高海拔隧道出碴車排放一氧化碳的擴散規律

孫三祥，王 文，郭慧杰，雷鵬帥,2，張 健,3

(1.蘭州交通大學 環境與市政工程學院，甘肅 蘭州 730070；2.蘭州交通大學 寒旱地區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 甘肅省軌道交通力學應用工程實驗室，甘肅 蘭州 730070)

現場實測結果表明，高海拔隧道鉆爆法施工過程中，出碴階段CO排放量及濃度最高[1-2]。王耀等[1]采用CO檢測儀，測試分析了川藏公路雀兒山隧道(海拔4 000 m)爆破作業、內燃機械的CO排放量以及隧道內CO濃度變化趨勢，得出在出碴階段內燃機械累計排放的CO總量多于爆破階段，施工機械，尤其是出蹅車排放的CO在出碴階段對隧道內環境造成了嚴重污染。張玉偉等[2]采用便攜式CO檢測儀，跟蹤監測了康定瓦九(瓦澤至九龍)公路雞丑山隧道(海拔4200m)不同施工階段CO濃度，得出在出碴階段工作區CO濃度最高。

國內外專家對隧道施工期的通風進行了研究[3-5]，并對平原地區隧道爆破后CO的擴散進行了模擬研究。鄧祥輝等[6]采用RNGκ-ε湍流模型，基于ADINA軟件中的CFD模塊，對隧道內爆破后的CO擴散規律以及工作人員進洞安全時間進行了數值模擬；李孜軍等[7]采用RNGκ-ε湍流模型，基于Fluent軟件模擬分析了雙洞隧道獨頭掘進爆破作業后CO擴散規律；王曉玲等[8]采用高雷諾數κ-ε數學模型，基于STAR-CD軟件，模擬分析了爆破后不同通風時刻隧洞內CO遷移和分布規律。但高海拔地區，由于氣壓、空氣密度和含氧量均較低，內燃機燃燒不充分，因此CO擴散規律有別于平原地區。

針對高海拔隧道爆破后CO濃度擴散的模擬，曹正卯等[9]依托新關角隧道(海拔3 300 m以上)，采用κ-ε湍流非穩態模型，基于Fluent軟件，模擬分析不同海拔高度施工爆破后有害氣體濃度分布，得出了同一測點有害氣體質量濃度與海拔高度的關系式，但未考慮施工機械及出蹅車的影響。

針對隧道出碴階段CO濃度擴散的模擬，劉敦文等[10]采用RNGκ-ε湍流模型，基于Fluent軟件，應用組分傳輸模型，得出了平原地區隧道出碴過程CO濃度場，提出了CO濃度限值及安全連續作業時間。專家還就隧道施工過程中車輛對隧道速度場及通風效果的影響，且大多采用二維動網格模型模擬[11-12]，而對高海拔隧道出碴車運行過程中排放CO濃度擴散的模擬目前未見報道。

因此，本文選取RNGκ-ε湍流模型，利用動網格及用戶自定義函數，選用彈簧近似光滑模型、局部重劃模型計算網格的動態變化；考慮海拔對氣壓和空氣密度的修正；由通用有限速率模型反映CO與空氣的耦合；僅考慮出碴車排放的CO，其他機械排放的CO作為固定源；基于Fluent軟件，進行通風工況下出碴車運行過程中高海拔隧道內氣流速度場和壓力場、CO濃度場的三維非穩態數值模擬。基于出碴過程現場實測數據驗證模擬結果。根據模擬結果分析出碴車排放CO擴散規律及行駛間隔時間，為高海拔隧道施工通風方案的制訂提供一定的理論支持。

1 模型建立

1.1 隧道三維模型

以在建的采用鉆爆法施工的敦格鐵路當金山單洞單線特長隧道(平均海拔3 000 m)為例建立隧道三維有限元模型和網格簡圖，取正洞長度為1 600 m，平導長度為2 000 m，動網格計算長度為100 m。隧道洞身坡度為12.3‰，單面上坡。出碴車簡化為長×寬×高為8.55 m×2.49 m×3.45 m的六面體，底面距地面高0.6 m，出碴車尾氣管口位于車體左壁，距車頭3 m，距地面0.8 m，出口直徑為0.08 m。隧道風筒直徑為1.2 m，位于隧道側壁中上部，正洞風筒距掌子面30 m，壓入式通風。采用非結構化四面體網格對流場區域進行網格劃分，對出碴車車體周圍及車頭、車位部網格進行加密，如圖1所示。通過網格敏感性分析，確定最終節點數62 905個，網格數337 448個。出碴車行駛及CO排放對應流場采用動網格劃分。

