張羅樂 馮 煉 袁中原

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某內(nèi)燃牽引鐵路隧道通風(fēng)斜井適宜位置的數(shù)值研究

張羅樂 馮 煉 袁中原

（西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 成都 610031）

以國內(nèi)某內(nèi)燃牽引鐵路隧道為研究對(duì)象，建立一維非恒定不可壓縮管內(nèi)流動(dòng)模型和具有運(yùn)動(dòng)污染源一維非穩(wěn)定流模型，利用數(shù)值計(jì)算的方法分別對(duì)單斜井送風(fēng)式、排風(fēng)式進(jìn)行了模擬分析，通過對(duì)不同斜井位置、列車速度的通風(fēng)效果的分析，得出較適宜的斜井位置，為實(shí)際工程提供了參考。

鐵路隧道；運(yùn)營通風(fēng)；數(shù)值計(jì)算；斜井

0 引言

中國鐵路各大干線雖已基本實(shí)現(xiàn)牽引電氣 化[1]，但許多二級(jí)支線、專用鐵路、工礦鐵路等仍然需要內(nèi)燃牽引，內(nèi)燃機(jī)車牽引鐵路線路具有使用靈活、易操作、造價(jià)低的特點(diǎn)，仍然具有廣闊的應(yīng)用前景。內(nèi)燃機(jī)車排出的廢氣中含有對(duì)人體有害成分，列車穿行隧道時(shí)，如果污染氣體在隧道內(nèi)聚集不能得到及時(shí)排散，隧道內(nèi)人員的人身安全將會(huì)受到威脅，因此研究內(nèi)燃牽引隧道運(yùn)營通風(fēng)模式具有重大意義[2-4]。

本文所研究的隧道具有行車密度高、允許通風(fēng)時(shí)間短的特點(diǎn)，運(yùn)營通風(fēng)效率要求較高，因此通風(fēng)模式的選取成為決定運(yùn)營通風(fēng)是否達(dá)到衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵因素。本文首先建立基本物理數(shù)學(xué)模型，利用數(shù)值計(jì)算的方法，分別對(duì)列車通過隧道時(shí)速度變化和污染物濃度分布進(jìn)行模擬，充分考慮污染物達(dá)標(biāo)時(shí)間的變化規(guī)律，最終確定斜井分段式縱向通風(fēng)的適宜模式和斜井位置，為工程實(shí)際提供參考。

1 數(shù)值計(jì)算方法

1.1 物理模型

根據(jù)列車通過隧道時(shí)隧道內(nèi)氣流的物理特征，可將隧道內(nèi)氣流按照一維非恒定不可壓縮管內(nèi)流動(dòng)模型考慮，在列車頭進(jìn)入隧道，列車在隧道內(nèi)，列車離開隧道以及列車完全離開隧道的各個(gè)階段，分別應(yīng)用連續(xù)性方程可得到氣流速度加速度，采用變步長龍格-庫塔算法數(shù)值求解即可得到隧道內(nèi)的活塞風(fēng)速[5]。

隧道內(nèi)污染氣體濃度的分布規(guī)律按照具有運(yùn)動(dòng)污染一維非穩(wěn)定流模型描述，采用控制容積法推導(dǎo)出相應(yīng)的離散化方程，并根據(jù)列車在隧道內(nèi)運(yùn)動(dòng)及隧道內(nèi)氣流的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，提出車頭、車尾及新鮮空氣截面的邊界條件，在已得隧道內(nèi)氣流速度的基礎(chǔ)上算出隧道內(nèi)有害氣體的濃度分布情況[6]。

1.2 數(shù)學(xué)模型

質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒、對(duì)流擴(kuò)散方程為該模型所遵循的三大基本物理定律，將其稱為“控制方程”。

連續(xù)性方程[7]：

運(yùn)動(dòng)方程[7]：

對(duì)流擴(kuò)散方程[8]：

2 計(jì)算結(jié)果和分析

某隧道全長5238m，隧道橫截面積為32m2，初步設(shè)計(jì)利用距離隧道入口3033m處長度為1145m的斜井作為通風(fēng)風(fēng)道，斜井橫截面積為27m2，列車設(shè)計(jì)時(shí)速為38km/h，東風(fēng)4B型內(nèi)燃雙機(jī)牽引，隧道允許通風(fēng)時(shí)間為6min。隧道、列車、自然風(fēng)等基本參數(shù)列于表1。

表1 某隧道基本參數(shù)

其中：為隧道長度；為隧道當(dāng)量直徑；L為斜井長度；D為斜井當(dāng)量直徑；1和2為斜井截?cái)嗟乃淼纼啥伍L度；L為列車長度，V為列車速度；V為自然風(fēng)速[4]；為機(jī)車功率。

