高海拔隧道出碴車排放一氧化碳的擴(kuò)散規(guī)律

孫三祥，王 文，郭慧杰，雷鵬帥,2，張 健,3

(1.蘭州交通大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.蘭州交通大學(xué) 寒旱地區(qū)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(xué) 甘肅省軌道交通力學(xué)應(yīng)用工程實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730070)

現(xiàn)場實(shí)測結(jié)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(yè)、內(nèi)燃機(jī)械的CO排放量以及隧道內(nèi)CO濃度變化趨勢，得出在出碴階段內(nèi)燃機(jī)械累計(jì)排放的CO總量多于爆破階段，施工機(jī)械，尤其是出蹅車排放的CO在出碴階段對隧道內(nèi)環(huán)境造成了嚴(yán)重污染。張玉偉等[2]采用便攜式CO檢測儀，跟蹤監(jiān)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(qū)CO濃度最高。

國內(nèi)外專家對隧道施工期的通風(fēng)進(jìn)行了研究[3-5]，并對平原地區(qū)隧道爆破后CO的擴(kuò)散進(jìn)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(nèi)爆破后的CO擴(kuò)散規(guī)律以及工作人員進(jìn)洞安全時(shí)間進(jìn)行了數(shù)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(dú)頭掘進(jìn)爆破作業(yè)后CO擴(kuò)散規(guī)律；王曉玲等[8]采用高雷諾數(shù)κ-ε數(shù)學(xué)模型，基于STAR-CD軟件，模擬分析了爆破后不同通風(fēng)時(shí)刻隧洞內(nèi)CO遷移和分布規(guī)律。但高海拔地區(qū)，由于氣壓、空氣密度和含氧量均較低，內(nèi)燃機(jī)燃燒不充分，因此CO擴(kuò)散規(guī)律有別于平原地區(qū)。

針對高海拔隧道爆破后CO濃度擴(kuò)散的模擬，曹正卯等[9]依托新關(guān)角隧道(海拔3 300 m以上)，采用κ-ε湍流非穩(wěn)態(tài)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(diǎn)有害氣體質(zhì)量濃度與海拔高度的關(guān)系式，但未考慮施工機(jī)械及出蹅車的影響。

針對隧道出碴階段CO濃度擴(kuò)散的模擬，劉敦文等[10]采用RNGκ-ε湍流模型，基于Fluent軟件，應(yīng)用組分傳輸模型，得出了平原地區(qū)隧道出碴過程CO濃度場，提出了CO濃度限值及安全連續(xù)作業(yè)時(shí)間。專家還就隧道施工過程中車輛對隧道速度場及通風(fēng)效果的影響，且大多采用二維動(dòng)網(wǎng)格模型模擬[11-12]，而對高海拔隧道出碴車運(yùn)行過程中排放CO濃度擴(kuò)散的模擬目前未見報(bào)道。

因此，本文選取RNGκ-ε湍流模型，利用動(dòng)網(wǎng)格及用戶自定義函數(shù)，選用彈簧近似光滑模型、局部重劃模型計(jì)算網(wǎng)格的動(dòng)態(tài)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(jī)械排放的CO作為固定源；基于Fluent軟件，進(jìn)行通風(fēng)工況下出碴車運(yùn)行過程中高海拔隧道內(nèi)氣流速度場和壓力場、CO濃度場的三維非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬?；诔霾赀^程現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證模擬結(jié)果。根據(jù)模擬結(jié)果分析出碴車排放CO擴(kuò)散規(guī)律及行駛間隔時(shí)間，為高海拔隧道施工通風(fēng)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(dāng)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(wǎng)格簡圖，取正洞長度為1 600 m，平導(dǎo)長度為2 000 m，動(dòng)網(wǎng)格計(jì)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(fēng)筒直徑為1.2 m，位于隧道側(cè)壁中上部，正洞風(fēng)筒距掌子面30 m，壓入式通風(fēng)。采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格對流場區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對出碴車車體周圍及車頭、車位部網(wǎng)格進(jìn)行加密，如圖1所示。通過網(wǎng)格敏感性分析，確定最終節(jié)點(diǎn)數(shù)62 905個(gè)，網(wǎng)格數(shù)337 448個(gè)。出碴車行駛及CO排放對應(yīng)流場采用動(dòng)網(wǎng)格劃分。

1.2 動(dòng)網(wǎng)格模型的建立

將隧道內(nèi)氣流場分為出碴車運(yùn)動(dòng)區(qū)域和不運(yùn)動(dòng)區(qū)域，基于Fluent軟件提供的DEFINE_CG_MOTION和DEFINE_PROFILE宏，應(yīng)用C語言編譯用戶自定義函數(shù)，建立出蹅車運(yùn)動(dòng)和CO排放速度變化的動(dòng)網(wǎng)格模型。

