孫三祥，王 文，路仕洋，李 炎,3，雷鵬帥

(1.蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，甘肅蘭州 730070； 2.蘭州交通大學(xué)寒旱地區(qū)水資源綜合利用教育部工程研究中心，甘肅蘭州 730070； 3.蘭州交通大學(xué)甘肅省軌道交通力學(xué)應(yīng)用工程實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州 730070； 4.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西西安 710043)

隧道施工出渣過(guò)程中，自卸車排氣管安裝位置對(duì)CO濃度沿程分布影響較大。自卸車尾氣管安裝位置主要有3種：陜汽德龍尾氣管位于駕駛室后部的車體側(cè)部，尾氣管向側(cè)部排污；東風(fēng)某車型排污管安裝于車體底部，尾氣管向下方排污；與皮卡及礦用膠輪車類似的某些車型，其尾氣管則安裝于車體尾部，尾氣管向后方排污。分析自卸車行駛過(guò)程中不同安裝位置尾氣管CO濃度的擴(kuò)散特性，可為定量分析自卸車尾氣排放對(duì)隧道施工環(huán)境的影響、確定施工通風(fēng)方案提供技術(shù)依據(jù)，同時(shí)可為出渣車車型的選用、出渣路線及人員避車位置的確定提供技術(shù)參數(shù)。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)隧道車輛運(yùn)移的研究多以活塞風(fēng)效應(yīng)為主進(jìn)行數(shù)值模擬[1-6]，且大多都采用二維動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)[4-7]，自卸車沿途排污的研究[8-9]較少。

針對(duì)爆破后高海拔隧道內(nèi)CO濃度場(chǎng)的模擬，文獻(xiàn)[10]采用k-ε湍流模型，運(yùn)用Fluent軟件模擬關(guān)角隧道施工爆破后有害氣體濃度場(chǎng)，得到有害氣體濃度與海拔的關(guān)系式。文獻(xiàn)[11-12]選用RNGk-ε湍流模型，基于動(dòng)網(wǎng)格及用戶自定義函數(shù)(UDF)模擬分析高海拔隧道出渣車的CO排放擴(kuò)散規(guī)律。

針對(duì)出渣階段隧道內(nèi)CO濃度場(chǎng)的模擬，文獻(xiàn)[13]采用RNGk-ε湍流模型、組分傳輸模型、Fluent軟件模擬平原地區(qū)(海拔小于396 m)隧道CO濃度場(chǎng)，提出連續(xù)安全作業(yè)時(shí)間的建議值。

針對(duì)平原地區(qū)隧道爆破后CO擴(kuò)散規(guī)律的模擬研究，采用的軟件主要有Fluent[14-15]、ADINA[16]、STAR-CD[17]，選用的模型有標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程模型[14]、RNGk-ε模型[15-16]、高雷諾數(shù)k-ε模型[17]。

隧道內(nèi)自卸車運(yùn)移時(shí)CO沿程排放和分布情況較復(fù)雜，采用三維動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)模擬更接近現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際。本文運(yùn)用Fluent軟件、RNGk-ε湍流模型、動(dòng)網(wǎng)格及UDF技術(shù)，采用通用有限速率模型模擬CO與空氣的耦合作用，考慮高海拔低氣壓和空氣密度的影響，針對(duì)高海拔隧道施工出渣過(guò)程中自卸車3種不同位置排氣管CO排放，進(jìn)行速度場(chǎng)、CO濃度場(chǎng)非穩(wěn)態(tài)三維數(shù)值模擬。同時(shí)，提出多輛作業(yè)車在隧道內(nèi)沿途排污濃度累積計(jì)算式，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證模擬結(jié)果。