2.1 排風(fēng)式和送風(fēng)式的比選

列車通過隧道后，開啟斜井內(nèi)軸流風(fēng)機(jī)進(jìn)行機(jī)械通風(fēng)，假定風(fēng)機(jī)壓力為1700Pa，模擬得出隧道內(nèi)污染物濃度分布隨時(shí)間變化情況，圖1、圖2分別為采用單斜井排風(fēng)式通風(fēng)模式和單斜井送風(fēng)式通風(fēng)模式時(shí)污染物濃度分布變化曲線。

從兩幅圖可以知：由圖1可見，列車出洞時(shí)刻隧道污染物濃度最高已達(dá)到110mg/m3，由于列車在L2段行駛時(shí)斜井向隧道內(nèi)注入新鮮空氣，這對(duì)隧道內(nèi)污染物有一個(gè)稀釋作用，因此當(dāng)列車車尾出洞時(shí)，污染物濃度曲線在斜井處呈現(xiàn)一個(gè)較明顯波谷。列車出洞即刻開啟軸流風(fēng)機(jī)，此時(shí)污染氣體從斜井處排出，新鮮空氣從兩洞口流向斜井位置并置換污染空氣，因此呈現(xiàn)出斜井兩側(cè)污染物濃度曲線的波峰彼此靠近然后減小的趨勢(shì)，并最終在風(fēng)機(jī)開啟的第12.6min時(shí)刻將污染物濃度降到衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)以下。然而對(duì)于送入式通風(fēng)模式，可以發(fā)現(xiàn)由于風(fēng)向變化，L1、L2段污染物流向兩側(cè)洞口并排除，并且當(dāng)L2段污染物排盡后，L1段污染物依舊在洞內(nèi)，需要持續(xù)開啟風(fēng)機(jī)11.7min才能將污染物降到標(biāo)準(zhǔn)以下，此時(shí)達(dá)標(biāo)時(shí)間遠(yuǎn)大于排出式。

圖1 隧道污染物濃度分布曲線變化（排風(fēng)式）

對(duì)比分析圖1和圖2可知，采取排出式通風(fēng)方式時(shí)L1段污染物只需經(jīng)過污染段本身長度即可排出，采取送入式通風(fēng)方式時(shí)段污染物需要經(jīng)過整個(gè)段隧道才能排出，因此在排風(fēng)速度一定的情況下，斜井送入式排風(fēng)距離較長，故斜井排出式為合理的通風(fēng)方式。

圖2 隧道污染物濃度分布曲線變化（送風(fēng)式）

2.2 不同斜井位置對(duì)通風(fēng)效果的影響

斜井位置不同時(shí)，斜井兩側(cè)污染段長度不同，風(fēng)機(jī)壓力一定時(shí)斜井兩側(cè)的風(fēng)量配比也有所差異，因此污染物達(dá)標(biāo)時(shí)間必定有所不同。改變斜井位置，模擬采取單斜井排出式通風(fēng)模式且列車行駛速度為38km/h時(shí)，不同斜井位置對(duì)隧道污染物濃度分布情況，經(jīng)過不同斜井位置試算，分別選取X=3033m、3500m和4000m為代表值進(jìn)行分析。

分析三幅圖可知，當(dāng)斜井分別位于X=3033m、3500m和4000m處時(shí)，污染物達(dá)標(biāo)時(shí)間分別為7.9min、5.7min和8.2min。分析圖3和圖5亦可得知，斜井位于X=3033m處時(shí)，在軸流風(fēng)機(jī)開啟3min時(shí)間內(nèi)，斜井左側(cè)L1段污染物就已經(jīng)排盡，在此之后只排L2段內(nèi)的污染物；相反地，對(duì)于圖5所示的斜井位于X=4000m的情況，在風(fēng)機(jī)開啟約3min時(shí)間時(shí)，斜井右側(cè)L2段污染物就已經(jīng)排盡，在此之后只排L1段內(nèi)的污染物。斜井位于這兩個(gè)位置時(shí)，通風(fēng)過程中時(shí)斜井兩側(cè)污染物均為先后排出且時(shí)間相差較大，因此必然浪費(fèi)通風(fēng)功率，加大污染物達(dá)標(biāo)時(shí)間。

對(duì)于圖4所示的斜井位于X=3500m處的情況，L1段和L2段污染物幾乎同時(shí)由斜井排出，風(fēng)機(jī)運(yùn)行5.7min即可將污染物濃度降到控制標(biāo)準(zhǔn)以下，可見通過合理選取斜井位置使兩側(cè)污染物同時(shí)排出，能夠節(jié)省通風(fēng)時(shí)間。通過對(duì)該隧道其他不同斜井位置情況進(jìn)行計(jì)算模擬，發(fā)現(xiàn)當(dāng)列車速度為38km/h，風(fēng)機(jī)壓力為1700Pa時(shí)，斜井的最合理位置在X=3500m處，此時(shí)達(dá)標(biāo)時(shí)間為5.7min。

