張大鵬，隋子峰，伍永福，駱建軍

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2.北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，北京 100044)

我國(guó)地形地貌復(fù)雜，鐵路運(yùn)輸時(shí)常需要穿越隧道，在穿越隧道時(shí)由于隧道風(fēng)等因素，導(dǎo)致煤炭顆粒散落，不僅造成不可忽視的資源浪費(fèi)，同時(shí)也會(huì)滋生環(huán)境問(wèn)題.國(guó)內(nèi)外有關(guān)抑制揚(yáng)塵的技術(shù)規(guī)范和環(huán)保要求的相關(guān)文獻(xiàn)比較多，對(duì)重載鐵路運(yùn)煤列車抑制揚(yáng)塵的問(wèn)題，主要集中在怎樣使煤塵抑制劑噴灑在煤層表面，形成合適厚度的固化煤層.而有關(guān)高速運(yùn)動(dòng)過(guò)程中活塞風(fēng)效應(yīng)條件下如何抑制煤灰揚(yáng)塵規(guī)律的研究鮮見報(bào)道.在相關(guān)領(lǐng)域研究方面，胡澤源等[1-3]通過(guò)對(duì)地鐵站內(nèi)及隧道污染顆粒及流場(chǎng)模擬，表明了地鐵環(huán)境中主要污染物顆粒的分布，以及各種情況下的流場(chǎng)變化特點(diǎn)和氣流速度變化特點(diǎn).賈惠艷等[4-6]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、仿真實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬、理論分析等方法對(duì)皮帶輸煤時(shí)的煤粉逸散、分布特點(diǎn)進(jìn)行了研究，為皮帶輸煤的污染機(jī)理、除塵參數(shù)、污染治理提供了理論依據(jù).Luo等[7]對(duì)高速列車進(jìn)入隧道進(jìn)口段的氣動(dòng)效應(yīng)進(jìn)行了相關(guān)研究，并添加了穿越通道進(jìn)行分析.馬明星等[8]通過(guò)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)及相似模擬實(shí)驗(yàn)，搭建露天煤場(chǎng)煤粉揚(yáng)塵實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)不同粒徑的煤粉顆粒起塵規(guī)律和起塵條件進(jìn)行研究，結(jié)果表明起塵量會(huì)隨著煤粉顆粒的增大呈先增大后減小的規(guī)律.董婷婷[9]通過(guò)對(duì)高速列車隧道氣動(dòng)性能進(jìn)行分析，得出列車進(jìn)入隧道群時(shí)的流場(chǎng)變化特點(diǎn).張瑤等[10-14]通過(guò)對(duì)各類機(jī)動(dòng)車揚(yáng)塵的研究，對(duì)機(jī)動(dòng)車道路揚(yáng)塵形成機(jī)理和污染防治提供了理論基礎(chǔ).鄧隆等[15-17]則對(duì)不同隧道入口形狀緩沖段結(jié)構(gòu)及隧道截面形狀的動(dòng)力特性、氣動(dòng)參數(shù)等方面進(jìn)行了研究.

但目前模擬大部分是實(shí)體簡(jiǎn)化，極少考慮輸煤車廂煤粉顆粒的情況，并且鮮有行進(jìn)中的重載列車與顆粒物的運(yùn)動(dòng)特性中特別是進(jìn)出隧道過(guò)程的相關(guān)研究.從輸煤車廂入手，利用計(jì)算流體力學(xué)方法，對(duì)車廂上層煤粉進(jìn)行顆粒軌跡分析，并對(duì)煤粉的顆粒分布情況與流場(chǎng)以及列車速度的關(guān)系進(jìn)行研究，以期對(duì)后續(xù)的煤粉顆粒抑制研究提供理論基礎(chǔ).

