大所言高速跑其黑煙也是冉冉上昇後吹散
並不像被噴射氣流吹上去的
可以參考下圖
http://www2.biglobe.ne.jp/~enry/gallery/D51.htm

因此噴射氣流的假設必與現實有些出入
老師提供了他的看法...

空氣塊是靜止不動的
因為火車向前進
相對運動才會有風從前面往後吹的效過
因此我們假設原來空氣塊為P(深藍色)
相對流動的空氣流為P'(淺藍色)
由白努力原理得知流動空氣壓力小
因為壓力差的關係使得高壓力氣塊推向低壓力氣塊
所以列車進出月台時如果離太近會被吸附近去
因此月台黃線的由來也是如此

然而壓力差會隨著不同流速的空氣混合而削減
導煙板的目的應該就是隔絕不同流速的空氣
而且因為鍋爐面積使得導煙板內空氣加速頗快
此加速適用於連續方程式
不過因為是開放空間有渦流存在因此用該方程式導入較無意義
也因此導煙板內外的壓力差會比車體周圍的大很多

然而壓力差的存在使得周圍靜止空氣P會開始向流動空氣P'推擠
從三面推擠而來(咖啡色)，這些空氣推入集煙板後會與高速空氣合流
然而這些移動來的空氣對於高速空氣來說是個前進的阻力
也因此會被這些空氣減速
這時交換一下運動座標(以地面為座標)
其實這些空氣都是靜止的
只有火車在動！
這些受阻的高速空氣因為阻力的關係使得自身開始對火車產生同步運動
在火車座標上就是這些高速空氣變慢了，甚至停了下來
但是火車仍然前進，仍然一堆高速空氣衝進來
力平衡下使得有空氣開始冉冉上昇(地面座標來說是該空氣與火車同步後上昇)
這空氣塊帶走了煙囪的煙，也抵抗了一下迎面而來的風壓但隨即被吹散
這是我們老師的解釋啦！
這個看法也可以解釋大小不同集煙板的問題
像日本D51的開口
列車行進時地面座標就可以看成對那裡吸氣
不過詳細狀況還要做實驗才能明瞭
不知大大有沒有發煙的好材料？
這樣好做實驗 :D
提供大家參考

[Louis Liu]

謝謝KOMACHI提出的寶貴意見！

你提到集煙板兩個key point
(1)上方一定內凹。
(2)上方隔板比下方重要：witte就是取消下方隔板，但效果和wagner相當。
(trix 05 001)


我想TTS內物理行家一定不少，提出您的想法吧！！

[sebastia]

....(略)

不過詳細狀況還要做實驗才能明瞭
不知大大有沒有發煙的好材料？
這樣好做實驗 :D

發煙的好材料? 您是指發煙油不夠好還是太貴?
如果是太貴有代用品比較便宜，就是TOMIX的軌道保養油
不果如果您的煙是要作蒸機冒的黑煙的話，小弟覺得似乎沒有必要，從眾多的蒸機行走影片已經很清楚了
需要煙的可能是風洞的氣流，觀察氣流經過導煙板的運動型態
這樣所需的煙可能用蚊香等固體燃燒產生的煙會比較均勻一點
液態燃燒產生的煙會有沸騰的過程，煙的流動會不規則不利於觀察
可是....風洞實驗應該也有常用觀察氣流運動所需的材料吧
(小弟因為學土木只接觸過水工試驗，對風洞試驗還很陌生)

還有一點可能也需要注意的，就是煙囪也要有氣流噴出
在做縮小模型的流體實驗首先需要因次分析
3D+時間(速度) 的因次分析實務上應該都沒問題了
小弟忘了溫度的部分在因次分析中是否要維持原條件
如果溫度部分不能依比例調整或是以熱力等效氣流取代的話...
煙囪出來的煙溫度很高喔！
另一個問題是....煙囪冒煙的氣流較快(煙囪口的截面)還是集煙板產生向上氣流較快呢
因為這兩者有相互作用可能要先分析一下

[Louis Liu]

「排煙板」真是門大學問！
感謝ylc兄提供的大量資料，小弟整理如下：

Smoke deflector【1.History】
http://www.wretch.cc/blog/bahnhof&article_id=8403138
Smoke deflector【2.Q&A】
http://www.wretch.cc/blog/bahnhof&article_id=8403325

歡迎您的參觀及回應！ :D

[sebastia]

「排煙板」真是門大學問！
感謝ylc兄提供的大量資料，小弟整理如下：

Smoke deflector【1.History】
http://www.wretch.cc/blog/bahnhof&article_id=8403138
Smoke deflector【2.Q&A】
http://www.wretch.cc/blog/bahnhof&article_id=8403325

