某內燃牽引鐵路隧道通風斜井適宜位置的數值研究

張羅樂 馮 煉 袁中原

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某內燃牽引鐵路隧道通風斜井適宜位置的數值研究

張羅樂 馮 煉 袁中原

（西南交通大學機械工程學院 成都 610031）

以國內某內燃牽引鐵路隧道為研究對象，建立一維非恒定不可壓縮管內流動模型和具有運動污染源一維非穩定流模型，利用數值計算的方法分別對單斜井送風式、排風式進行了模擬分析，通過對不同斜井位置、列車速度的通風效果的分析，得出較適宜的斜井位置，為實際工程提供了參考。

鐵路隧道；運營通風；數值計算；斜井

0 引言

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

本文所研究的隧道具有行車密度高、允許通風時間短的特點，運營通風效率要求較高，因此通風模式的選取成為決定運營通風是否達到衛生標準的關鍵因素。本文首先建立基本物理數學模型，利用數值計算的方法，分別對列車通過隧道時速度變化和污染物濃度分布進行模擬，充分考慮污染物達標時間的變化規律，最終確定斜井分段式縱向通風的適宜模式和斜井位置，為工程實際提供參考。

1 數值計算方法

1.1 物理模型

根據列車通過隧道時隧道內氣流的物理特征，可將隧道內氣流按照一維非恒定不可壓縮管內流動模型考慮，在列車頭進入隧道，列車在隧道內，列車離開隧道以及列車完全離開隧道的各個階段，分別應用連續性方程可得到氣流速度加速度，采用變步長龍格-庫塔算法數值求解即可得到隧道內的活塞風速[5]。

隧道內污染氣體濃度的分布規律按照具有運動污染一維非穩定流模型描述，采用控制容積法推導出相應的離散化方程，并根據列車在隧道內運動及隧道內氣流的運動特點，提出車頭、車尾及新鮮空氣截面的邊界條件，在已得隧道內氣流速度的基礎上算出隧道內有害氣體的濃度分布情況[6]。

1.2 數學模型

質量守恒、動量守恒、對流擴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”。

連續性方程[7]：

運動方程[7]：

對流擴散方程[8]：

2 計算結果和分析

某隧道全長5238m，隧道橫截面積為32m2，初步設計利用距離隧道入口3033m處長度為1145m的斜井作為通風風道，斜井橫截面積為27m2，列車設計時速為38km/h，東風4B型內燃雙機牽引，隧道允許通風時間為6min。隧道、列車、自然風等基本參數列于表1。

表1 某隧道基本參數

其中：為隧道長度；為隧道當量直徑；L為斜井長度；D為斜井當量直徑；1和2為斜井截斷的隧道兩段長度；L為列車長度，V為列車速度；V為自然風速[4]；為機車功率。

2.1 排風式和送風式的比選

列車通過隧道后，開啟斜井內軸流風機進行機械通風，假定風機壓力為1700Pa，模擬得出隧道內污染物濃度分布隨時間變化情況，圖1、圖2分別為采用單斜井排風式通風模式和單斜井送風式通風模式時污染物濃度分布變化曲線。

從兩幅圖可以知：由圖1可見，列車出洞時刻隧道污染物濃度最高已達到110mg/m3，由于列車在L2段行駛時斜井向隧道內注入新鮮空氣，這對隧道內污染物有一個稀釋作用，因此當列車車尾出洞時，污染物濃度曲線在斜井處呈現一個較明顯波谷。列車出洞即刻開啟軸流風機，此時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，因此呈現出斜井兩側污染物濃度曲線的波峰彼此靠近然后減小的趨勢，并最終在風機開啟的第12.6min時刻將污染物濃度降到衛生標準以下。然而對于送入式通風模式，可以發現由于風向變化，L1、L2段污染物流向兩側洞口并排除，并且當L2段污染物排盡后，L1段污染物依舊在洞內，需要持續開啟風機11.7min才能將污染物降到標準以下，此時達標時間遠大于排出式。

