南山公路隧道長壓短抽式通風(fēng)除塵模擬研究

劉亞洲 肖峻峰 盧 平 莊裕林

（安徽建筑大學(xué)，安徽 合肥 230601）

隨著我國交通運輸業(yè)的快速發(fā)展，公路隧道的數(shù)量在逐年快速增長[1]。然而在公路隧道的施工過程中，會產(chǎn)生大量的粉塵，嚴(yán)重污染隧道施工環(huán)境[2]。自然通風(fēng)條件下，待粉塵降至允許濃度 （允許濃度為10mg/m3）需很長時間，連續(xù)作業(yè)或短時間進(jìn)洞作業(yè)危害工人健康，給工人和企業(yè)造成經(jīng)濟(jì)損失[3]。因此，在公路隧道施工過程中，通風(fēng)除塵成為學(xué)者所一直關(guān)注的課題。

國內(nèi)外研究通風(fēng)除塵的方式主要有現(xiàn)場實測、仿真模擬和實驗測定等方法。其中，現(xiàn)場實測由于條件限制，測點布置簡單，不能完全反應(yīng)現(xiàn)場情況；實驗測定多采用相似實驗，通風(fēng)條件設(shè)置不能得到保證；仿真模擬不能完全模擬現(xiàn)場施工情況，在研究流場和粉塵分布規(guī)律方面有一定的限制[4-5]。

通風(fēng)除塵的方式主要有壓入式通風(fēng)、壓出式通風(fēng)、混合式通風(fēng)[6]。長壓短抽混合式通風(fēng)綜合了壓入式和壓出式通風(fēng)的特點，從隧洞一側(cè)輸入新鮮空氣，從另一側(cè)將污濁空氣排出[7]。其壓、抽風(fēng)筒的相對位置與壓、抽比對隧洞內(nèi)的粉塵分布有較大的影響[8]。基于此，以德上高速南山公路隧道為例，建立Fluent數(shù)值模型，分析探討長壓短抽通風(fēng)方式下，壓、抽風(fēng)筒距工作面距離及壓、抽比對隧道內(nèi)的流場和粉塵分布的影響，以期為公路隧道施工通風(fēng)除塵提供理論依據(jù)。

一、工程簡介

南山公路隧道位于德上高速池州至祁門段，隧道右洞長2811m，左洞長2770m，隧洞斷面為半圓拱形，寬12m，高9m，斷面面積為94.69m2。隧道全線主要穿越黏土、碳質(zhì)頁巖、頁巖、灰?guī)r等地層，地質(zhì)條件復(fù)雜，施工過程中會產(chǎn)生大量粉塵，故采用長壓短抽通風(fēng)除塵方式，以降低隧洞內(nèi)的粉塵濃度。

二、數(shù)值模型的建立

（一）模型的建立與網(wǎng)格劃分

為滿足計算精度要求，故對實際的幾何模型進(jìn)行等比例縮小，簡化后的模型如圖1所示，其中寬4.8m，高3.6m，斷面面積為A=15.15m2，風(fēng)筒懸掛于隧洞兩側(cè)，風(fēng)筒軸線距隧洞中軸線1.5m，懸掛高度為2.4m，壓風(fēng)筒和抽風(fēng)筒的直徑均為0.8m。

依據(jù)簡化后的南山隧道，使用Geometry軟件建立如圖2中的幾何模型，隧道幾何模型長60m，然后導(dǎo)入Mesh采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分形式，劃分后的網(wǎng)格數(shù)量為92550個。

（二）模型參數(shù)的設(shè)置

將劃分好的網(wǎng)格文件導(dǎo)入到Fluent中計算前，需要對模型做如下假設(shè)：1.隧道內(nèi)風(fēng)速變化不是很大時，認(rèn)為空氣為不可壓縮流體；2.假設(shè)隧道內(nèi)的溫度變化不大，忽略溫度影響；3.假設(shè)隧道內(nèi)的流場不隨時間發(fā)生變化，即為穩(wěn)態(tài)流場[9-10]。

圖1 隧道斷面圖

圖2 三維幾何模型

將模型導(dǎo)入Fluent后，需要對幾何模型設(shè)置初始邊界條件。隧道洞口為自由出口，風(fēng)筒的進(jìn)出口均為速度入口，壓風(fēng)筒風(fēng)速為正值，抽風(fēng)筒風(fēng)速為負(fù)值；工作面為粉塵噴射源；其余界面設(shè)置為壁面邊界。

隧道內(nèi)存在連續(xù)相（空氣）和非連續(xù)相（粉塵顆粒）兩種物質(zhì)，采用 DPM（Discrete Phase Model）模型能夠更好地計算粉塵顆粒在空氣中運動的耦合問題[9]，具體模型參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 模型參數(shù)設(shè)置

