提前通風對某單線鐵路隧道全射流通風效果的影響

蔣 堯 馮 煉

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提前通風對某單線鐵路隧道全射流通風效果的影響

蔣 堯 馮 煉

（西南交通大學機械工程學院 成都 610031）

針對全射流通風方式應用于特長隧道運營通風的問題，以某內燃牽引特長鐵路隧道為研究對象，建立帶移動污染源的一維非恒定對流擴散模型，通過數值計算方法，分析了正常通風和提前通風的效果以及車速對提前通風的影響。結果表明：與正常通風相比，提前通風可以增加通風時間，能夠在規定的時間內使隧道內氮氧化物濃度達標；隨著車速的增加，通風的效果會不斷降低，當車速超過一定值后，提前通風不能滿足要求。

隧道通風；全射流；提前通風；數值計算

0 引言

隨著我國鐵路建設水平的不斷進步，國內鐵路建設進入了新的時期，建設技術和標準也不斷地向國外輸出。雖然我國早已實現鐵路電氣化，但因為地理環境、線路用途、建設成本等原因，一些新建線路仍然采用內燃牽引，如拉日鐵路[3]、樂清灣港區鐵路等；而且在一些落后的發展中國家，因為能源供應等原因，內燃機車將會作為主要的牽引動力；可以預見在未來仍將繼續建設和使用內燃牽引鐵路線線路。

內燃機車通過隧道時會產生氮氧化物等有害氣體，如果不把這些有害物及時排出隧道，將會危害隧道維護人員和乘客的健康，甚至危及隧道的安全運營[1]，所以設置合理的通風系統顯得尤為重要。隧道全射流縱向通風方式具有土建造價小，運行平穩，管理維護方便等優點，從上世紀90年代開始在我國鐵路隧道中廣泛應用[2]。但由于對風速和裝機功率的限制等原因，使得全射流通風在長隧道中的應用受到了限制。本文將利用數值模擬的方法，對比提前通風與正常通風，研究提前通風對通風效果的影響，探討全射流通風方式應用于特長隧道的可行性。

1 隧道通風數值計算方法

隧道內空氣的流動實際上是三維、非恒定的紊流；隧道截面尺寸遠遠小于隧道長度，故可以簡化為一維流動；且空氣的流速較低，故可以視為不可壓縮流體；所以隧道內空氣流動用一維非恒定不可壓縮的管內紊流模型來描述[4]。

隧道內空氣的流動滿足質量守恒和能量守恒，根據一維管內流動的連續性方程和非恒定流的伯努利方程可以得出列車處于隧道各個位置處時，隧道風速的微分方程。確定了隧道內的初始化風速，利用變步長的龍格-庫塔方法可以求得各個時刻隧道內的風速值[5]。

隧道內污染物濃度分布規律可以用移動污染源一維非穩態對流擴散模型來描述[4]。利用有限體積法求解隧道內污染物分布，將隧道劃分為n個一維網格，忽略擴散作用的影響，可以得出網格污染物濃度的迭代方程，給定各網格的初始濃度，即可算得任一時刻的濃度[5]。

2 提前通風與正常通風對比分析

根據射流風機開啟時刻的不同，可以將全射流通風方式分為正常通風和提前通風。正常通風時，在列車車尾出隧道后開啟風機進行通風；提前通風時，列車車尾進入隧道后就開啟風機進行通風。與正常通風相比，提前開啟風機進行通風，增加了風機的運行時間，影響著隧道內風速和濃度分布，從而影響著全射流通風的效果。

為了比較提前通風與正常通風的異同，以某單線重載鐵路上的特長隧道為例，分別模擬計算正常通風和提前通風時的風速變化和濃度分布。計算參數如表1所示。

表1 計算參數表

圖1 隧道內風速變化情況

圖1為隧道內風速隨時間的變化圖。從圖中可以看出，0～162s為列車進洞過程，風速內風速快速增大。162～870s為洞內運行階段，風速保持在最大值；正常通風時的最大值為8.60m/s；提前通風時于162s開啟了風機，在列車和風機共同作用下最大值達到了10.42m/s。870～1032s為列車出洞過程；正常通風時風速快速降低，于1032s開啟風機后風速又迅速增大，并保持7.59m/s；提前通風時，隨著列車駛出隧道，風速逐漸降低至7.59m/s。1932s關閉風機后，在自然風壓的作用下，風速又逐漸回落到自然風速。

圖1中的風速曲線與橫軸（時間軸）所圍成封閉區域的面積乘以隧道截面積等于整個過程中從隧道進口引入的新鮮空氣量。可以看出提前通風時封閉區域的面積比正常通風時的面積大，說明提前通風時引入隧道內的新鮮空氣量更多。

圖2為車尾出隧道后隧道內氮氧化物的濃度分布圖。從圖中可以看出，正常通風時，車尾出洞后氮氧化物濃度超標（濃度大于10mg/m3）的隧道段位于6922～15225m；提前通風時，濃度超標的隧道段位于8543～15225m；說明提前開啟射流風機可以縮短車尾出洞后濃度超標的隧道段的長度。車尾出洞后濃度超標的隧道段的長度越短，列車出洞后15min內需要的通風量越小。