1 基本模型的建立

1.1 物理模型

基于某在建高海拔單洞單線特長(zhǎng)隧道施工實(shí)際建立三維模型。模擬中將自卸車車體簡(jiǎn)化為距隧道底面0.6 m、尺寸為8 m×2.5 m×3 m(長(zhǎng)×寬×高)的長(zhǎng)方體，取尾氣管管口直徑為0.08 m，尾氣管出口位置分別為：(1)位于車體左側(cè)，距隧道底面0.8 m，距車頭3 m；(2)位于車體底部，距隧道底面0.4 m，距車頭4 m，距車體中心線1 m；(3)位于車體尾部，距隧道底面0.4 m，距車體中心線1 m。自卸車在行駛過(guò)程中尾氣的排放模擬采用動(dòng)網(wǎng)格，其余空間采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，并對(duì)自卸車尾氣管附近、車體周圍及前后網(wǎng)格進(jìn)行局部加密，如圖1所示。

圖1 網(wǎng)格透視圖

1.2 數(shù)學(xué)模型1.2.1 基本假設(shè)

(1)隧道內(nèi)氣流均為不可壓流體。

(2)氣流擴(kuò)散過(guò)程中沒(méi)有化學(xué)反應(yīng)、相變反應(yīng)，隧道壁面為絕熱壁面。

(3)隧道內(nèi)除自卸車排放的污染物，無(wú)其他污染源。

1.2.2 基本方程

選取RNGk-ε湍流模型使方程組封閉。隧道內(nèi)空氣流動(dòng)、污染物擴(kuò)散控制方程包括連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程、k-ε模型方程、CO組分方程。

1.2.3 邊界條件

以隧道進(jìn)口斷面、自卸車排氣管為入口邊界，隧道自卸車及隧道壁面設(shè)為wall邊界。具體設(shè)置如下：

(1)入口邊界：根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料，隧道風(fēng)速v洞=0.3 m/s，溫度T=290 K，不考慮掌子面作業(yè)機(jī)械的排污影響；尾氣管出口處CO濃度為0.042 7%，溫度為600 K。將自卸車尾氣設(shè)置為空氣與CO混合氣體，CO排放比按0.042 7%計(jì)算。

(2)出口邊界：設(shè)為自由出流(outflow)邊界條件。

(3)壁面邊界：隧道壁面設(shè)為絕熱無(wú)滑移壁面。

2 動(dòng)網(wǎng)格模型的建立

2.1 動(dòng)網(wǎng)格計(jì)算模型

對(duì)于通量φ，在任一控制體內(nèi)，其邊界是運(yùn)動(dòng)的，守恒方程的通式為

( 1 )

式中：ρ為氣流密度；u為速度矢量；us為動(dòng)網(wǎng)格變形速率；Γ為擴(kuò)散系數(shù)；Sφ為通量的源項(xiàng)；?V為控制體邊界。

2.2 程序的二次開發(fā)

采用Fluent軟件建立動(dòng)網(wǎng)格模型。將隧道流場(chǎng)分為運(yùn)動(dòng)的自卸車區(qū)域和不動(dòng)流體區(qū)域，自卸車車體表面設(shè)置為固體邊界wall?；贔luent軟件提供的DEFINE_CG_MOTION宏，用C語(yǔ)言編譯自卸車運(yùn)動(dòng)的UDF。車輛勻速運(yùn)行，速度v=5 m/s，總運(yùn)移時(shí)間t=16 s。

2.3 數(shù)值算法

速度場(chǎng)模擬選取RNGk-ε湍流模型，采用組分模型中的通用有限速率模型模擬CO與空氣的耦合作用，流場(chǎng)迭代采用PISO算法，壓力場(chǎng)采用標(biāo)準(zhǔn)方式離散，其他參數(shù)采用二階迎風(fēng)格式離散。選用局部重劃模型和彈簧近似光滑模型模擬網(wǎng)格的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為0.005 s。