1.3 氣流流動(dòng)與CO擴(kuò)散的方程

1.3.1 基本假設(shè)

(1)通風(fēng)氣流為不可壓縮流體。

(2)氣體在稀釋擴(kuò)散過程中不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)及相變反應(yīng)。

(3)隧道壁面為等溫壁面。

(4)僅考慮出碴車排放CO的擴(kuò)散，將其他機(jī)械排放的CO統(tǒng)一作為固定源，即將出蹅車通過監(jiān)測點(diǎn)前的CO濃度值作為模擬計(jì)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(dòng)與CO擴(kuò)散的方程，包括基本控制方程(質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量方程、能量方程)、湍動(dòng)能方程、湍動(dòng)能耗散率方程和組分輸運(yùn)方程，分別如下。

(1)基本控制方程通式為

(1)

式中：t為時(shí)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(yīng)變量的廣義擴(kuò)散系數(shù)和廣義源項(xiàng)。

(2)湍動(dòng)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(dòng)能，m2·s-2；xi和xj為坐標(biāo)；μt為紊流動(dòng)力黏性系數(shù)，Pa·s；σκ為湍流普朗特?cái)?shù)，σκ=1.00；ε為紊流的動(dòng)能耗散率，m2·s-3；μeff為有效黏性系數(shù)；μ為層流動(dòng)力黏性系數(shù)，Pa·s；cμ為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，取值0.09；G為紊流脈動(dòng)動(dòng)能產(chǎn)生項(xiàng)。

(3)湍動(dòng)能耗散率ε方程為

(3)

式中：σε，c1，c2均為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，σε=1.30，c1=1.44，c2=1.92。

(4)組分輸運(yùn)方程為

(4)

1.3.3 邊界條件

(1)進(jìn)口邊界：出碴車排氣管為CO進(jìn)口邊界?；诂F(xiàn)場測試結(jié)果，確定尾氣管出口CO濃度最大值為427 mg·m-3，對應(yīng)尾氣溫度為600 K，尾氣設(shè)置為空氣與CO的混合體，其中CO在尾氣中的質(zhì)量百分比取0.042 7%。出碴車加速、勻速運(yùn)行階段CO的排放速度分別為30和23 m·s-1?，F(xiàn)場實(shí)測隧道內(nèi)風(fēng)速為0.3 m·s-1，該風(fēng)速設(shè)為隧道模型入口的風(fēng)速。

(2)出口邊界: 設(shè)為自由出流邊界條件。

(3)壁面邊界: 出碴車及隧道壁面設(shè)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(fēng)量為1 000 m3·min-1，對應(yīng)正洞風(fēng)管出口風(fēng)速為14.8 m·s-1，入口輸送新鮮空氣(即CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0),空氣溫度為293 K。

2 數(shù)值模擬算法及算法驗(yàn)證

2.1 數(shù)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(biāo)準(zhǔn)離散方式；其他參數(shù)的離散采用二階迎風(fēng)格式。網(wǎng)格的動(dòng)態(tài)變化過程選用彈簧近似光滑模型和局部重劃模型模擬。時(shí)間步長設(shè)置為0.01 s。

2.2 算法驗(yàn)證

采用現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)對模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。現(xiàn)場實(shí)測期間，隧道內(nèi)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(hào)橫通道運(yùn)行到3號(hào)橫通道。分別在距棧橋50，100，150 m的斷面布置測點(diǎn)，并分別標(biāo)記為測點(diǎn)1、測點(diǎn)2、測點(diǎn)3。測點(diǎn)位于出碴車右側(cè)，且距右側(cè)隧道壁面1.2 m，距隧道底面1.5 m。使用CD4(B)型多參數(shù)氣體測定器檢測CO濃度，數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔為15 s，持續(xù)監(jiān)測300 s。

測點(diǎn)1不同時(shí)間間隔CO濃度的測定值與數(shù)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(kuò)散規(guī)律。

3 數(shù)值模擬結(jié)果

3.1 出碴車運(yùn)行速度曲線

根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測，出碴車運(yùn)行速度曲線取3種，如圖2所示，即出碴車的加速時(shí)間均取4 s, 加速度a取1.00，1.25，1.50 m·s-2，對應(yīng)的勻速運(yùn)行速度v取4，5，6 m·s-1。

