南山公路隧道长压短抽式通风除尘模拟研究

刘亚洲 肖峻峰 卢 平 庄裕林

（安徽建筑大学，安徽 合肥 230601）

随着我国交通运输业的快速发展，公路隧道的数量在逐年快速增长[1]。然而在公路隧道的施工过程中，会产生大量的粉尘，严重污染隧道施工环境[2]。自然通风条件下，待粉尘降至允许浓度 （允许浓度为10mg/m3）需很长时间，连续作业或短时间进洞作业危害工人健康，给工人和企业造成经济损失[3]。因此，在公路隧道施工过程中，通风除尘成为学者所一直关注的课题。

国内外研究通风除尘的方式主要有现场实测、仿真模拟和实验测定等方法。其中，现场实测由于条件限制，测点布置简单，不能完全反应现场情况；实验测定多采用相似实验，通风条件设置不能得到保证；仿真模拟不能完全模拟现场施工情况，在研究流场和粉尘分布规律方面有一定的限制[4-5]。

通风除尘的方式主要有压入式通风、压出式通风、混合式通风[6]。长压短抽混合式通风综合了压入式和压出式通风的特点，从隧洞一侧输入新鲜空气，从另一侧将污浊空气排出[7]。其压、抽风筒的相对位置与压、抽比对隧洞内的粉尘分布有较大的影响[8]。基于此，以德上高速南山公路隧道为例，建立Fluent数值模型，分析探讨长压短抽通风方式下，压、抽风筒距工作面距离及压、抽比对隧道内的流场和粉尘分布的影响，以期为公路隧道施工通风除尘提供理论依据。

一、工程简介

南山公路隧道位于德上高速池州至祁门段，隧道右洞长2811m，左洞长2770m，隧洞断面为半圆拱形，宽12m，高9m，断面面积为94.69m2。隧道全线主要穿越黏土、碳质页岩、页岩、灰岩等地层，地质条件复杂，施工过程中会产生大量粉尘，故采用长压短抽通风除尘方式，以降低隧洞内的粉尘浓度。

二、数值模型的建立

（一）模型的建立与网格划分

为满足计算精度要求，故对实际的几何模型进行等比例缩小，简化后的模型如图1所示，其中宽4.8m，高3.6m，断面面积为A=15.15m2，风筒悬挂于隧洞两侧，风筒轴线距隧洞中轴线1.5m，悬挂高度为2.4m，压风筒和抽风筒的直径均为0.8m。

依据简化后的南山隧道，使用Geometry软件建立如图2中的几何模型，隧道几何模型长60m，然后导入Mesh采用结构化网格划分形式，划分后的网格数量为92550个。

（二）模型参数的设置

将划分好的网格文件导入到Fluent中计算前，需要对模型做如下假设：1.隧道内风速变化不是很大时，认为空气为不可压缩流体；2.假设隧道内的温度变化不大，忽略温度影响；3.假设隧道内的流场不随时间发生变化，即为稳态流场[9-10]。

图1 隧道断面图

图2 三维几何模型

将模型导入Fluent后，需要对几何模型设置初始边界条件。隧道洞口为自由出口，风筒的进出口均为速度入口，压风筒风速为正值，抽风筒风速为负值；工作面为粉尘喷射源；其余界面设置为壁面边界。

隧道内存在连续相（空气）和非连续相（粉尘颗粒）两种物质，采用 DPM（Discrete Phase Model）模型能够更好地计算粉尘颗粒在空气中运动的耦合问题[9]，具体模型参数设置如表1所示。

表1 模型参数设置

三、结果分析与讨论

（一）流场对粉尘分布的影响

风筒距工作面距离及压抽比都会改变隧道内的流场，流场会影响粉尘在隧道内的分布。图3为压风筒距工作面距离Ly=16m，抽风筒距工作面距离Lc=4m，压抽比r=1.2，高度Z=1.5m处（人体呼吸高度）流场矢量分布图。研究表明，长压短抽通风方式下会在工作面附近形成射流区、回流区和涡流区[8]。由图看出，在风流射向工作面的过程中，风流的影响范围逐渐扩大，形成射流区；风流到达工作面后从隧道另一侧返回，形成回流区；在射流区与回流区的共同边界处，部分回流受到射流的影响折返到工作面，形成涡流区。由工作面喷出的粉尘在射流区不宜聚集，风流经过工作面后会将粉尘带入回流区，回流区带出的一部分粉尘进入涡流区逐渐聚集，一部分粉尘逐渐向洞口运移和扩散，如图4所示为粉尘的浓度分布。