圖1 隧道污染物濃度分布曲線變化（排風式）

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

圖2 隧道污染物濃度分布曲線變化（送風式）

2.2 不同斜井位置對通風效果的影響

斜井位置不同時，斜井兩側污染段長度不同，風機壓力一定時斜井兩側的風量配比也有所差異，因此污染物達標時間必定有所不同。改變斜井位置，模擬采取單斜井排出式通風模式且列車行駛速度為38km/h時，不同斜井位置對隧道污染物濃度分布情況，經過不同斜井位置試算，分別選取X=3033m、3500m和4000m為代表值進行分析。

分析三幅圖可知，當斜井分別位于X=3033m、3500m和4000m處時，污染物達標時間分別為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，在軸流風機開啟3min時間內，斜井左側L1段污染物就已經排盡，在此之后只排L2段內的污染物；相反地，對于圖5所示的斜井位于X=4000m的情況，在風機開啟約3min時間時，斜井右側L2段污染物就已經排盡，在此之后只排L1段內的污染物。斜井位于這兩個位置時，通風過程中時斜井兩側污染物均為先后排出且時間相差較大，因此必然浪費通風功率，加大污染物達標時間。

對于圖4所示的斜井位于X=3500m處的情況，L1段和L2段污染物幾乎同時由斜井排出，風機運行5.7min即可將污染物濃度降到控制標準以下，可見通過合理選取斜井位置使兩側污染物同時排出，能夠節省通風時間。通過對該隧道其他不同斜井位置情況進行計算模擬，發現當列車速度為38km/h，風機壓力為1700Pa時，斜井的最合理位置在X=3500m處，此時達標時間為5.7min。

圖3 X=3033m時隧道污染物濃度分布曲線變化

圖4 X=3500m時隧道污染物濃度分布曲線變化

圖5 X=4000m時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達標時間影響情況

模擬不同列車速度下，斜井位置不同時隧道污染物濃度達標時間變化情況，結果如圖6所示。當斜井位于入口到X=3500m（即斜井位于前2Ltu/3段）范圍內時，列車速度對達標時間的影響很小，當斜井位于距離隧道出口的Ltu/3范圍內時，列車速度越大達標時間越小。該隧道在運行遠期，污染物達標時間低于給定的6min允許通風時間時，當采取單斜井排出式通風模式時，需要保證風機壓力不低于1.7kPa，總風量不低于323m3/s，此時斜井的較優位置大致位于距離入口2Ltu/3處。

圖6 達標時間變化曲線

3 結論

本文建立了一維非恒定不可壓縮管內流動模型和具有運動污染源一維非穩定流模型，利用數值計算的方法分別對隧道單斜井送排風式模式，不同斜井位置、列車速度下的通風效果進行分析，得出結論如下：

（1）該隧道采用單斜井送入式通風時排風距離較長，單斜井排出式通風為更加合理的通風方式。要保證風機壓力不低于1.7kPa，總風量不低于323m3/s，此時斜井的較優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標時間影響受制于斜井位置，當斜井位于前2Ltu/3以內時，行車速度不影響達標時間，當斜井位于后Ltu/3以內時，列車速度越快，達標時間越小。故必須通過具體行車情況，合理選取斜井位置。

[1] 何吉成.從數據看中國電氣化鐵路的發展進程[J].上海鐵道科技,2011,(2):112-113.

[2] 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.

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

[4] TB10068-2010,鐵路隧道運營通風設計規范[S].北京:中國鐵道出版社,2010.

[5] 金一慶,陳越,王冬梅.數值方法[M].北京:機械工業出版社,2000.

[6] 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.

[7] 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.

[8] 陶文銓.數值傳熱學[M].西安:西安交通大學出版社, 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

建筑環境與能源高效利用四川省青年科技創新研究團隊項目（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