1.2 動網格模型的建立

將隧道內氣流場分為出碴車運動區域和不運動區域，基于Fluent軟件提供的DEFINE_CG_MOTION和DEFINE_PROFILE宏，應用C語言編譯用戶自定義函數，建立出蹅車運動和CO排放速度變化的動網格模型。

1.3 氣流流動與CO擴散的方程

1.3.1 基本假設

(1)通風氣流為不可壓縮流體。

(2)氣體在稀釋擴散過程中不發生化學反應及相變反應。

(3)隧道壁面為等溫壁面。

(4)僅考慮出碴車排放CO的擴散，將其他機械排放的CO統一作為固定源，即將出蹅車通過監測點前的CO濃度值作為模擬計算中的背景值。

1.3.2 基本方程

選取RNGκ-ε湍流模型，建立氣流流動與CO擴散的方程，包括基本控制方程(質量守恒方程、動量方程、能量方程)、湍動能方程、湍動能耗散率方程和組分輸運方程，分別如下。

(1)基本控制方程通式為

(1)

式中：t為時間，s；ρ為流體密度，kg·m-3；φ為待求通用物理量；U為速度矢量；Γφ和Sφ分別為對應變量的廣義擴散系數和廣義源項。

(2)湍動能κ方程為

(2)

其中

式中：ui和uj為速度分量，m·s-1；κ為紊流動能，m2·s-2；xi和xj為坐標；μt為紊流動力黏性系數，Pa·s；σκ為湍流普朗特數，σκ=1.00；ε為紊流的動能耗散率，m2·s-3；μeff為有效黏性系數；μ為層流動力黏性系數，Pa·s；cμ為經驗常數，取值0.09；G為紊流脈動動能產生項。

(3)湍動能耗散率ε方程為

(3)

式中：σε，c1，c2均為經驗常數，σε=1.30，c1=1.44，c2=1.92。

(4)組分輸運方程為

(4)

1.3.3 邊界條件

(1)進口邊界：出碴車排氣管為CO進口邊界。基于現場測試結果，確定尾氣管出口CO濃度最大值為427 mg·m-3，對應尾氣溫度為600 K，尾氣設置為空氣與CO的混合體，其中CO在尾氣中的質量百分比取0.042 7%。出碴車加速、勻速運行階段CO的排放速度分別為30和23 m·s-1。現場實測隧道內風速為0.3 m·s-1，該風速設為隧道模型入口的風速。

(2)出口邊界: 設為自由出流邊界條件。

(3)壁面邊界: 出碴車及隧道壁面設為壁面邊界，出蹅車為滑移壁面，隧道壁面為無滑移絕熱邊界。

(4)正洞工作面需風量為1 000 m3·min-1，對應正洞風管出口風速為14.8 m·s-1，入口輸送新鮮空氣(即CO質量分數為0),空氣溫度為293 K。

2 數值模擬算法及算法驗證

2.1 數值模擬算法

采用非定常隱式解法求解上述方程。其中速度迭代采用PISO算法；壓力采用標準離散方式；其他參數的離散采用二階迎風格式。網格的動態變化過程選用彈簧近似光滑模型和局部重劃模型模擬。時間步長設置為0.01 s。

2.2 算法驗證

采用現場實測數據對模擬結果進行驗證。現場實測期間，隧道內氣溫為13.8～18.5 ℃，大氣壓為70.7～71.5 kPa。出碴車為陜汽德隆F3000型自卸車，自4號橫通道運行到3號橫通道。分別在距棧橋50，100，150 m的斷面布置測點，并分別標記為測點1、測點2、測點3。測點位于出碴車右側，且距右側隧道壁面1.2 m，距隧道底面1.5 m。使用CD4(B)型多參數氣體測定器檢測CO濃度，數據采集時間間隔為15 s，持續監測300 s。

測點1不同時間間隔CO濃度的測定值與數值模擬值最大差值為0.12 mg·m-3，相對誤差小于5%，可見兩者吻合很好，由此表明，本文提出的模擬算法可以有效地揭示出碴車行駛過程中排放CO擴散規律。

3 數值模擬結果

3.1 出碴車運行速度曲線

根據現場監測，出碴車運行速度曲線取3種，如圖2所示，即出碴車的加速時間均取4 s, 加速度a取1.00，1.25，1.50 m·s-2，對應的勻速運行速度v取4，5，6 m·s-1。

圖2 出碴車運行速度曲線

3.2 出碴車環隙流特性

出渣車分別以圖2中的3條速度曲線行駛至8 s時，車頭環隙流速度分布如圖3所示。其中，以加速度為1.50 m·s-2，對應速度為6 m·s-1的速度曲線行駛至8 s時，出碴車不同部位環隙流速度分布如圖4所示。圖中縱坐標環隙速度方向與車體同向為正，反向為負；橫坐標以車體軸線為基準，運行方向右側至隧道壁面的距離為正，左側為負。由圖3和圖4可知：出碴車行駛速度越大，環隙流速度越大；出碴車行駛速度一定時，越靠近出碴車尾部，環隙流速度越大。