歡迎您的參觀及回應！ :D

路易斯兄真是有心，拜讀部落格文章後
對集煙板的作用及演進相信大部分車友已經有較明瞭的概念了

在比呂兄及KOMACHI兄的討論後小弟仍有若干疑惑
正在繪製圖說預備就白努力定率及連續方程式再提出小弟的看法
(畫到一半偷懶了兩天 )
應與路易斯兄的文章不相衝突

[Louis Liu]

以一個模車玩家來說，路易斯blog主要是期望大家欣賞「smoke deflector」時有更多話題可聊，增加玩車樂趣。 :D
至於排煙板的流體力學，我承認那真的比較難，我是儘量以口語解釋，也許每位物理行家都有自己的見解，就請大家儘量提出討論吧！

[KOMACHI]

「排煙板」真是門大學問！
感謝ylc兄提供的大量資料，小弟整理如下：

Smoke deflector【1.History】
http://www.wretch.cc/blog/bahnhof&article_id=8403138
Smoke deflector【2.Q&A】
http://www.wretch.cc/blog/bahnhof&article_id=8403325

歡迎您的參觀及回應！ :D

哇！
好棒的資料
還有流線圖耶 :D
不過感覺其中某些論述仍然很詭異
等風洞弄好了在來測量氣流壓力是不是那麼一回事

請教一下sebastia大大
你有使用過VedioPoint這個軟體嗎？
想用這個來分析但不知道怎麼操作說...

您提到的噴氣溫度問題其實我也很頭痛
看了路易士大大的文章也發現噴出的氣流速度似乎也關係到導煙版的型式咧...
不知道台鐵蒸機出動時能不能做實驗XD
這樣就不用計算縮小模型會有的問題了...

[sebastia]

請教一下sebastia大大
你有使用過VedioPoint這個軟體嗎？
想用這個來分析但不知道怎麼操作說...

您提到的噴氣溫度問題其實我也很頭痛
看了路易士大大的文章也發現噴出的氣流速度似乎也關係到導煙版的型式咧...
不知道台鐵蒸機出動時能不能做實驗XD
這樣就不用計算縮小模型會有的問題了...

恕小弟離開學校十幾年了，當時沒聽過Vediopoint這個軟體
即使後來從事水利相關工程相關設計，多半業主不會編預算去要求水工模型試驗或流線圖分析等(應該只有中央單位的工程會編)
水理分析都是用常用相關定律去計算各界面的影響而已
尤其小弟對氣體力學還算陌生....

其實後來想想，再加上今天路易斯火車站部落格貼的風洞實驗圖
覺淂溫度的問題可能也還好，畢竟我們想實驗的是集煙板的氣流現象
即使出了煙囪溫度會驟降，但煙囪口的熱噴射氣流應該還是可以依速度比例的氣流替代
只是在離煙囪口越遠的黑煙運動路徑差異較大而已
甚至煙囪的模擬氣流慢一些更容易突顯集煙板的效果

至於用台鐵的蒸機做實驗.....下回CK124出動時在軌道旁燒稻草就知道了

[ylc]

蒸氣機關車在開放空間行駛時利用風導板將煙儘量引導向上，但在行駛路線中有封閉的長隧道時，就必需要將煙囪的煙強制引導向後，以避免煙在隧道內亂竄造成司機員窒息以及噴煙產生破壞隧道內頂部的情形。將煙引導向後的裝置稱為「Smoke Duct」、「Stack Splitters」，日本則稱為「集煙裝置」。
「集煙裝置」作用示意圖：
http://i11.photobucket.com/albums/a163/ ... 1175921412

美國有此裝置的蒸氣機關車似乎不多，一般常提到的就是
Southern Railway的Wimble Smoke Duct。
http://i30.photobucket.com/albums/c330/ ... Mikado.jpg
還有這種奇怪的裝置，好像打算把煙都關在裡面！
http://i4.ebayimg.com/04/i/000/83/31/43e0_3.JPG
http://i17.ebayimg.com/04/i/000/83/31/3446_3.JPG

除此之外，較知名的就是UP的Challenger及Bigboy了！
UP的Challenger及Bigboy在其雙管煙囪與外圍的U型板間設有可啟閉的「Hood」。
Bigboy的「Hood」閉合時：
http://i11.photobucket.com/albums/a163/ ... 1175921508

Bigboy的「Hood」展開時：
http://store2.zgraph.net/ZStore/views/i ... 503553.jpg

Bigboy的「Hood」作用示意圖：
http://i11.photobucket.com/albums/a163/ ... 1175921588

日本蒸機的集煙裝置係昭和27年由時任敦賀機関區長的増田栄氏所發明。一般將集煙裝置區分為九種類型(不含單機試驗型)，依發展年代依序為敦賀機關區式、鹿兒島工場式、後藤工場式、多度津工場式、鷹取工場式、長野工場式、松任工場式、郡山工場式及廣島工場式等型式。
敦賀式是唯一以機關區名稱而得名，實際施作者是浜松工場。集煙裝置就外觀而言，敦賀式、鹿兒島式、後藤式、多度津式、鷹取式及廣島式等型式其實看起來都很類似，長野工場式的特徵是前面有通風口，郡山式則是獨立發展的系統，外觀具有顯著差異。