2.4 結(jié)果驗(yàn)證

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)期間，隧道正洞內(nèi)大氣壓為70.7～71.5 kPa，氣溫為13.8～18.5 ℃，自卸車為陜汽德隆F3000型。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，分別在距棧橋50，100，150 m的斷面布置測(cè)點(diǎn)，標(biāo)記為測(cè)點(diǎn)1，2，3。各測(cè)點(diǎn)距出渣車右側(cè)隧道壁面1.2 m，距隧道底面1.5 m。使用CD4(B)型多參數(shù)氣體測(cè)定器檢測(cè)CO濃度，數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔為15 s。測(cè)點(diǎn)CO濃度隨時(shí)間變化的實(shí)測(cè)值及模擬值如圖2所示。

圖2 測(cè)點(diǎn)CO濃度變化曲線

鑒于模擬及實(shí)測(cè)結(jié)果吻合度較好，相對(duì)誤差小于5%，圖2僅列出了CO濃度最大變幅模擬結(jié)果。由圖2的放大部分可以看出，出渣車通過(guò)測(cè)點(diǎn)1時(shí)，CO濃度最大變幅為0.000 7‰。CO濃度從0.290 5‰上升至0.291 2‰(歷時(shí)8 s)，隨后開始回落，回落過(guò)程較長(zhǎng)。

驗(yàn)證結(jié)果表明，運(yùn)用Fluent軟件的動(dòng)網(wǎng)格UDF技術(shù)，能有效揭示出渣車行駛過(guò)程中CO排放及分布規(guī)律。

3 模擬結(jié)果及分析

根據(jù)Fluent模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行后處理，得到的出渣車行駛過(guò)程中隧道內(nèi)速度場(chǎng)三維等值面如圖3所示。

圖3 三維流速等值面(單位：m/s)

圖3表明，自卸車行駛過(guò)程中，車輛側(cè)壁及尾部流速變化較大，其中尾部速度變化最大。

以距離隧道底面1.5 m的隧道中線點(diǎn)縱向速度分布(圖4)及隧道環(huán)隙橫向速度分布(圖5)為例，比較動(dòng)網(wǎng)格及相對(duì)運(yùn)動(dòng)(車輛靜止，氣流運(yùn)動(dòng))兩種方法的計(jì)算精度。

圖4 縱向速度分布

圖5 環(huán)隙橫向速度分布

圖4表明，在車尾后部渦流區(qū)，采用動(dòng)網(wǎng)格所得渦流區(qū)流速值較大，兩種方法所得車頭前方流速基本相等。

圖5表明，靠近隧道壁面?zhèn)?，兩種方法所得環(huán)隙速度差別較大。采用相對(duì)運(yùn)動(dòng)方法所得壁面?zhèn)茸畲笏俣鹊扔谲囕v行駛速度，與實(shí)際不符，而采用動(dòng)網(wǎng)格算法時(shí)，壁面?zhèn)茸畲笏俣葹?，符合實(shí)際。因此，采用動(dòng)網(wǎng)格進(jìn)行模擬。

以距隧道底面1.5 m為例，比較排氣管位置對(duì)隧道CO濃度分布的影響，如圖6所示。

(a)側(cè)部排氣管

(b)底部排氣管

(c)尾部排氣管圖6 水平截面CO濃度云圖

圖6表明，距隧道底面1.5 m平面，側(cè)部排氣管CO最高濃度約為1.6×10-5，底部尾氣管排污最高濃度約為1.0×10-5，尾部排氣管排污最高濃度約為1.2×10-5。側(cè)部排氣管排出的CO主要集中于車輛排氣管側(cè)部，底部與尾部排氣管排出的CO分布較均勻。

