某内燃牵引铁路隧道通风斜井适宜位置的数值研究

张罗乐 冯 炼 袁中原



某内燃牵引铁路隧道通风斜井适宜位置的数值研究

张罗乐 冯 炼 袁中原

（西南交通大学机械工程学院 成都 610031）

以国内某内燃牵引铁路隧道为研究对象，建立一维非恒定不可压缩管内流动模型和具有运动污染源一维非稳定流模型，利用数值计算的方法分别对单斜井送风式、排风式进行了模拟分析，通过对不同斜井位置、列车速度的通风效果的分析，得出较适宜的斜井位置，为实际工程提供了参考。

铁路隧道；运营通风；数值计算；斜井

0 引言

中国铁路各大干线虽已基本实现牵引电气 化[1]，但许多二级支线、专用铁路、工矿铁路等仍然需要内燃牵引，内燃机车牵引铁路线路具有使用灵活、易操作、造价低的特点，仍然具有广阔的应用前景。内燃机车排出的废气中含有对人体有害成分，列车穿行隧道时，如果污染气体在隧道内聚集不能得到及时排散，隧道内人员的人身安全将会受到威胁，因此研究内燃牵引隧道运营通风模式具有重大意义[2-4]。

本文所研究的隧道具有行车密度高、允许通风时间短的特点，运营通风效率要求较高，因此通风模式的选取成为决定运营通风是否达到卫生标准的关键因素。本文首先建立基本物理数学模型，利用数值计算的方法，分别对列车通过隧道时速度变化和污染物浓度分布进行模拟，充分考虑污染物达标时间的变化规律，最终确定斜井分段式纵向通风的适宜模式和斜井位置，为工程实际提供参考。

1 数值计算方法

1.1 物理模型

根据列车通过隧道时隧道内气流的物理特征，可将隧道内气流按照一维非恒定不可压缩管内流动模型考虑，在列车头进入隧道，列车在隧道内，列车离开隧道以及列车完全离开隧道的各个阶段，分别应用连续性方程可得到气流速度加速度，采用变步长龙格-库塔算法数值求解即可得到隧道内的活塞风速[5]。

隧道内污染气体浓度的分布规律按照具有运动污染一维非稳定流模型描述，采用控制容积法推导出相应的离散化方程，并根据列车在隧道内运动及隧道内气流的运动特点，提出车头、车尾及新鲜空气截面的边界条件，在已得隧道内气流速度的基础上算出隧道内有害气体的浓度分布情况[6]。

1.2 数学模型

质量守恒、动量守恒、对流扩散方程为该模型所遵循的三大基本物理定律，将其称为“控制方程”。

连续性方程[7]：

运动方程[7]：

对流扩散方程[8]：

2 计算结果和分析

某隧道全长5238m，隧道横截面积为32m2，初步设计利用距离隧道入口3033m处长度为1145m的斜井作为通风风道，斜井横截面积为27m2，列车设计时速为38km/h，东风4B型内燃双机牵引，隧道允许通风时间为6min。隧道、列车、自然风等基本参数列于表1。

表1 某隧道基本参数

其中：为隧道长度；为隧道当量直径；L为斜井长度；D为斜井当量直径；1和2为斜井截断的隧道两段长度；L为列车长度，V为列车速度；V为自然风速[4]；为机车功率。

2.1 排风式和送风式的比选

列车通过隧道后，开启斜井内轴流风机进行机械通风，假定风机压力为1700Pa，模拟得出隧道内污染物浓度分布随时间变化情况，图1、图2分别为采用单斜井排风式通风模式和单斜井送风式通风模式时污染物浓度分布变化曲线。

从两幅图可以知：由图1可见，列车出洞时刻隧道污染物浓度最高已达到110mg/m3，由于列车在L2段行驶时斜井向隧道内注入新鲜空气，这对隧道内污染物有一个稀释作用，因此当列车车尾出洞时，污染物浓度曲线在斜井处呈现一个较明显波谷。列车出洞即刻开启轴流风机，此时污染气体从斜井处排出，新鲜空气从两洞口流向斜井位置并置换污染空气，因此呈现出斜井两侧污染物浓度曲线的波峰彼此靠近然后减小的趋势，并最终在风机开启的第12.6min时刻将污染物浓度降到卫生标准以下。然而对于送入式通风模式，可以发现由于风向变化，L1、L2段污染物流向两侧洞口并排除，并且当L2段污染物排尽后，L1段污染物依旧在洞内，需要持续开启风机11.7min才能将污染物降到标准以下，此时达标时间远大于排出式。