三、結(jié)果分析與討論

（一）流場對粉塵分布的影響

風(fēng)筒距工作面距離及壓抽比都會改變隧道內(nèi)的流場，流場會影響粉塵在隧道內(nèi)的分布。圖3為壓風(fēng)筒距工作面距離Ly=16m，抽風(fēng)筒距工作面距離Lc=4m，壓抽比r=1.2，高度Z=1.5m處（人體呼吸高度）流場矢量分布圖。研究表明，長壓短抽通風(fēng)方式下會在工作面附近形成射流區(qū)、回流區(qū)和渦流區(qū)[8]。由圖看出，在風(fēng)流射向工作面的過程中，風(fēng)流的影響范圍逐漸擴(kuò)大，形成射流區(qū)；風(fēng)流到達(dá)工作面后從隧道另一側(cè)返回，形成回流區(qū)；在射流區(qū)與回流區(qū)的共同邊界處，部分回流受到射流的影響折返到工作面，形成渦流區(qū)。由工作面噴出的粉塵在射流區(qū)不宜聚集，風(fēng)流經(jīng)過工作面后會將粉塵帶入回流區(qū)，回流區(qū)帶出的一部分粉塵進(jìn)入渦流區(qū)逐漸聚集，一部分粉塵逐漸向洞口運移和擴(kuò)散，如圖4所示為粉塵的濃度分布。

圖3 Z=1.5m處流場矢量分布圖

圖4 粉塵濃度三維分布圖

（二）壓風(fēng)筒位置對流場、粉塵分布的影響

圖 5a為 Lc=4m，r=1.2，Ly不同時，Z=1.5m 處粉塵分布，由圖可看出，不同壓風(fēng)筒位置對粉塵分布有著很大的影響，且當(dāng)12m＜Ly＜16m時，濃度大于10mg/m3的粉塵擴(kuò)散距離隨著Ly的增大而減小，當(dāng)Ly＜16m時，距離工作面20m內(nèi)，粉塵濃度均超過了10mg/m3，且在距工作面10～18m內(nèi)，粉塵濃度超過了100mg/m3。當(dāng)Ly=16m時，濃度超過10mg/m3的粉塵主要分布在距離工作面5m內(nèi)，雖然最高濃度達(dá)到500mg/m3，但都集中在抽風(fēng)筒一側(cè)，且距離工作面非常近，在距離工作面5～10m（施工人員作業(yè)區(qū)域）內(nèi)粉塵濃度均小于允許值。當(dāng)16m＜Ly＜18m時，雖然在壓風(fēng)筒一側(cè)粉塵濃度小于10mg/m3，但高濃度的粉塵擴(kuò)散距離均超過了15m，除塵效果不理想。

圖5b為相對應(yīng)的流場分布圖，由圖可以看出，當(dāng)Ly＜16m時，工作面在壓風(fēng)筒的有效射程之內(nèi)，風(fēng)流到達(dá)工作面后仍有較高的速度，達(dá)到5m/s，粉塵被高速的風(fēng)流帶走并向隧道中部運移和擴(kuò)散，且隨著Ly的增大，形成的渦流區(qū)逐漸遠(yuǎn)離工作面，造成局部區(qū)域粉塵的聚集。當(dāng)Ly＞16m時，工作面超出了壓風(fēng)筒的有效射程，射流到達(dá)工作面后風(fēng)速降至0.5m/s以下，局部區(qū)域粉塵濃度在10mg/m3以下，但壓風(fēng)筒輸入的新鮮風(fēng)流在未達(dá)到工作面就進(jìn)入抽風(fēng)筒負(fù)壓區(qū)域，對工作面粉塵的壓風(fēng)作用不大，造成整個洞內(nèi)的粉塵污染。當(dāng)Ly=16m時，工作面處在風(fēng)筒的有效射程邊界，新鮮風(fēng)流到達(dá)工作面的風(fēng)速在1～2m/s，能夠有效地將粉塵控制在距工作面5m內(nèi)，粉塵控制效果最佳。

圖5 Ly不同時Z=1.5m處粉塵分布和流場分布

（三）抽風(fēng)筒位置對流場、粉塵分布的影響

圖 6a 為 Ly=16m，r=1.2，Lc不同時，Z=1.5m 處粉塵分布。由圖可以看出，當(dāng)2m＜Lc＜4m時，粉塵的擴(kuò)散距離隨Lc增大而減小，Lc=2m時粉塵擴(kuò)散距離超過30m；當(dāng)4m＜Lc＜6m時，粉塵的擴(kuò)散距離隨Lc增大而減大，尤其當(dāng)Lc=6m時，粉塵擴(kuò)散距離超過40m；當(dāng)Lc=4m時，粉塵擴(kuò)散距離小于5m，有利于施工人員作業(yè)。