三種排氣管出口中心軸線平面的CO濃度分布如圖7所示。

圖7 不同排氣管布置形式的CO濃度分布

文獻(xiàn)[18]規(guī)定，隧道施工環(huán)境的CO容許濃度為30 mg/m3。模擬結(jié)果表明，不同車速行駛過(guò)程中，CO濃度高于30 mg/m3的區(qū)域均極小，且均集中于排氣管附近，如圖8所示。側(cè)部排氣管超標(biāo)濃度主要集中在排污一側(cè)排氣管高度范圍，非排污側(cè)CO濃度低，作業(yè)環(huán)境較好；底部排氣管超標(biāo)濃度主要集中于車體底部；尾部排氣管中超標(biāo)濃度主要集中于車體尾部，受尾部氣流影響，擴(kuò)散高度在較長(zhǎng)一段距離內(nèi)均低于車體高度。比較圖7(a)～圖7(c)可以看出，圖7(a)CO擴(kuò)散效果最好，CO在脫離環(huán)隙流區(qū)域后迅速擴(kuò)散；圖7(b)CO濃度超界限區(qū)域最大，擴(kuò)散效果最差；圖7(c)CO濃度超界限區(qū)域最小。

以尾部排氣管為例，分別截取車尾排氣管附近間距為1 m的5個(gè)斷面CO濃度分布圖，如圖8所示。

圖8 尾部排氣管斷面CO濃度分布

圖8表明，排氣管軸線CO濃度沿程逐漸減小，而垂直軸線的截面上CO濃度沿徑向逐漸減小，受車體運(yùn)動(dòng)的影響，未呈現(xiàn)出常規(guī)浮射流特性，即與車體不運(yùn)動(dòng)情況下浮射流濃度分布的特征不同。

在自卸車行駛速度、排氣管位置相同工況下，分別模擬平導(dǎo)(小斷面)及正洞(大斷面)內(nèi)CO濃度沿途分布。以側(cè)部排氣管，距隧道底面1.5 m水平截面的CO濃度分布為例，對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行比較分析，如圖9所示。

(a)小斷面隧道

(b)大斷面隧道圖9 不同斷面隧道CO濃度分布

圖9模擬結(jié)果表明，在人體呼吸高度，小斷面隧道(平導(dǎo))最高濃度約為1.6×10-5，大于大斷面隧道(正洞)的最高濃度(約為1.2×10-5)，擴(kuò)散分布范圍廣。人體呼吸高度CO濃度未超標(biāo)。相同車型、相同行駛速度條件下，隧道斷面越大，CO擴(kuò)散越快。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際中，自卸車出隧道(滿載行駛)時(shí)，其排污量較自卸車進(jìn)隧道(空車行駛)時(shí)大。故建議安排自卸車出渣線路時(shí)，盡量將大斷面隧道作為出隧道線路，小斷面隧道作為入隧道線路。

CO自排氣管排出后，以縱向擴(kuò)散為主，橫向和豎向擴(kuò)散較小。

排氣管軸線CO濃度分布如圖10所示。比較三種排氣管位置，側(cè)部排氣管沿途CO排放擴(kuò)散效果最好，尾部排氣管沿途CO排放擴(kuò)散效果次之，底部排氣管沿途CO排放擴(kuò)散效果最差。主要是較大的環(huán)隙氣流流速、尾部排氣形成的大范圍尾渦(流)的影響。

(a)側(cè)部排氣管

(b)底部排氣管

(c)尾部排氣管圖10 CO沿排氣管軸線濃度分布

綜合考慮人員避險(xiǎn)、路況等因素，建議首選排氣管位于側(cè)部的自卸車作為出渣作業(yè)車輛。

研究單臺(tái)自卸車CO排放和擴(kuò)散時(shí)，由于斷面平均濃度不能體現(xiàn)車輛的動(dòng)態(tài)排污及尾渦對(duì)擴(kuò)散的影響，CO濃度不宜取斷面平均值。

根據(jù)模擬結(jié)果，對(duì)CO濃度沿程變化進(jìn)行擬合，擬合式為

C=C0exp(a+bx+cx2)

( 2 )

式中：C0為自卸車尾氣管出口排放CO的濃度；C為沿程CO體積濃度，10-6；x為軸線方向距離，m。

由式( 1 )可以看出，排氣管軸線方向CO濃度擴(kuò)散符合e指數(shù)規(guī)律。不同排氣管位置的擬合參數(shù)見表1。

表1 擬合參數(shù)