圖2 車尾出洞后隧道內濃度分布

圖3 通風結束時刻隧道內濃度分布

圖3為通風結束時刻隧道內氮氧化物濃度分布。從圖中可以看出，開啟58臺射流風機正常通風時，通風結束時刻（車尾出洞15min后）位于13484～15225m的隧道段內氮氧化物濃度未達標，正常通風不能滿足本隧道的通風要求；而開啟58臺風機提前通風時，通風結束時刻整個隧道的濃度均達標，提前通風能夠滿足通風要求。

由以上分析可知，提前通風可以增加從隧道入口引入的新鮮空氣量，縮短列車出洞后濃度超標的隧道段的長度，能夠在規定的時間內使氮氧化物濃度達標。就本隧道而言，車尾進洞后開啟58臺射流風機進行提前通風，能夠在列車出洞15min內將氮氧化物濃度降至衛生標準以下。

3 不同車速下的通風效果

列車的速度會影響活塞風的大小，從而影響氮氧化物的隨空氣的流動擴散。根據研究資料可知，正常通風時，車速越快對通風越有利。本節將分析不同車速下提前通風的效果。在其他參數保持不變的條件下，模擬計算列車速度分別為40、63、80km/h時的速度及濃度分布。

圖4 不同車速時隧道內風速變化情況

圖4為隧道內風速隨時間的變化圖。圖中風速曲線與時間軸（橫軸）所圍成封閉區域的面積乘以隧道截面積等于整個過程中從隧道進口引入的新鮮空氣量。從圖中可以看出，車速越大，封閉區域的面積越小，從隧道進口引入的新鮮空氣量也越少。

圖5 不同車速時車尾出洞后濃度分布

圖5為車尾出洞后整個隧道內氮氧化物濃度分布圖。由圖中可以看出，車速分別為40、63、80km/h時，濃度超標的隧道段分別位于10720～15225m、8540～15225m、7960～15225m，長度依次為4505、6685、7265m；這表明車速越大，車尾出動后濃度超標的隧道段長度越長。

圖6 不同車速時通風結束時刻濃度分布

圖6為通風結束時刻的濃度分布圖。從圖中可以看出，車速為40和63km/h時，整個隧道的濃度已經達標；車速為80km/h時，位于14685～15225m的隧道段的濃度依然超標。這說明當車速超過一定值后，提前通風不能滿足要求。

由以上分析可知，不同車速條件下提前通風的效果不同，隨著車速的增大，通風時間逐漸減少，從隧道進口引入的新鮮空氣量逐漸減少，通風效果會不斷降低，當車速超過一定值后，提前通風不能滿足要求。

4 結論

本文通過數值模擬方法，對比分析了不同風機運行模式下全射流通風的效果，并分析了車速對提前通風的影響，主要得出以下結論：

（1）與正常通風相比，提前通風可以增加從隧道入口引入的新鮮空氣量，縮短列車出洞后濃度超標的隧道段長度，可以在提高通風效果。就本特長隧道而言，車尾進洞后開啟58臺射流風機進行提前通風，能夠在列車出洞15min內將氮氧化物濃度降低至衛生標準以下。

（2）不同車速條件下提前通風的效果不同；隨著車速的增大，通風時間不斷減少，通風效果也不斷降低，當車速超過一定值后，提前通風不能夠滿足要求。

[1] 金學易,陳文英.隧道通風及隧道空氣動力學[M].北京:中國鐵道出版社,1983.

[2] 李茂淦.單線鐵路隧道射流通風的研究:焦柳線牙已隧道射流通風研究試驗結果[J].鐵道建筑,1995(2):2-6.

[3] 孫三祥,張云霞.高海拔內燃牽引鐵路隧道運營通風技術研究[M].北京:中國鐵道出版社,2015.

[4] 馮煉.雙線鐵路隧道內空氣污染濃度的數值模擬研究[J].成都:西南交通大學報,1996,31(5):521-525.

[5] 孫震平.單線鐵路遂道通風控制方法研究[D].成都:西南交通大學,2001.

[6] TB10003-2005,鐵路隧道設計規范[S].北京:中國鐵道出版社,2005.

[7] 苗妤,馮煉,袁艷平.某市域線地下隧道通風設置優化研究[J].制冷與空調,2016,30(4):472-475.

[8] 李人憲.有限體積法基礎[M].北京:國防工業出版社,2008.

[9] 邢利英,曹邦卿.射流增壓通風系統流場特性分析[J].制冷與空調,2008,22(4):102-105.

The Influence of Advance Ventilation on the Jet Ventilation Effect of a Single Track Railway Tunnel

Jiang Yao Feng Lian

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

In order to solve the problem that full jet ventilation mode is applied to the tunnel operation ventilation, this paper takes a certain internal combustion traction extra-long railway tunnel as the researching object, establishes an one-dimensional unsteady convection diffusion model with mobile pollution sources, analysis the effects of normal ventilation and advance ventilation, and the influence of train’s velocity to advance ventilation by numerical calculation method. The results show that: the advance ventilation can increase the time of ventilation and make the concentration of NOx to meet the standard within the prescribed period of time, while the normal ventilation can not. As the velocity of train increases, the effect of advance ventilation decreases. When the train’s velocity exceeds a certain value, advance ventilation can not meet the requirements.

Tunnel Ventilation; Jet Ventilation; Advance Ventilation; numerical calculation

1671-6612（2017）05-460-03

U25

A

蔣 堯（1991-），男，在讀碩士研究生，E-mail：2454557973@qq.com

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

2017-02-10