图3 Z=1.5m处流场矢量分布图

图4 粉尘浓度三维分布图

（二）压风筒位置对流场、粉尘分布的影响

图 5a为 Lc=4m，r=1.2，Ly不同时，Z=1.5m 处粉尘分布，由图可看出，不同压风筒位置对粉尘分布有着很大的影响，且当12m＜Ly＜16m时，浓度大于10mg/m3的粉尘扩散距离随着Ly的增大而减小，当Ly＜16m时，距离工作面20m内，粉尘浓度均超过了10mg/m3，且在距工作面10～18m内，粉尘浓度超过了100mg/m3。当Ly=16m时，浓度超过10mg/m3的粉尘主要分布在距离工作面5m内，虽然最高浓度达到500mg/m3，但都集中在抽风筒一侧，且距离工作面非常近，在距离工作面5～10m（施工人员作业区域）内粉尘浓度均小于允许值。当16m＜Ly＜18m时，虽然在压风筒一侧粉尘浓度小于10mg/m3，但高浓度的粉尘扩散距离均超过了15m，除尘效果不理想。

图5b为相对应的流场分布图，由图可以看出，当Ly＜16m时，工作面在压风筒的有效射程之内，风流到达工作面后仍有较高的速度，达到5m/s，粉尘被高速的风流带走并向隧道中部运移和扩散，且随着Ly的增大，形成的涡流区逐渐远离工作面，造成局部区域粉尘的聚集。当Ly＞16m时，工作面超出了压风筒的有效射程，射流到达工作面后风速降至0.5m/s以下，局部区域粉尘浓度在10mg/m3以下，但压风筒输入的新鲜风流在未达到工作面就进入抽风筒负压区域，对工作面粉尘的压风作用不大，造成整个洞内的粉尘污染。当Ly=16m时，工作面处在风筒的有效射程边界，新鲜风流到达工作面的风速在1～2m/s，能够有效地将粉尘控制在距工作面5m内，粉尘控制效果最佳。

图5 Ly不同时Z=1.5m处粉尘分布和流场分布

（三）抽风筒位置对流场、粉尘分布的影响

图 6a 为 Ly=16m，r=1.2，Lc不同时，Z=1.5m 处粉尘分布。由图可以看出，当2m＜Lc＜4m时，粉尘的扩散距离随Lc增大而减小，Lc=2m时粉尘扩散距离超过30m；当4m＜Lc＜6m时，粉尘的扩散距离随Lc增大而减大，尤其当Lc=6m时，粉尘扩散距离超过40m；当Lc=4m时，粉尘扩散距离小于5m，有利于施工人员作业。

图6b为相对应的流场分布图，由图可得出，当2m＜Lc＜4m时，工作面都处于抽风筒的有效吸程内，但当Lc＜4m时，压风筒的负压区域不能有效地作用在工作面，尤其是Lc=2m时，新鲜风流经过工作面进入回流区依然有较高的流速，由于压风筒距离工作面太近，不能很好的捕捉粉尘，造成粉尘在整个隧洞内扩散。当4m＜Lc＜6m时，新鲜风流还没有到达工作面就进入抽风筒，不能达到通风除尘的效果。因此当Ly=16m，r=1.2时，压风筒距离工作面距离Lc=4m与之匹配度更高，能够为施工人员创造更好的作业环境。

图6 Lc不同时Z=1.5m处粉尘分布和流场分布

（四）压抽比对流场、粉尘分布的影响

图 7a为 Ly=16m，Lc=4m，r不同时，Z=1.5m 处粉尘分布。由图可看以出，当0.6＜r＜1.2时，粉尘主要集中在工作面抽风筒一侧，且主要沿着抽风筒一侧向隧道中部扩散，达到15m。当r＞1.2时，粉尘扩散距离达到30m，施工人员的作业区域被完全覆盖，严重危害人员职业健康。当r=1.2时，粉尘控制在距工作面5m内，为施工人员创造良好的作业环境。

图7b为相对应的流场分布图。当r＜1时，抽风筒风量大于压风筒风量，隧洞内处于负压状态，隧洞内的风流由洞口向工作面输送，由压风筒输送的风流未到达工作面就突破射流区进入涡流区，造成风流的损失。当r＞1时，压风筒风量大于抽风筒风量，但当压抽比过大时，抽风筒产生的负压区域逐渐减小，风流带出的粉尘少部分进入回流区，大部分粉尘都在涡流区的作用下向隧道中部扩散，造成隧洞内的粉尘污染。当r=1.2时，风流到达工作面速度为1～2m/s，工作面处于压风筒有效吸程边界，风量配比较为合适，有利于施工人员作业。

图7 r不同时Z=1.5m处粉尘分布和流场分布

四、结论

（一）风筒的位置对隧道的流场有着决定性作用，流场分布直接影响隧道内粉尘的分布，根据隧洞内流场分布和粉尘分布得出压风筒距工作面的位置为，A 为隧洞断面面积，单位为m2），此时工作面处在风筒的有效射程边界，粉尘控制在距工作面5m内，没有污染施工人员主要作业区域。

（二）当压风筒距离工作面16m时，最佳的抽风筒距工作面距离为此时抽风筒的负压区域处在距工作面0～5m内，与压风筒配合度最好，粉尘被有效排出。

（三）当风筒的相对位置确定后，取压抽比为1.2，风流到达工作面速度为1～2m/s，工作面处于压风筒有效吸程边界，可有效控尘、排尘，为施工人员创造健康的作业环境。