高海拔隧道施工自卸車CO擴散規(guī)律

孫三祥，王 文，路仕洋，李 炎,3，雷鵬帥

(1.蘭州交通大學環(huán)境與市政工程學院，甘肅蘭州 730070； 2.蘭州交通大學寒旱地區(qū)水資源綜合利用教育部工程研究中心，甘肅蘭州 730070； 3.蘭州交通大學甘肅省軌道交通力學應用工程實驗室，甘肅蘭州 730070； 4.中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西西安 710043)

隧道施工出渣過程中，自卸車排氣管安裝位置對CO濃度沿程分布影響較大。自卸車尾氣管安裝位置主要有3種：陜汽德龍尾氣管位于駕駛室后部的車體側部，尾氣管向側部排污；東風某車型排污管安裝于車體底部，尾氣管向下方排污；與皮卡及礦用膠輪車類似的某些車型，其尾氣管則安裝于車體尾部，尾氣管向后方排污。分析自卸車行駛過程中不同安裝位置尾氣管CO濃度的擴散特性，可為定量分析自卸車尾氣排放對隧道施工環(huán)境的影響、確定施工通風方案提供技術依據，同時可為出渣車車型的選用、出渣路線及人員避車位置的確定提供技術參數。

目前，國內外對隧道車輛運移的研究多以活塞風效應為主進行數值模擬[1-6]，且大多都采用二維動網格技術[4-7]，自卸車沿途排污的研究[8-9]較少。

針對爆破后高海拔隧道內CO濃度場的模擬，文獻[10]采用k-ε湍流模型，運用Fluent軟件模擬關角隧道施工爆破后有害氣體濃度場，得到有害氣體濃度與海拔的關系式。文獻[11-12]選用RNGk-ε湍流模型，基于動網格及用戶自定義函數(UDF)模擬分析高海拔隧道出渣車的CO排放擴散規(guī)律。

針對出渣階段隧道內CO濃度場的模擬，文獻[13]采用RNGk-ε湍流模型、組分傳輸模型、Fluent軟件模擬平原地區(qū)(海拔小于396 m)隧道CO濃度場，提出連續(xù)安全作業(yè)時間的建議值。

針對平原地區(qū)隧道爆破后CO擴散規(guī)律的模擬研究，采用的軟件主要有Fluent[14-15]、ADINA[16]、STAR-CD[17]，選用的模型有標準k-ε雙方程模型[14]、RNGk-ε模型[15-16]、高雷諾數k-ε模型[17]。

隧道內自卸車運移時CO沿程排放和分布情況較復雜，采用三維動網格技術模擬更接近現場實際。本文運用Fluent軟件、RNGk-ε湍流模型、動網格及UDF技術，采用通用有限速率模型模擬CO與空氣的耦合作用，考慮高海拔低氣壓和空氣密度的影響，針對高海拔隧道施工出渣過程中自卸車3種不同位置排氣管CO排放，進行速度場、CO濃度場非穩(wěn)態(tài)三維數值模擬。同時，提出多輛作業(yè)車在隧道內沿途排污濃度累積計算式，并結合現場實測數據驗證模擬結果。

1 基本模型的建立

1.1 物理模型

基于某在建高海拔單洞單線特長隧道施工實際建立三維模型。模擬中將自卸車車體簡化為距隧道底面0.6 m、尺寸為8 m×2.5 m×3 m(長×寬×高)的長方體，取尾氣管管口直徑為0.08 m，尾氣管出口位置分別為：(1)位于車體左側，距隧道底面0.8 m，距車頭3 m；(2)位于車體底部，距隧道底面0.4 m，距車頭4 m，距車體中心線1 m；(3)位于車體尾部，距隧道底面0.4 m，距車體中心線1 m。自卸車在行駛過程中尾氣的排放模擬采用動網格，其余空間采用非結構化四面體網格進行劃分，并對自卸車尾氣管附近、車體周圍及前后網格進行局部加密，如圖1所示。