圖3 X=3033m時(shí)隧道污染物濃度分布曲線變化

圖4 X=3500m時(shí)隧道污染物濃度分布曲線變化

圖5 X=4000m時(shí)隧道污染物濃度分布曲線變化

2.3 不同斜井位置下列車速度對(duì)達(dá)標(biāo)時(shí)間影響情況

模擬不同列車速度下，斜井位置不同時(shí)隧道污染物濃度達(dá)標(biāo)時(shí)間變化情況，結(jié)果如圖6所示。當(dāng)斜井位于入口到X=3500m（即斜井位于前2Ltu/3段）范圍內(nèi)時(shí)，列車速度對(duì)達(dá)標(biāo)時(shí)間的影響很小，當(dāng)斜井位于距離隧道出口的Ltu/3范圍內(nèi)時(shí)，列車速度越大達(dá)標(biāo)時(shí)間越小。該隧道在運(yùn)行遠(yuǎn)期，污染物達(dá)標(biāo)時(shí)間低于給定的6min允許通風(fēng)時(shí)間時(shí)，當(dāng)采取單斜井排出式通風(fēng)模式時(shí)，需要保證風(fēng)機(jī)壓力不低于1.7kPa，總風(fēng)量不低于323m3/s，此時(shí)斜井的較優(yōu)位置大致位于距離入口2Ltu/3處。

圖6 達(dá)標(biāo)時(shí)間變化曲線

3 結(jié)論

本文建立了一維非恒定不可壓縮管內(nèi)流動(dòng)模型和具有運(yùn)動(dòng)污染源一維非穩(wěn)定流模型，利用數(shù)值計(jì)算的方法分別對(duì)隧道單斜井送排風(fēng)式模式，不同斜井位置、列車速度下的通風(fēng)效果進(jìn)行分析，得出結(jié)論如下：

（1）該隧道采用單斜井送入式通風(fēng)時(shí)排風(fēng)距離較長，單斜井排出式通風(fēng)為更加合理的通風(fēng)方式。要保證風(fēng)機(jī)壓力不低于1.7kPa，總風(fēng)量不低于323m3/s，此時(shí)斜井的較優(yōu)位置大致位于距離入口2Ltu/3處。

（2）列車速度是否受污染物達(dá)標(biāo)時(shí)間影響受制于斜井位置，當(dāng)斜井位于前2Ltu/3以內(nèi)時(shí)，行車速度不影響達(dá)標(biāo)時(shí)間，當(dāng)斜井位于后Ltu/3以內(nèi)時(shí)，列車速度越快，達(dá)標(biāo)時(shí)間越小。故必須通過具體行車情況，合理選取斜井位置。

[1] 何吉成.從數(shù)據(jù)看中國電氣化鐵路的發(fā)展進(jìn)程[J].上海鐵道科技,2011,(2):112-113.

[2] 孫三祥,張?jiān)葡?高海拔內(nèi)燃牽引鐵路隧道運(yùn)營通風(fēng)技術(shù)研究[M].北京:中國鐵道出版社,2015.

[3] 劉蓓.單線隧道內(nèi)有害氣體濃度控制標(biāo)準(zhǔn)分析[J].制冷與空調(diào),2007,(9):17-020.

[4] TB10068-2010,鐵路隧道運(yùn)營通風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國鐵道出版社,2010.

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[6] 馮煉.雙線鐵路隧道內(nèi)空氣污染濃度的數(shù)值模擬研究[J].成都:西南交通大學(xué)報(bào),1996.

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[8] 陶文銓.數(shù)值傳熱學(xué)[M].西安:西安交通大學(xué)出版社, 1988.

Numerical Study on Proper Ventilation Shaft Location of Certain Diesel Traction Railway Tunnel

Zhang Luole Feng Lian Yuan Zhongyuan

( School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu, 610031 )

This paper takesa domestic diesel traction railway tunnel as the researching object, the one-dimensional unsteady incompressible tube flow model and the one-dimensional unsteady model with running population sources are established. By using numerical calculation method, the single inclined shaft air-suppling and the air-exhausting ventilation method are simulated, the paper finally determined the appropriate shaft position by simulating different shaft position and train speed and provides reference for practical engineering.

Railway Tunnel; Operation Ventilation; Numerical Calculation; Inclined Shaft

1671-6612（2017）05-533-04

U453.5

A

建筑環(huán)境與能源高效利用四川省青年科技創(chuàng)新研究團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目（2015TD0015）

張羅樂（1991-），男，在讀研究生碩士，E-mail：1506158113@qq.com

馮 煉（1964-），女，博士，教授，E-mail：lancyfeng90@163.com

2016-12-26