當然，最一勞永逸的方法，還是SP的Cab Forward，不管什麼板都不用裝！
下圖是SP AC-6出隧道口一景，回頭張望的司機心裡一定在想：「好加在，還好老子開的是反頭車！」
http://i11.photobucket.com/albums/a163/ ... 1175925525

[g880909]

多謝ylc兄的介紹
又多認識了一項蒸機的部件名稱與作用

想再請教ylc兄
如果集煙裝置對於行使隧道內有如此的幫助
為什麼只有少數車輛才裝呢?
尤其歐車 幾乎沒見過有類似的裝置

是否與隧道的長短有關 亦或是 隧道內已經有特別的排煙設計?

感恩...

[ylc]

據小弟所知，德國早年完成的長度較長的隧道如凱薩威廉Kaiser-Wilhelm及Konigsstuhl 隧道設有大型換氣扇，Schluchterner隧道設有通風豎坑。我想一般長隧道的通風設施不外乎就是這些吧！

日本蒸機安裝集煙裝置並不在少數，光是D51型就有兩百多輛，C57型也有十六輛。

至於歐車不用集煙裝置的原因，其理由恐怕只有問當時的鐵路工程師才知道。不過經小弟掐指一算，斷出以下「四不一沒有」等五大原因提供參考，如下：
一、不想用
集煙裝置發展時間已是蒸機生產時代的末期，日本是在1952年開始安裝，若當時鐵路無煙化已是趨勢，不想花錢改善是可以理解的，反正也悶習慣了。
當然也有可能是基於美觀上的堅持，有些蒸機戴上大帽子實在是蠻醜的！

二、不能用
當時蒸機短筒煙囪高度應該已是極限，若再加上集煙裝置的高度，恐怕過不了隧道。日本蒸機是將煙囪切短後再安裝集煙裝置，但BR 01的煙囪再切就沒有了！。

三、不必用
將具有長隧道的路線採用電車營運，蒸機當然就可以不必裝集煙裝置。
不然請司機這樣駕駛也行！自然可達到「潛行不窒」的境界！
http://i30.photobucket.com/albums/c330/ ... kehood.jpg
小弟是曾看過司機用濕布掩口鼻通過隧道中央部份的說法，其實看看德國蒸機時代存在的隧道長度，應該大部份的隧道憋一下就通過了，因列車通過隧道時本來就有引導通風的效果，比較不會有累積一氧化碳的問題。
http://home.no.net/lotsberg/data/germany/rail.html

四、不會用
當時歐洲鐵路工程師不知道有集煙裝置這玩意兒！

五、隧道沒有通風問題
如前所述，若隧道之通風設施已足以控制隧道內空氣品質，蒸機當然也就沒有裝集煙裝置的需要。
小弟非隧道專家，以上純屬個人淺見！

[Louis Liu]

經小弟掐指一算，斷出以下「四不一沒有」等五大原因提供參考

「四不一沒有」！難得看到ylc兄這麼風趣的回答！ :D
尤其這張，司機好像戴防毒面具呀！
http://i30.photobucket.com/albums/c330/ ... kehood.jpg
有去看過蒸汽火車駕駛室的人就知道，司機和火伕真的好辛苦：從早到晚要「站」在那，還要長期忍受高溫、高噪音，過山洞還得被迫吸入有害黑煙….

ylc提到不裝「集煙裝置」的理由中，我覺得「高度限制」是很大因素…
當初蒸機會裝「smoke deflector」，就是因鍋爐越做越大， 無法再加高煙囪高度了….

小弟還想到兩個不裝「集煙裝置」的理由 （也是猜測的）
(一)「清洗問題」
集煙裝置用過幾次後，一定很髒 …
不清，久了會不通…
清洗，很費時費力吧！想想還不如不裝，省一份苦差事…

(二)「耐用問題」
一個集煙裝置能用幾年？造價高嗎？
集煙裝置耐熱嗎？洞口轉換機制易故障嗎？
傳統煙囪排煙會不會其實比較耐用？

[g880909]

ylc兄的四不一沒有 真的是很風趣的大綱

Louis兄提到清洗的問題
小弟之前找尋C57的資料時
看過日本機關區上 有個類似抽油煙機的裝置
接到集煙裝置上

照片:
http://hse.dyndns.org/hiroto/Railway/yama/yama3000.jpg
http://hse.dyndns.org/hiroto/Railway/yama/yama3100.jpg

網頁:
http://hse.dyndns.org/hiroto/Railway/yama/yama3000.htm

當初就再想 會什麼需要一個抽油煙機來抽煙囪


看了Louis的推測
或許真要這種抽油煙機 才能把集煙裝置內的髒污都吸走吧