圖3 出碴車以3種速度曲線行駛時環隙流速度分布

圖4 出碴車不同部位環隙流速度分布

3.3 出碴過程中隧道內氣流的壓力場和速度場

考慮出渣車基本沿隧道中線行駛，以距隧道底面1.5 m高度的隧道中線為例，區分相同車速不同時刻、相同時刻不同車速2種情況，根據模擬結果繪制不同時刻氣流的壓力和速度的沿程(沿隧道縱向距離)分布圖。

1)相同車速，不同時刻

以圖2中出碴車的加速度1.50 m·s-2，勻速運行速度6 m·s-1的速度曲線為例，不同時刻氣流的壓力和速度的沿程分布曲線如圖5和圖6所示。

圖5 不同時刻氣流壓力的沿程分布曲線

由圖5可知：出碴車自啟動(t=0)到加速結束時(t=4 s)，車頭前端氣流壓力由0增大為90 Pa，車尾增大為36 Pa，車頭為正壓，車尾為負壓，且氣流壓力均達到最大值；勻速行駛時，車頭前端區間氣流壓力由0增大為18 Pa，車尾壓力由0增大為10 Pa；加速結束時車頭氣流壓力最大值是勻速行駛時最大值的5倍，車尾氣流壓力最大值是勻速行駛時最大值的3.6倍。

圖6 不同時刻氣流速度的沿程分布曲線

由圖6可知：出碴車自啟動(t=0)到加速結束時(t=4 s)，車體周圍氣流速度變化也最大，速度最大值出現在車尾；車頭前端速度變化影響區域長度約5 m，車尾渦流區影響長度較大，且隨時間的延續影響區域長度逐漸增大；出碴車加速階段車體不同部位氣流速度均遠大于勻速行駛階段，其中車尾渦流區速度最大，為勻速運行階段車尾渦流區最大速度的2～3倍。

2)相同時刻，不同車速

以出碴車穩定運行12 s時刻為例，不同車速時氣流壓力和速度的沿程分布曲線如圖7和圖8所示。

圖7 不同車速時氣流壓力沿程分布曲線

圖8 不同車速時氣流速度沿程分布曲線

由圖7可知：車頭前端氣流正壓影響區域長度約5 m；遠小于車尾負壓區域長度；隨著車速增大，車頭前端壓力及車尾負壓均增大，即車頭對前面空氣的擠壓、車尾對后部空氣的抽吸越強，同時壓力變化影響區域也增大；車頭前端5 m以遠區域壓力沿程變化趨于穩定，不同車速形成的壓差基本相同，約為1.2 Pa。

由圖8可知：車頭前端氣流速度變化影響區域長度約5 m；車尾渦流區影響區域長度較大，且隨時間的延續影響長度逐漸增大；車速越大，車尾渦流速度越大，影響區域長度越大；運行歷時12 s后，3種車速下的氣流速度場均趨于穩定。

3.4 出碴車行駛時CO濃度場

鑒于加速階段歷時短，重點分析出渣車勻速行駛階段的CO濃度場。出渣車以圖2中加速度1.50 m·s-2，勻速運行速度6 m·s-1的速度曲線行駛至8 s時，尾氣管出口速度矢量圖如圖9所示。由圖9可以看出：尾氣管出口下方形成渦流區；受車速和環隙流的影響，出碴車尾部氣流速度變大，紊動作用加強，從而增強了CO的擴散。

圖9 尾氣管出口速度矢量圖

由于尾氣管安裝在車體左側，車體行駛過程中尾氣排放應屬于浮射流范疇，其沖擊浮射流基本特性與有限空間受橫流影響的沖擊射流有相似之處，二者間的區別另文討論。

以圖2中加速度1.50 m·s-2，勻速運行速度6 m·s-1的速度曲線為例，出渣車行駛至8 s時，距尾氣管不同距離斷面CO濃度分布云圖如圖10所示。由圖10可知： CO主要集中在車尾渦流區；出碴車勻速行駛時，距尾氣管出口越近，CO濃度越高，但超標(高于標準TB10204—2002《鐵路隧道施工規范》中的限值30 mg·m-3)區域極小；單車勻速行駛時CO濃度超標，但超標區域的高度未達到人體呼吸高度。

圖10 距尾氣管不同距離斷面CO濃度分布云圖

出渣車以圖2中加速度1.50 m·s-2，勻速運行速度6 m·s-1的速度曲線行駛時，不同時刻、不同車速時隧道內CO濃度分布云圖如圖11所示。出渣車以圖2中的3條速度曲線行駛至8 s時，CO濃度分布云圖如圖12所示。由圖11和圖12可得如下結論。