1 數(shù)值模擬

使用的隧道原型為內(nèi)蒙古鄂爾多斯市某單線輸煤隧道，使用該隧道口相關(guān)參數(shù)，隧道頂部為橢圓形，輸煤列車使用C70敞車的相關(guān)參數(shù)，并對(duì)輸煤列車整體進(jìn)行了合理簡(jiǎn)化，僅保留車頭及第一節(jié)C70敞車車廂，為研究煤粉顆粒并減少相應(yīng)計(jì)算量，車廂模型建模時(shí)在頂層預(yù)留距離車頂20 cm的空隙，假設(shè)此高度為該C70車廂裝載煤粉的高度，并研究車廂在行進(jìn)中該層面上煤粉顆粒的運(yùn)動(dòng)及分布情況.

物理模型為三維模型，使用ANSYS集成SpaceClaim建模，ICEM繪制網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量1 262 888個(gè).隧道墻壁和列車設(shè)置為墻體，其余部分為空氣區(qū)，特別的將C70車廂頂部面單獨(dú)設(shè)定，設(shè)定煤粉顆粒在粒徑0.1 mm至50 mm區(qū)間在該面進(jìn)行生成，并記錄顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡.空氣域采用理想氣體，設(shè)定重力加速度并進(jìn)行瞬態(tài)計(jì)算，計(jì)算方式采用二次非線性RNCk-ε方程.

列車的運(yùn)動(dòng)使用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，共設(shè)定了80，100，120 km/h 3個(gè)速度進(jìn)行對(duì)比分析，共設(shè)置了5個(gè)對(duì)比位置，對(duì)速度矢量場(chǎng)、顆粒質(zhì)量濃度進(jìn)行對(duì)比分析，5處對(duì)比位置如下圖1所示.

圖1 列車進(jìn)入隧道對(duì)比位置

2 結(jié)果分析

2.1 速度矢量場(chǎng)分析

列車在100 km/h運(yùn)動(dòng)下速度矢量場(chǎng)如圖2所示，由圖可以看出，在整個(gè)進(jìn)入隧道過(guò)程中列車連接處和尾部均有旋流產(chǎn)生，此外從列車進(jìn)入隧道開始，隧道口上方也形成一個(gè)較大的旋流.通過(guò)圖像對(duì)比可知，列車在車頭進(jìn)入隧道至列車完全進(jìn)入隧道過(guò)程中，產(chǎn)生了較大的隧道風(fēng)，該隧道風(fēng)強(qiáng)度會(huì)在列車進(jìn)入隧道的過(guò)程中不斷衰減.

圖3為列車輸煤車廂在進(jìn)入隧道時(shí)，空氣速度場(chǎng)與煤粉顆粒的運(yùn)動(dòng)關(guān)系.由圖可以看到，列車進(jìn)入隧道時(shí)將隧道內(nèi)空氣以隧道風(fēng)的形式較快擠壓出隧道，但列車與向隧道外流動(dòng)的隧道風(fēng)之間還存在較多小的旋流，這些小旋流會(huì)將敞車內(nèi)的小粒徑煤粉揚(yáng)起并向車廂后側(cè)聚集.圖中細(xì)小顆粒為煤粉顆粒，可以看出其向列車運(yùn)行后方飄散.

圖2 速度矢量場(chǎng)

圖3 速度矢量圖及煤粉顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡

圖4為80，100及120 km/h的位置3速度矢量圖對(duì)比，通過(guò)對(duì)比可以看出隨著列車運(yùn)行速度的增大，隧道風(fēng)速度增大的同時(shí)，其與列車車頂?shù)木嚯x更近，并且列車與隧道風(fēng)之間的旋流變得更加顯著.