圖1 網格透視圖

1.2 數學模型1.2.1 基本假設

(1)隧道內氣流均為不可壓流體。

(2)氣流擴散過程中沒有化學反應、相變反應，隧道壁面為絕熱壁面。

(3)隧道內除自卸車排放的污染物，無其他污染源。

1.2.2 基本方程

選取RNGk-ε湍流模型使方程組封閉。隧道內空氣流動、污染物擴散控制方程包括連續(xù)性方程、動量方程、能量方程、k-ε模型方程、CO組分方程。

1.2.3 邊界條件

以隧道進口斷面、自卸車排氣管為入口邊界，隧道自卸車及隧道壁面設為wall邊界。具體設置如下：

(1)入口邊界：根據現場實測資料，隧道風速v洞=0.3 m/s，溫度T=290 K，不考慮掌子面作業(yè)機械的排污影響；尾氣管出口處CO濃度為0.042 7%，溫度為600 K。將自卸車尾氣設置為空氣與CO混合氣體，CO排放比按0.042 7%計算。

(2)出口邊界：設為自由出流(outflow)邊界條件。

(3)壁面邊界：隧道壁面設為絕熱無滑移壁面。

2 動網格模型的建立

2.1 動網格計算模型

對于通量φ，在任一控制體內，其邊界是運動的，守恒方程的通式為

( 1 )

式中：ρ為氣流密度；u為速度矢量；us為動網格變形速率；Γ為擴散系數；Sφ為通量的源項；?V為控制體邊界。

2.2 程序的二次開發(fā)

采用Fluent軟件建立動網格模型。將隧道流場分為運動的自卸車區(qū)域和不動流體區(qū)域，自卸車車體表面設置為固體邊界wall?；贔luent軟件提供的DEFINE_CG_MOTION宏，用C語言編譯自卸車運動的UDF。車輛勻速運行，速度v=5 m/s，總運移時間t=16 s。

2.3 數值算法

速度場模擬選取RNGk-ε湍流模型，采用組分模型中的通用有限速率模型模擬CO與空氣的耦合作用，流場迭代采用PISO算法，壓力場采用標準方式離散，其他參數采用二階迎風格式離散。選用局部重劃模型和彈簧近似光滑模型模擬網格的動態(tài)變化過程。時間步長設置為0.005 s。

2.4 結果驗證

現場實測期間，隧道正洞內大氣壓為70.7～71.5 kPa，氣溫為13.8～18.5 ℃，自卸車為陜汽德隆F3000型。根據現場實際，分別在距棧橋50，100，150 m的斷面布置測點，標記為測點1，2，3。各測點距出渣車右側隧道壁面1.2 m，距隧道底面1.5 m。使用CD4(B)型多參數氣體測定器檢測CO濃度，數據采集時間間隔為15 s。測點CO濃度隨時間變化的實測值及模擬值如圖2所示。

圖2 測點CO濃度變化曲線

鑒于模擬及實測結果吻合度較好，相對誤差小于5%，圖2僅列出了CO濃度最大變幅模擬結果。由圖2的放大部分可以看出，出渣車通過測點1時，CO濃度最大變幅為0.000 7‰。CO濃度從0.290 5‰上升至0.291 2‰(歷時8 s)，隨后開始回落，回落過程較長。

驗證結果表明，運用Fluent軟件的動網格UDF技術，能有效揭示出渣車行駛過程中CO排放及分布規(guī)律。

3 模擬結果及分析

根據Fluent模擬計算結果進行后處理，得到的出渣車行駛過程中隧道內速度場三維等值面如圖3所示。

圖3 三維流速等值面(單位：m/s)

圖3表明，自卸車行駛過程中，車輛側壁及尾部流速變化較大，其中尾部速度變化最大。

以距離隧道底面1.5 m的隧道中線點縱向速度分布(圖4)及隧道環(huán)隙橫向速度分布(圖5)為例，比較動網格及相對運動(車輛靜止，氣流運動)兩種方法的計算精度。

