提前通风对某单线铁路隧道全射流通风效果的影响

蒋 尧 冯 炼



提前通风对某单线铁路隧道全射流通风效果的影响

蒋 尧 冯 炼

（西南交通大学机械工程学院 成都 610031）

针对全射流通风方式应用于特长隧道运营通风的问题，以某内燃牵引特长铁路隧道为研究对象，建立带移动污染源的一维非恒定对流扩散模型，通过数值计算方法，分析了正常通风和提前通风的效果以及车速对提前通风的影响。结果表明：与正常通风相比，提前通风可以增加通风时间，能够在规定的时间内使隧道内氮氧化物浓度达标；随着车速的增加，通风的效果会不断降低，当车速超过一定值后，提前通风不能满足要求。

隧道通风；全射流；提前通风；数值计算

0 引言

随着我国铁路建设水平的不断进步，国内铁路建设进入了新的时期，建设技术和标准也不断地向国外输出。虽然我国早已实现铁路电气化，但因为地理环境、线路用途、建设成本等原因，一些新建线路仍然采用内燃牵引，如拉日铁路[3]、乐清湾港区铁路等；而且在一些落后的发展中国家，因为能源供应等原因，内燃机车将会作为主要的牵引动力；可以预见在未来仍将继续建设和使用内燃牵引铁路线线路。

内燃机车通过隧道时会产生氮氧化物等有害气体，如果不把这些有害物及时排出隧道，将会危害隧道维护人员和乘客的健康，甚至危及隧道的安全运营[1]，所以设置合理的通风系统显得尤为重要。隧道全射流纵向通风方式具有土建造价小，运行平稳，管理维护方便等优点，从上世纪90年代开始在我国铁路隧道中广泛应用[2]。但由于对风速和装机功率的限制等原因，使得全射流通风在长隧道中的应用受到了限制。本文将利用数值模拟的方法，对比提前通风与正常通风，研究提前通风对通风效果的影响，探讨全射流通风方式应用于特长隧道的可行性。

1 隧道通风数值计算方法

隧道内空气的流动实际上是三维、非恒定的紊流；隧道截面尺寸远远小于隧道长度，故可以简化为一维流动；且空气的流速较低，故可以视为不可压缩流体；所以隧道内空气流动用一维非恒定不可压缩的管内紊流模型来描述[4]。

隧道内空气的流动满足质量守恒和能量守恒，根据一维管内流动的连续性方程和非恒定流的伯努利方程可以得出列车处于隧道各个位置处时，隧道风速的微分方程。确定了隧道内的初始化风速，利用变步长的龙格-库塔方法可以求得各个时刻隧道内的风速值[5]。

隧道内污染物浓度分布规律可以用移动污染源一维非稳态对流扩散模型来描述[4]。利用有限体积法求解隧道内污染物分布，将隧道划分为n个一维网格，忽略扩散作用的影响，可以得出网格污染物浓度的迭代方程，给定各网格的初始浓度，即可算得任一时刻的浓度[5]。

2 提前通风与正常通风对比分析

根据射流风机开启时刻的不同，可以将全射流通风方式分为正常通风和提前通风。正常通风时，在列车车尾出隧道后开启风机进行通风；提前通风时，列车车尾进入隧道后就开启风机进行通风。与正常通风相比，提前开启风机进行通风，增加了风机的运行时间，影响着隧道内风速和浓度分布，从而影响着全射流通风的效果。

为了比较提前通风与正常通风的异同，以某单线重载铁路上的特长隧道为例，分别模拟计算正常通风和提前通风时的风速变化和浓度分布。计算参数如表1所示。

表1 计算参数表

图1 隧道内风速变化情况

图1为隧道内风速随时间的变化图。从图中可以看出，0～162s为列车进洞过程，风速内风速快速增大。162～870s为洞内运行阶段，风速保持在最大值；正常通风时的最大值为8.60m/s；提前通风时于162s开启了风机，在列车和风机共同作用下最大值达到了10.42m/s。870～1032s为列车出洞过程；正常通风时风速快速降低，于1032s开启风机后风速又迅速增大，并保持7.59m/s；提前通风时，随着列车驶出隧道，风速逐渐降低至7.59m/s。1932s关闭风机后，在自然风压的作用下，风速又逐渐回落到自然风速。

图1中的风速曲线与横轴（时间轴）所围成封闭区域的面积乘以隧道截面积等于整个过程中从隧道进口引入的新鲜空气量。可以看出提前通风时封闭区域的面积比正常通风时的面积大，说明提前通风时引入隧道内的新鲜空气量更多。