圖2 出碴車運(yùn)行速度曲線

3.2 出碴車環(huán)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(shí)，車頭環(huán)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(yīng)速度為6 m·s-1的速度曲線行駛至8 s時(shí)，出碴車不同部位環(huán)隙流速度分布如圖4所示。圖中縱坐標(biāo)環(huán)隙速度方向與車體同向?yàn)檎?，反向?yàn)樨?fù)；橫坐標(biāo)以車體軸線為基準(zhǔn)，運(yùn)行方向右側(cè)至隧道壁面的距離為正，左側(cè)為負(fù)。由圖3和圖4可知：出碴車行駛速度越大，環(huán)隙流速度越大；出碴車行駛速度一定時(shí)，越靠近出碴車尾部，環(huán)隙流速度越大。

圖3 出碴車以3種速度曲線行駛時(shí)環(huán)隙流速度分布

圖4 出碴車不同部位環(huán)隙流速度分布

3.3 出碴過程中隧道內(nèi)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(qū)分相同車速不同時(shí)刻、相同時(shí)刻不同車速2種情況，根據(jù)模擬結(jié)果繪制不同時(shí)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(shí)刻

以圖2中出碴車的加速度1.50 m·s-2，勻速運(yùn)行速度6 m·s-1的速度曲線為例，不同時(shí)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(shí)刻氣流壓力的沿程分布曲線

由圖5可知：出碴車自啟動(dòng)(t=0)到加速結(jié)束時(shí)(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(fù)壓，且氣流壓力均達(dá)到最大值；勻速行駛時(shí)，車頭前端區(qū)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(jié)束時(shí)車頭氣流壓力最大值是勻速行駛時(shí)最大值的5倍，車尾氣流壓力最大值是勻速行駛時(shí)最大值的3.6倍。

圖6 不同時(shí)刻氣流速度的沿程分布曲線

由圖6可知：出碴車自啟動(dòng)(t=0)到加速結(jié)束時(shí)(t=4 s)，車體周圍氣流速度變化也最大，速度最大值出現(xiàn)在車尾；車頭前端速度變化影響區(qū)域長度約5 m，車尾渦流區(qū)影響長度較大，且隨時(shí)間的延續(xù)影響區(qū)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(yuǎn)大于勻速行駛階段，其中車尾渦流區(qū)速度最大，為勻速運(yùn)行階段車尾渦流區(qū)最大速度的2～3倍。

2)相同時(shí)刻，不同車速

以出碴車穩(wěn)定運(yùn)行12 s時(shí)刻為例，不同車速時(shí)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(shí)氣流壓力沿程分布曲線

圖8 不同車速時(shí)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(qū)域長度約5 m；遠(yuǎn)小于車尾負(fù)壓區(qū)域長度；隨著車速增大，車頭前端壓力及車尾負(fù)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(qiáng)，同時(shí)壓力變化影響區(qū)域也增大；車頭前端5 m以遠(yuǎn)區(qū)域壓力沿程變化趨于穩(wěn)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(qū)域長度約5 m；車尾渦流區(qū)影響區(qū)域長度較大，且隨時(shí)間的延續(xù)影響長度逐漸增大；車速越大，車尾渦流速度越大，影響區(qū)域長度越大；運(yùn)行歷時(shí)12 s后，3種車速下的氣流速度場均趨于穩(wěn)定。

3.4 出碴車行駛時(shí)CO濃度場

鑒于加速階段歷時(shí)短，重點(diǎn)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(yùn)行速度6 m·s-1的速度曲線行駛至8 s時(shí)，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(qū)；受車速和環(huán)隙流的影響，出碴車尾部氣流速度變大，紊動(dòng)作用加強(qiáng)，從而增強(qiáng)了CO的擴(kuò)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(cè)，車體行駛過程中尾氣排放應(yīng)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(qū)別另文討論。

以圖2中加速度1.50 m·s-2，勻速運(yùn)行速度6 m·s-1的速度曲線為例，出渣車行駛至8 s時(shí)，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(qū)；出碴車勻速行駛時(shí)，距尾氣管出口越近，CO濃度越高，但超標(biāo)(高于標(biāo)準(zhǔn)TB10204—2002《鐵路隧道施工規(guī)范》中的限值30 mg·m-3)區(qū)域極?。粏诬噭蛩傩旭倳r(shí)CO濃度超標(biāo)，但超標(biāo)區(qū)域的高度未達(dá)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(yùn)行速度6 m·s-1的速度曲線行駛時(shí)，不同時(shí)刻、不同車速時(shí)隧道內(nèi)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(shí)，CO濃度分布云圖如圖12所示。由圖11和圖12可得如下結(jié)論。