图1 隧道污染物浓度分布曲线变化（排风式）

对比分析图1和图2可知，采取排出式通风方式时L1段污染物只需经过污染段本身长度即可排出，采取送入式通风方式时段污染物需要经过整个段隧道才能排出，因此在排风速度一定的情况下，斜井送入式排风距离较长，故斜井排出式为合理的通风方式。

图2 隧道污染物浓度分布曲线变化（送风式）

2.2 不同斜井位置对通风效果的影响

斜井位置不同时，斜井两侧污染段长度不同，风机压力一定时斜井两侧的风量配比也有所差异，因此污染物达标时间必定有所不同。改变斜井位置，模拟采取单斜井排出式通风模式且列车行驶速度为38km/h时，不同斜井位置对隧道污染物浓度分布情况，经过不同斜井位置试算，分别选取X=3033m、3500m和4000m为代表值进行分析。

分析三幅图可知，当斜井分别位于X=3033m、3500m和4000m处时，污染物达标时间分别为7.9min、5.7min和8.2min。分析图3和图5亦可得知，斜井位于X=3033m处时，在轴流风机开启3min时间内，斜井左侧L1段污染物就已经排尽，在此之后只排L2段内的污染物；相反地，对于图5所示的斜井位于X=4000m的情况，在风机开启约3min时间时，斜井右侧L2段污染物就已经排尽，在此之后只排L1段内的污染物。斜井位于这两个位置时，通风过程中时斜井两侧污染物均为先后排出且时间相差较大，因此必然浪费通风功率，加大污染物达标时间。

对于图4所示的斜井位于X=3500m处的情况，L1段和L2段污染物几乎同时由斜井排出，风机运行5.7min即可将污染物浓度降到控制标准以下，可见通过合理选取斜井位置使两侧污染物同时排出，能够节省通风时间。通过对该隧道其他不同斜井位置情况进行计算模拟，发现当列车速度为38km/h，风机压力为1700Pa时，斜井的最合理位置在X=3500m处，此时达标时间为5.7min。

图3 X=3033m时隧道污染物浓度分布曲线变化

图4 X=3500m时隧道污染物浓度分布曲线变化

图5 X=4000m时隧道污染物浓度分布曲线变化

2.3 不同斜井位置下列车速度对达标时间影响情况

模拟不同列车速度下，斜井位置不同时隧道污染物浓度达标时间变化情况，结果如图6所示。当斜井位于入口到X=3500m（即斜井位于前2Ltu/3段）范围内时，列车速度对达标时间的影响很小，当斜井位于距离隧道出口的Ltu/3范围内时，列车速度越大达标时间越小。该隧道在运行远期，污染物达标时间低于给定的6min允许通风时间时，当采取单斜井排出式通风模式时，需要保证风机压力不低于1.7kPa，总风量不低于323m3/s，此时斜井的较优位置大致位于距离入口2Ltu/3处。

图6 达标时间变化曲线

3 结论

本文建立了一维非恒定不可压缩管内流动模型和具有运动污染源一维非稳定流模型，利用数值计算的方法分别对隧道单斜井送排风式模式，不同斜井位置、列车速度下的通风效果进行分析，得出结论如下：

（1）该隧道采用单斜井送入式通风时排风距离较长，单斜井排出式通风为更加合理的通风方式。要保证风机压力不低于1.7kPa，总风量不低于323m3/s，此时斜井的较优位置大致位于距离入口2Ltu/3处。

（2）列车速度是否受污染物达标时间影响受制于斜井位置，当斜井位于前2Ltu/3以内时，行车速度不影响达标时间，当斜井位于后Ltu/3以内时，列车速度越快，达标时间越小。故必须通过具体行车情况，合理选取斜井位置。

[1] 何吉成.从数据看中国电气化铁路的发展进程[J].上海铁道科技,2011,(2):112-113.

[2] 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.

[3] 刘蓓.单线隧道内有害气体浓度控制标准分析[J].制冷与空调,2007,(9):17-020.

[4] TB10068-2010,铁路隧道运营通风设计规范[S].北京:中国铁道出版社,2010.

[5] 金一庆,陈越,王冬梅.数值方法[M].北京:机械工业出版社,2000.

[6] 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.

[7] 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.

[8] 陶文铨.数值传热学[M].西安:西安交通大学出版社, 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

建筑环境与能源高效利用四川省青年科技创新研究团队项目（2015TD0015）

张罗乐（1991-），男，在读研究生硕士，E-mail：1506158113@qq.com

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

2016-12-26