图2为车尾出隧道后隧道内氮氧化物的浓度分布图。从图中可以看出，正常通风时，车尾出洞后氮氧化物浓度超标（浓度大于10mg/m3）的隧道段位于6922～15225m；提前通风时，浓度超标的隧道段位于8543～15225m；说明提前开启射流风机可以缩短车尾出洞后浓度超标的隧道段的长度。车尾出洞后浓度超标的隧道段的长度越短，列车出洞后15min内需要的通风量越小。

图2 车尾出洞后隧道内浓度分布

图3 通风结束时刻隧道内浓度分布

图3为通风结束时刻隧道内氮氧化物浓度分布。从图中可以看出，开启58台射流风机正常通风时，通风结束时刻（车尾出洞15min后）位于13484～15225m的隧道段内氮氧化物浓度未达标，正常通风不能满足本隧道的通风要求；而开启58台风机提前通风时，通风结束时刻整个隧道的浓度均达标，提前通风能够满足通风要求。

由以上分析可知，提前通风可以增加从隧道入口引入的新鲜空气量，缩短列车出洞后浓度超标的隧道段的长度，能够在规定的时间内使氮氧化物浓度达标。就本隧道而言，车尾进洞后开启58台射流风机进行提前通风，能够在列车出洞15min内将氮氧化物浓度降至卫生标准以下。

3 不同车速下的通风效果

列车的速度会影响活塞风的大小，从而影响氮氧化物的随空气的流动扩散。根据研究资料可知，正常通风时，车速越快对通风越有利。本节将分析不同车速下提前通风的效果。在其他参数保持不变的条件下，模拟计算列车速度分别为40、63、80km/h时的速度及浓度分布。

图4 不同车速时隧道内风速变化情况

图4为隧道内风速随时间的变化图。图中风速曲线与时间轴（横轴）所围成封闭区域的面积乘以隧道截面积等于整个过程中从隧道进口引入的新鲜空气量。从图中可以看出，车速越大，封闭区域的面积越小，从隧道进口引入的新鲜空气量也越少。

图5 不同车速时车尾出洞后浓度分布

图5为车尾出洞后整个隧道内氮氧化物浓度分布图。由图中可以看出，车速分别为40、63、80km/h时，浓度超标的隧道段分别位于10720～15225m、8540～15225m、7960～15225m，长度依次为4505、6685、7265m；这表明车速越大，车尾出动后浓度超标的隧道段长度越长。

图6 不同车速时通风结束时刻浓度分布

图6为通风结束时刻的浓度分布图。从图中可以看出，车速为40和63km/h时，整个隧道的浓度已经达标；车速为80km/h时，位于14685～15225m的隧道段的浓度依然超标。这说明当车速超过一定值后，提前通风不能满足要求。

由以上分析可知，不同车速条件下提前通风的效果不同，随着车速的增大，通风时间逐渐减少，从隧道进口引入的新鲜空气量逐渐减少，通风效果会不断降低，当车速超过一定值后，提前通风不能满足要求。

4 结论

本文通过数值模拟方法，对比分析了不同风机运行模式下全射流通风的效果，并分析了车速对提前通风的影响，主要得出以下结论：

（1）与正常通风相比，提前通风可以增加从隧道入口引入的新鲜空气量，缩短列车出洞后浓度超标的隧道段长度，可以在提高通风效果。就本特长隧道而言，车尾进洞后开启58台射流风机进行提前通风，能够在列车出洞15min内将氮氧化物浓度降低至卫生标准以下。

（2）不同车速条件下提前通风的效果不同；随着车速的增大，通风时间不断减少，通风效果也不断降低，当车速超过一定值后，提前通风不能够满足要求。

[1] 金学易,陈文英.隧道通风及隧道空气动力学[M].北京:中国铁道出版社,1983.

[2] 李茂淦.单线铁路隧道射流通风的研究:焦柳线牙已隧道射流通风研究试验结果[J].铁道建筑,1995(2):2-6.

[3] 孙三祥,张云霞.高海拔内燃牵引铁路隧道运营通风技术研究[M].北京:中国铁道出版社,2015.

[4] 冯炼.双线铁路隧道内空气污染浓度的数值模拟研究[J].成都:西南交通大学报,1996,31(5):521-525.

[5] 孙震平.单线铁路遂道通风控制方法研究[D].成都:西南交通大学,2001.

[6] TB10003-2005,铁路隧道设计规范[S].北京:中国铁道出版社,2005.

[7] 苗妤,冯炼,袁艳平.某市域线地下隧道通风设置优化研究[J].制冷与空调,2016,30(4):472-475.

[8] 李人宪.有限体积法基础[M].北京:国防工业出版社,2008.

[9] 邢利英,曹邦卿.射流增压通风系统流场特性分析[J].制冷与空调,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

蒋 尧（1991-），男，在读硕士研究生，E-mail：2454557973@qq.com

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

2017-02-10