圖11 不同時刻隧道內CO濃度分布云圖

圖12 不同車速時隧道內CO濃度分布云圖

(1)CO自車體左側的尾氣管排出后，車體左側尾部渦流區的CO濃度較高。

(2)出碴車行駛速度越大，尾部渦流影響區也越長，CO擴散作用越強。因此建議出碴車車速根據現場情況盡可能以較大車速勻速行駛。

(3)出碴車加速運行區段，CO累積嚴重，車體尾部濃度高，濃度超過標準限值30 mg·m-3。因此建議出碴車選擇出碴路線時，盡量減少作業點，從而減少出碴車加減速的次數，以減少CO排放量；作業人員選擇避讓點時，應盡量選擇在出碴車勻速行駛區段、遠離車輛尾氣管的一側，避免選擇在出碴車加速區段(例如在通過棧橋的區段)。

(4)出蹅車經過測點較長一段時間后，由于環隙流的作用，隧道頂部的高濃度CO向隧道底部運移，致使底部CO濃度升高。根據模擬結果，車速為4，5，6 m·s-1時，隧道內前、后2輛出碴車輛間隔時間大于5 min時，CO累積濃度不超過標準限值30 mg·m-3。因此，建議前、后2輛出碴車間隔時間盡量大于5 min。

3.5 出碴車尾部CO擴散規律

基于出碴車尾部CO濃度的分布云圖，選取距車體中心線左側1.2 m，距隧道底面1.5 m的點為觀測點(該點斷面濃度最大)，出渣車分別以圖2中的3條速度曲線行駛至8 s時， CO濃度沿程變化曲線如圖13所示。由圖13可知，該曲線反映的擴散規律符合瞬時點源一維隨流擴散方程基本解(不同車速擬合優度R2均大于0.8)，即按照e指數衰減。這也與文獻[7]基于實測結果所得結論一致。

圖13 CO濃度沿程變化曲線

隧道內污染物瞬時點源一維隨流擴散方程基本解為[13]

(5)

式中：C為隧道內采樣點空氣污染物濃度，是時間t和位置x的函數，mg·m-3；C0為隧道內測點初始時刻空氣污染物濃度，mg·m-3；u為隧道內氣流速度，m·s-1；D為CO擴散系數，m2·s。

將式(5)進行變換可得

(6)

將圖13對應的實測數據代入式(6)，可得出碴車不同車速時CO擴散系數沿程變化曲線，如圖14所示。由圖14可知：車速越大，車體尾部CO擴散系數越大；受尾部渦流的影響，距車尾近區，CO擴散系數較大，擴散較快，遠離尾部渦流區，CO濃度擴散系數趨于穩定。

圖14 CO擴散系數隨距離的變化

為便于計算，考慮CO擴散系數與車速之間的關系，車速分別為4，5，6 m·s-1時對應的CO擴散系數均值分別為6.20，5.97，5.91 m2·s。

4 結 論

(1)出碴車分別以圖2中3條速度曲線運行時，車頭前端氣流速度和壓力變化影響的區域長度約為5 m，車尾影響的區域較長；出碴車運行速度越大，越靠近車輛尾部，環隙流速度越大；運行歷時12 s后速度場均趨于穩定；加速階段車體不同部位氣流速度均遠大于勻速行駛階段，其中車尾渦流區氣流速度最大，為勻速運行階段車尾渦流區氣流最大速度的2～3倍；隨著車速增大，車頭前端壓力及車尾負壓均增大，加速結束時，車頭氣流壓力最大值是勻速行駛時最大值的5倍，車尾氣流壓力最大值是勻速行駛時最大值的3.6倍。

(2)CO主要集中在車尾渦流區；出碴車勻速行駛時，距尾氣管出口越近，CO濃度越高，但超過標準限值30 mg·m-3的區域極小，且未達到人體呼吸高度；出碴車加速運行區段為CO高濃度積聚區，其濃度超過標準限值30 mg·m-3。因此建議：出碴車盡量減少作業點，并以較高的速度勻速行駛，以減少CO排放；作業人員選擇避讓點時，盡量選擇在出碴車勻速行駛區段，且遠離車輛尾氣管的一側。

(3)為了盡可能減小前后2輛出碴車行駛排放CO濃度的疊加，使CO累積濃度小于標準限值30 mg·m-3，建議前后2輛出碴車行駛間隔時間大于5 min。

(4)出碴車運行過程中，CO擴散規律符合瞬時點源一維擴散方程基本解，即按照e指數衰減。車速越大，車體尾部CO擴散系數越大；受尾部渦流的影響，距車尾近區，CO擴散系數較大，遠離尾部渦流區，CO擴散系數趨于穩定。