圖4 位置3速度矢量對(duì)比圖

2.2 顆粒質(zhì)量濃度

以列車運(yùn)行速度100 km/h為例，共設(shè)定了列車中心豎直面和高于列車上沿10 cm處的水平面2處進(jìn)行顆粒質(zhì)量濃度分析，如圖5所示，左側(cè)為列車中心豎直面顆粒質(zhì)量濃度，右側(cè)為水平方向顆粒質(zhì)量濃度，由上至下分別為位置1至位置5.由圖分析可知，列車在進(jìn)入隧道前的運(yùn)行中，幾乎不會(huì)產(chǎn)生大濃度的煤粉顆粒逃逸，但從列車車頭進(jìn)入隧道開始，由于隧道風(fēng)和旋流的產(chǎn)生，大量的煤粉被揚(yáng)起，并向后方移動(dòng)，煤粉所揚(yáng)起的高度也不斷增加，但煤粉幾乎不向兩側(cè)擴(kuò)散.由圖可以看出，隨著列車位置的不斷深入，在列車運(yùn)行方向的車廂1/4處會(huì)出現(xiàn)一片煤粉顆粒質(zhì)量高濃度區(qū)域，這是由于車頭與車輛連接處的空隙會(huì)產(chǎn)生一個(gè)較大的渦旋，該渦旋使該區(qū)域煤粉顆粒上揚(yáng)并形成了該處煤粉顆粒質(zhì)量高濃度區(qū).

圖5 不同位置的顆粒質(zhì)量濃度比較(列車速度100 km/h)

圖6為列車以不同運(yùn)行速度行駛至位置3處時(shí)的顆粒質(zhì)量濃度分布，由上至下的列車運(yùn)行速度分別為80，100和120 km/h.但在相同水平面高度的條件下，列車運(yùn)行速度越高，該水平面上的高濃度顆粒質(zhì)量濃度反而占比越小，這是由于隨著列車速度的增加，隧道風(fēng)速度相應(yīng)增加，導(dǎo)致隧道風(fēng)與車頂間的旋流速度同樣增大，過(guò)快的旋流速度將帶動(dòng)煤粉顆粒更快運(yùn)動(dòng)，反而無(wú)法形成較大的顆粒質(zhì)量密度.從顆粒質(zhì)量濃度場(chǎng)也可以看出，列車速度越大，產(chǎn)生的旋流個(gè)數(shù)會(huì)越多，由旋流造成的顆粒質(zhì)量濃度場(chǎng)分布變化越快，由車廂間隙引起的煤粉顆粒質(zhì)量高密度區(qū)也從車廂1/4處隨著列車運(yùn)行速度的增加不斷后移.

圖6 不同列車運(yùn)行速度在位置3的顆粒質(zhì)量濃度比較

根據(jù)前述的相關(guān)結(jié)果，為減少輸煤列車在進(jìn)入隧道時(shí)造成的煤粉損失，在以下方面提出建議：

(1)列車應(yīng)減速進(jìn)入隧道；

(2)可在敞車前后加裝防風(fēng)網(wǎng)以減少旋流的形成，并在一定程度上降低旋流帶走煤粉的數(shù)量.

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)速度為80，100以及120 km/h的輸煤列車進(jìn)入隧道的過(guò)程進(jìn)行分析，結(jié)合速度矢量場(chǎng)和顆粒質(zhì)量濃度場(chǎng)，對(duì)車廂內(nèi)煤粉顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡的模擬，得出如下結(jié)論：

(1)列車在相同運(yùn)行速度下進(jìn)入隧道，車廂上方隧道風(fēng)會(huì)不斷減弱，但車廂上方的顆粒質(zhì)量濃度在整個(gè)過(guò)程中是不斷增加的；

(2)在距離車廂頭部一定距離處會(huì)產(chǎn)生一個(gè)顆粒質(zhì)量高濃度區(qū)，并且該區(qū)域會(huì)隨著列車運(yùn)行速度的不斷增大逐漸后移，其余的顆粒質(zhì)量高濃度區(qū)域基本集中在尾部，煤粉顆粒并不向車廂兩側(cè)大規(guī)模擴(kuò)散，而是隨著旋流向隧道口移動(dòng)；

(3)顆粒的運(yùn)動(dòng)機(jī)理為通過(guò)列車進(jìn)入隧道時(shí)產(chǎn)生的隧道風(fēng)與列車車頂形成旋流，將表層小粒徑煤粉抬升后不斷向后方運(yùn)送.