圖6b為相對應(yīng)的流場分布圖，由圖可得出，當(dāng)2m＜Lc＜4m時，工作面都處于抽風(fēng)筒的有效吸程內(nèi)，但當(dāng)Lc＜4m時，壓風(fēng)筒的負(fù)壓區(qū)域不能有效地作用在工作面，尤其是Lc=2m時，新鮮風(fēng)流經(jīng)過工作面進(jìn)入回流區(qū)依然有較高的流速，由于壓風(fēng)筒距離工作面太近，不能很好的捕捉粉塵，造成粉塵在整個隧洞內(nèi)擴(kuò)散。當(dāng)4m＜Lc＜6m時，新鮮風(fēng)流還沒有到達(dá)工作面就進(jìn)入抽風(fēng)筒，不能達(dá)到通風(fēng)除塵的效果。因此當(dāng)Ly=16m，r=1.2時，壓風(fēng)筒距離工作面距離Lc=4m與之匹配度更高，能夠為施工人員創(chuàng)造更好的作業(yè)環(huán)境。

圖6 Lc不同時Z=1.5m處粉塵分布和流場分布

（四）壓抽比對流場、粉塵分布的影響

圖 7a為 Ly=16m，Lc=4m，r不同時，Z=1.5m 處粉塵分布。由圖可看以出，當(dāng)0.6＜r＜1.2時，粉塵主要集中在工作面抽風(fēng)筒一側(cè)，且主要沿著抽風(fēng)筒一側(cè)向隧道中部擴(kuò)散，達(dá)到15m。當(dāng)r＞1.2時，粉塵擴(kuò)散距離達(dá)到30m，施工人員的作業(yè)區(qū)域被完全覆蓋，嚴(yán)重危害人員職業(yè)健康。當(dāng)r=1.2時，粉塵控制在距工作面5m內(nèi)，為施工人員創(chuàng)造良好的作業(yè)環(huán)境。

圖7b為相對應(yīng)的流場分布圖。當(dāng)r＜1時，抽風(fēng)筒風(fēng)量大于壓風(fēng)筒風(fēng)量，隧洞內(nèi)處于負(fù)壓狀態(tài)，隧洞內(nèi)的風(fēng)流由洞口向工作面輸送，由壓風(fēng)筒輸送的風(fēng)流未到達(dá)工作面就突破射流區(qū)進(jìn)入渦流區(qū)，造成風(fēng)流的損失。當(dāng)r＞1時，壓風(fēng)筒風(fēng)量大于抽風(fēng)筒風(fēng)量，但當(dāng)壓抽比過大時，抽風(fēng)筒產(chǎn)生的負(fù)壓區(qū)域逐漸減小，風(fēng)流帶出的粉塵少部分進(jìn)入回流區(qū)，大部分粉塵都在渦流區(qū)的作用下向隧道中部擴(kuò)散，造成隧洞內(nèi)的粉塵污染。當(dāng)r=1.2時，風(fēng)流到達(dá)工作面速度為1～2m/s，工作面處于壓風(fēng)筒有效吸程邊界，風(fēng)量配比較為合適，有利于施工人員作業(yè)。

圖7 r不同時Z=1.5m處粉塵分布和流場分布

四、結(jié)論

（一）風(fēng)筒的位置對隧道的流場有著決定性作用，流場分布直接影響隧道內(nèi)粉塵的分布，根據(jù)隧洞內(nèi)流場分布和粉塵分布得出壓風(fēng)筒距工作面的位置為，A 為隧洞斷面面積，單位為m2），此時工作面處在風(fēng)筒的有效射程邊界，粉塵控制在距工作面5m內(nèi)，沒有污染施工人員主要作業(yè)區(qū)域。

（二）當(dāng)壓風(fēng)筒距離工作面16m時，最佳的抽風(fēng)筒距工作面距離為此時抽風(fēng)筒的負(fù)壓區(qū)域處在距工作面0～5m內(nèi)，與壓風(fēng)筒配合度最好，粉塵被有效排出。

（三）當(dāng)風(fēng)筒的相對位置確定后，取壓抽比為1.2，風(fēng)流到達(dá)工作面速度為1～2m/s，工作面處于壓風(fēng)筒有效吸程邊界，可有效控塵、排塵，為施工人員創(chuàng)造健康的作業(yè)環(huán)境。