圖4 縱向速度分布

圖5 環(huán)隙橫向速度分布

圖4表明，在車尾后部渦流區(qū)，采用動網格所得渦流區(qū)流速值較大，兩種方法所得車頭前方流速基本相等。

圖5表明，靠近隧道壁面?zhèn)?，兩種方法所得環(huán)隙速度差別較大。采用相對運動方法所得壁面?zhèn)茸畲笏俣鹊扔谲囕v行駛速度，與實際不符，而采用動網格算法時，壁面?zhèn)茸畲笏俣葹?，符合實際。因此，采用動網格進行模擬。

以距隧道底面1.5 m為例，比較排氣管位置對隧道CO濃度分布的影響，如圖6所示。

(a)側部排氣管

(b)底部排氣管

(c)尾部排氣管圖6 水平截面CO濃度云圖

圖6表明，距隧道底面1.5 m平面，側部排氣管CO最高濃度約為1.6×10-5，底部尾氣管排污最高濃度約為1.0×10-5，尾部排氣管排污最高濃度約為1.2×10-5。側部排氣管排出的CO主要集中于車輛排氣管側部，底部與尾部排氣管排出的CO分布較均勻。

三種排氣管出口中心軸線平面的CO濃度分布如圖7所示。

圖7 不同排氣管布置形式的CO濃度分布

文獻[18]規(guī)定，隧道施工環(huán)境的CO容許濃度為30 mg/m3。模擬結果表明，不同車速行駛過程中，CO濃度高于30 mg/m3的區(qū)域均極小，且均集中于排氣管附近，如圖8所示。側部排氣管超標濃度主要集中在排污一側排氣管高度范圍，非排污側CO濃度低，作業(yè)環(huán)境較好；底部排氣管超標濃度主要集中于車體底部；尾部排氣管中超標濃度主要集中于車體尾部，受尾部氣流影響，擴散高度在較長一段距離內均低于車體高度。比較圖7(a)～圖7(c)可以看出，圖7(a)CO擴散效果最好，CO在脫離環(huán)隙流區(qū)域后迅速擴散；圖7(b)CO濃度超界限區(qū)域最大，擴散效果最差；圖7(c)CO濃度超界限區(qū)域最小。

以尾部排氣管為例，分別截取車尾排氣管附近間距為1 m的5個斷面CO濃度分布圖，如圖8所示。

圖8 尾部排氣管斷面CO濃度分布

圖8表明，排氣管軸線CO濃度沿程逐漸減小，而垂直軸線的截面上CO濃度沿徑向逐漸減小，受車體運動的影響，未呈現出常規(guī)浮射流特性，即與車體不運動情況下浮射流濃度分布的特征不同。

在自卸車行駛速度、排氣管位置相同工況下，分別模擬平導(小斷面)及正洞(大斷面)內CO濃度沿途分布。以側部排氣管，距隧道底面1.5 m水平截面的CO濃度分布為例，對模擬結果進行比較分析，如圖9所示。

(a)小斷面隧道

(b)大斷面隧道圖9 不同斷面隧道CO濃度分布

圖9模擬結果表明，在人體呼吸高度，小斷面隧道(平導)最高濃度約為1.6×10-5，大于大斷面隧道(正洞)的最高濃度(約為1.2×10-5)，擴散分布范圍廣。人體呼吸高度CO濃度未超標。相同車型、相同行駛速度條件下，隧道斷面越大，CO擴散越快。

現場實際中，自卸車出隧道(滿載行駛)時，其排污量較自卸車進隧道(空車行駛)時大。故建議安排自卸車出渣線路時，盡量將大斷面隧道作為出隧道線路，小斷面隧道作為入隧道線路。

CO自排氣管排出后，以縱向擴散為主，橫向和豎向擴散較小。

排氣管軸線CO濃度分布如圖10所示。比較三種排氣管位置，側部排氣管沿途CO排放擴散效果最好，尾部排氣管沿途CO排放擴散效果次之，底部排氣管沿途CO排放擴散效果最差。主要是較大的環(huán)隙氣流流速、尾部排氣形成的大范圍尾渦(流)的影響。