4 CO濃度沿程變化理論分析

隧道施工環(huán)境CO濃度超標(biāo)主要是作業(yè)車輛排污累積的結(jié)果。根據(jù)一維紊動(dòng)擴(kuò)散理論，前、后自卸車輛排污濃度沿程變化可采用類推法獲得，如圖11所示。

圖11 CO濃度沿程分布示意圖

( 3 )

( 4 )

( 5 )

ln-1=vc×tn-1n=2，3，4，…

( 6 )

( 7 )

( 8 )

( 9 )

(10)

式中：C1為隧道百米排污平均濃度；q為尾氣排放體積；d為排氣管徑；v0為尾氣管出口平均排污速度；t0為初始時(shí)間；Q為通風(fēng)管風(fēng)量；S為隧道斷面面積。

隧道CO濃度為基底濃度與自卸車排放CO濃度之和。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際中沿程CO濃度檢測(cè)結(jié)果的影響因素較多，如測(cè)量車行駛速度不穩(wěn)定、沿程橫通道的開設(shè)、射流風(fēng)機(jī)的布置等。故在實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中選取較穩(wěn)定的區(qū)段值(300 s后的區(qū)段)進(jìn)行比較。在距隧道底面1.5 m、隧道壁面1.2 m處沿程放置CD4(B)型多參數(shù)氣體測(cè)定器。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)期間，隧道正洞內(nèi)氣溫為13.8～18.5 ℃，大氣壓為70.7～71.5 kPa，CO濃度檢測(cè)結(jié)果如圖12所示。由圖12可以看出，300 s之后CO濃度值呈階梯狀上分布，與式( 3 )～式( 6 )表述一致。

圖12 隧道內(nèi)CO濃度沿程分布

5 結(jié)論

(1)基于三維非穩(wěn)態(tài)RNGk-ε湍流模型，考慮大氣壓和浮力的影響，采用動(dòng)網(wǎng)格方法模擬自卸車行駛過(guò)程中CO沿途排放擴(kuò)散，結(jié)果與實(shí)際相符。

(2)在相同行駛工況下斷面面積越大的隧道自卸車尾氣沿途擴(kuò)散速度越快，隧道內(nèi)CO濃度越低。故建議安排自卸車出渣線路時(shí)，盡量將大斷面隧道作為出隧道線路，小斷面隧道作為入隧道線路。

(3)自卸車通過(guò)后，在活塞風(fēng)及環(huán)隙流的作用下，頂部氣流向隧道底部流動(dòng)，使得CO濃度聚集在低于車體高度的較長(zhǎng)區(qū)段內(nèi)。CO擴(kuò)散過(guò)程中，高于30 mg/m3(2.4×10-5)的區(qū)域較小，且均集中于排氣管附近。側(cè)部排氣管排放過(guò)程中超標(biāo)濃度主要集中在車體排污側(cè)的排氣管高度范圍。

(4)自卸車運(yùn)行過(guò)程中，排氣管主軸線CO稀釋擴(kuò)散過(guò)程遵循e指數(shù)規(guī)律。三種排氣管中，側(cè)部排氣管CO擴(kuò)散效果最好，尾部排氣管CO擴(kuò)散效果次之，底部排氣管CO擴(kuò)散效果最差。綜合考慮人員避險(xiǎn)、路況等因素，建議首選排氣管位于側(cè)部的自卸車作為出渣作業(yè)車輛。

(5)施工過(guò)程中CO超標(biāo)是前后自卸車CO濃度累積作用的結(jié)果。單洞隧道CO累積濃度沿程呈階梯狀上升，且高濃度區(qū)段長(zhǎng)度逐漸增大。隧道沿程累積濃度預(yù)測(cè)公式可為現(xiàn)場(chǎng)CO濃度計(jì)算提供依據(jù)。