圖11 不同時(shí)刻隧道內(nèi)CO濃度分布云圖

圖12 不同車速時(shí)隧道內(nèi)CO濃度分布云圖

(1)CO自車體左側(cè)的尾氣管排出后，車體左側(cè)尾部渦流區(qū)的CO濃度較高。

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

(3)出碴車加速運(yùn)行區(qū)段，CO累積嚴(yán)重，車體尾部濃度高，濃度超過標(biāo)準(zhǔn)限值30 mg·m-3。因此建議出碴車選擇出碴路線時(shí)，盡量減少作業(yè)點(diǎn)，從而減少出碴車加減速的次數(shù)，以減少CO排放量；作業(yè)人員選擇避讓點(diǎn)時(shí)，應(yīng)盡量選擇在出碴車勻速行駛區(qū)段、遠(yuǎn)離車輛尾氣管的一側(cè)，避免選擇在出碴車加速區(qū)段(例如在通過棧橋的區(qū)段)。

(4)出蹅車經(jīng)過測點(diǎn)較長一段時(shí)間后，由于環(huán)隙流的作用，隧道頂部的高濃度CO向隧道底部運(yùn)移，致使底部CO濃度升高。根據(jù)模擬結(jié)果，車速為4，5，6 m·s-1時(shí)，隧道內(nèi)前、后2輛出碴車輛間隔時(shí)間大于5 min時(shí)，CO累積濃度不超過標(biāo)準(zhǔn)限值30 mg·m-3。因此，建議前、后2輛出碴車間隔時(shí)間盡量大于5 min。

3.5 出碴車尾部CO擴(kuò)散規(guī)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(cè)1.2 m，距隧道底面1.5 m的點(diǎn)為觀測點(diǎn)(該點(diǎn)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(shí)， 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(kuò)散規(guī)律符合瞬時(shí)點(diǎn)源一維隨流擴(kuò)散方程基本解(不同車速擬合優(yōu)度R2均大于0.8)，即按照e指數(shù)衰減。這也與文獻(xiàn)[7]基于實(shí)測結(jié)果所得結(jié)論一致。

圖13 CO濃度沿程變化曲線

隧道內(nèi)污染物瞬時(shí)點(diǎn)源一維隨流擴(kuò)散方程基本解為[13]

(5)

式中：C為隧道內(nèi)采樣點(diǎn)空氣污染物濃度，是時(shí)間t和位置x的函數(shù)，mg·m-3；C0為隧道內(nèi)測點(diǎn)初始時(shí)刻空氣污染物濃度，mg·m-3；u為隧道內(nèi)氣流速度，m·s-1；D為CO擴(kuò)散系數(shù)，m2·s。

將式(5)進(jìn)行變換可得

(6)

將圖13對應(yīng)的實(shí)測數(shù)據(jù)代入式(6)，可得出碴車不同車速時(shí)CO擴(kuò)散系數(shù)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(kuò)散系數(shù)越大；受尾部渦流的影響，距車尾近區(qū)，CO擴(kuò)散系數(shù)較大，擴(kuò)散較快，遠(yuǎn)離尾部渦流區(qū)，CO濃度擴(kuò)散系數(shù)趨于穩(wěn)定。

圖14 CO擴(kuò)散系數(shù)隨距離的變化

為便于計(jì)算，考慮CO擴(kuò)散系數(shù)與車速之間的關(guān)系，車速分別為4，5，6 m·s-1時(shí)對應(yīng)的CO擴(kuò)散系數(shù)均值分別為6.20，5.97，5.91 m2·s。

4 結(jié) 論

(1)出碴車分別以圖2中3條速度曲線運(yùn)行時(shí)，車頭前端氣流速度和壓力變化影響的區(qū)域長度約為5 m，車尾影響的區(qū)域較長；出碴車運(yùn)行速度越大，越靠近車輛尾部，環(huán)隙流速度越大；運(yùn)行歷時(shí)12 s后速度場均趨于穩(wěn)定；加速階段車體不同部位氣流速度均遠(yuǎn)大于勻速行駛階段，其中車尾渦流區(qū)氣流速度最大，為勻速運(yùn)行階段車尾渦流區(qū)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(fù)壓均增大，加速結(jié)束時(shí)，車頭氣流壓力最大值是勻速行駛時(shí)最大值的5倍，車尾氣流壓力最大值是勻速行駛時(shí)最大值的3.6倍。

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

(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(biāo)準(zhǔn)限值30 mg·m-3，建議前后2輛出碴車行駛間隔時(shí)間大于5 min。

(4)出碴車運(yùn)行過程中，CO擴(kuò)散規(guī)律符合瞬時(shí)點(diǎn)源一維擴(kuò)散方程基本解，即按照e指數(shù)衰減。車速越大，車體尾部CO擴(kuò)散系數(shù)越大；受尾部渦流的影響，距車尾近區(qū)，CO擴(kuò)散系數(shù)較大，遠(yuǎn)離尾部渦流區(qū)，CO擴(kuò)散系數(shù)趨于穩(wěn)定。