(a)側部排氣管

(b)底部排氣管

(c)尾部排氣管圖10 CO沿排氣管軸線濃度分布

綜合考慮人員避險、路況等因素，建議首選排氣管位于側部的自卸車作為出渣作業(yè)車輛。

研究單臺自卸車CO排放和擴散時，由于斷面平均濃度不能體現車輛的動態(tài)排污及尾渦對擴散的影響，CO濃度不宜取斷面平均值。

根據模擬結果，對CO濃度沿程變化進行擬合，擬合式為

C=C0exp(a+bx+cx2)

( 2 )

式中：C0為自卸車尾氣管出口排放CO的濃度；C為沿程CO體積濃度，10-6；x為軸線方向距離，m。

由式( 1 )可以看出，排氣管軸線方向CO濃度擴散符合e指數規(guī)律。不同排氣管位置的擬合參數見表1。

表1 擬合參數

4 CO濃度沿程變化理論分析

隧道施工環(huán)境CO濃度超標主要是作業(yè)車輛排污累積的結果。根據一維紊動擴散理論，前、后自卸車輛排污濃度沿程變化可采用類推法獲得，如圖11所示。

圖11 CO濃度沿程分布示意圖

( 3 )

( 4 )

( 5 )

ln-1=vc×tn-1n=2，3，4，…

( 6 )

( 7 )

( 8 )

( 9 )

(10)

式中：C1為隧道百米排污平均濃度；q為尾氣排放體積；d為排氣管徑；v0為尾氣管出口平均排污速度；t0為初始時間；Q為通風管風量；S為隧道斷面面積。

隧道CO濃度為基底濃度與自卸車排放CO濃度之和。

現場實際中沿程CO濃度檢測結果的影響因素較多，如測量車行駛速度不穩(wěn)定、沿程橫通道的開設、射流風機的布置等。故在實測數據中選取較穩(wěn)定的區(qū)段值(300 s后的區(qū)段)進行比較。在距隧道底面1.5 m、隧道壁面1.2 m處沿程放置CD4(B)型多參數氣體測定器?，F場實測期間，隧道正洞內氣溫為13.8～18.5 ℃，大氣壓為70.7～71.5 kPa，CO濃度檢測結果如圖12所示。由圖12可以看出，300 s之后CO濃度值呈階梯狀上分布，與式( 3 )～式( 6 )表述一致。

圖12 隧道內CO濃度沿程分布

5 結論

(1)基于三維非穩(wěn)態(tài)RNGk-ε湍流模型，考慮大氣壓和浮力的影響，采用動網格方法模擬自卸車行駛過程中CO沿途排放擴散，結果與實際相符。

(2)在相同行駛工況下斷面面積越大的隧道自卸車尾氣沿途擴散速度越快，隧道內CO濃度越低。故建議安排自卸車出渣線路時，盡量將大斷面隧道作為出隧道線路，小斷面隧道作為入隧道線路。

(3)自卸車通過后，在活塞風及環(huán)隙流的作用下，頂部氣流向隧道底部流動，使得CO濃度聚集在低于車體高度的較長區(qū)段內。CO擴散過程中，高于30 mg/m3(2.4×10-5)的區(qū)域較小，且均集中于排氣管附近。側部排氣管排放過程中超標濃度主要集中在車體排污側的排氣管高度范圍。

(4)自卸車運行過程中，排氣管主軸線CO稀釋擴散過程遵循e指數規(guī)律。三種排氣管中，側部排氣管CO擴散效果最好，尾部排氣管CO擴散效果次之，底部排氣管CO擴散效果最差。綜合考慮人員避險、路況等因素，建議首選排氣管位于側部的自卸車作為出渣作業(yè)車輛。

(5)施工過程中CO超標是前后自卸車CO濃度累積作用的結果。單洞隧道CO累積濃度沿程呈階梯狀上升，且高濃度區(qū)段長度逐漸增大。隧道沿程累積濃度預測公式可為現場CO濃度計算提供依據。