脈動通風(fēng)在螺旋隧道施工期的應(yīng)用研究

任 松，牟其博，李 玉，陳 釩，楊 松

(1.重慶大學(xué) 煤礦災(zāi)害動力學(xué)與控制國家重點實驗室，重慶 400044；2.中電建路橋集團有限公司，北京 100048)

0 引言

我國高速公路建設(shè)技術(shù)飛速發(fā)展，公路隧道打破過去單一的直線型選型，開始建設(shè)大量螺旋型隧道，以避開不良地質(zhì)區(qū)域，減少工程量。但由于其線型特殊、坡度較大等因素，使得螺旋型隧道施工過程中通風(fēng)排煙、降塵等比一般直線隧道更困難[1-2]?？焖倥懦跓?、降低粉塵濃度對改善施工環(huán)境，保證隧道內(nèi)施工人員健康和安全十分關(guān)鍵[3]。

礦井瓦斯和粉塵防治中，常應(yīng)用脈動通風(fēng)消除上隅角瓦斯積聚問題，提高降塵效率。文獻[4-6]提出，脈動通風(fēng)消除上隅角瓦斯過程中，瓦斯集聚區(qū)氣體在平行于風(fēng)流速度方向不受風(fēng)流壓力作用，但在垂直于風(fēng)流速度方向受到風(fēng)流靜壓作用，在風(fēng)流全壓不變的條件下，由于速度變化引起風(fēng)流靜壓的變化，從而導(dǎo)致瓦斯集聚區(qū)的氣體在垂直風(fēng)流速度方向上產(chǎn)生位移；廖貴發(fā)[7]認(rèn)為，井巷空間內(nèi)近壁低層區(qū)(稱“靜止區(qū)”)易積聚瓦斯，脈沖風(fēng)流能有效加強瓦斯在“靜止區(qū)”的擴散強度，并對瓦斯在“流動區(qū)”的遷移產(chǎn)生積極效果。脈動通風(fēng)方法還可用于巷道排塵。在水平巷道中，粉塵顆粒徑較小時易懸浮在空氣中，由于粉塵的密度較風(fēng)流介質(zhì)大，常積聚在隧道下方的渦流區(qū)內(nèi)，風(fēng)流發(fā)生脈動時，脈動通風(fēng)有利于粉塵與風(fēng)流很好地混合并隨風(fēng)流排出?，F(xiàn)有研究多從通風(fēng)過程中氣體微團的運動過程及運動規(guī)律出發(fā)，研究脈動通風(fēng)與正常通風(fēng)的區(qū)別，相關(guān)理論較成熟。脈動通風(fēng)方法在礦井通風(fēng)的現(xiàn)場應(yīng)用和數(shù)值模擬研究中，均被證明較定常流通風(fēng)更有優(yōu)越性。長久以來脈動通風(fēng)僅限于煤礦井下應(yīng)用，且研究自2000年起幾乎停止，對于現(xiàn)場實際應(yīng)用指導(dǎo)作用不強，對實際應(yīng)用中脈動通風(fēng)的脈動周期和幅值取值方面研究較少。

本文將脈動通風(fēng)方法引入對通風(fēng)系統(tǒng)要求較高的螺旋隧道施工中，借助FLUENT數(shù)值模擬軟件，采用理論分析與數(shù)值模擬結(jié)合的方法，考慮脈動通風(fēng)的頻率、幅值變化對隧道內(nèi)排除炮煙以及降塵的影響。

1 脈動通風(fēng)下隧道內(nèi)污染物運移機理

隧道爆破產(chǎn)生的CO為最主要的有害氣體。爆破瞬間炮煙充滿1個有一定距離的空間內(nèi)，混合用時極短[8]。該距離稱為“炮煙拋擲距離”，按式(1)計算：

b=15+G/5

(1)

式中：b為炮煙拋擲距離，m；G為爆破所用炸藥量，kg。

隧道施工的噴漿過程持續(xù)時間長，人員在此工序受粉塵影響大。因此，本文考慮噴漿過程中粉塵的運移過程。

1.1 脈動通風(fēng)形式

一般隧道供風(fēng)風(fēng)速為定值。脈動通風(fēng)模式下送風(fēng)的脈動風(fēng)速v(t) (如式(2))呈周期性變化，如圖1所示。

圖1 定常流通風(fēng)與脈動通風(fēng)風(fēng)速Fig.1 Velocity of constant flow ventilation and pulsed ventilation

v(t)=v0+v′(t)=v0+v1sinωt

(2)

式中：v0為隧道主風(fēng)流風(fēng)速，m/s；v′(t)為脈動風(fēng)速，m/s；v′(t)=v1sinωt，v1為脈動幅值，m/s；ω=2πf，為脈動周期；f為脈動頻率，Hz。

1.2 脈動通風(fēng)下CO及粉塵擴散方程

考慮隧道內(nèi)通風(fēng)情況，提出假設(shè)：1)隧道通風(fēng)渦流區(qū)等“靜止區(qū)”，區(qū)內(nèi)風(fēng)速近似于零，其他區(qū)域為“流動區(qū)”；2)污染物運移過程為等溫過程；3)隧道中風(fēng)流全壓受脈動風(fēng)流的影響而產(chǎn)生的變化較小，忽略不計；4)主流區(qū)風(fēng)量夠大，滿足要求；5)粒徑足夠小的粉塵可認(rèn)為懸浮在空氣中。

由文獻調(diào)研可知，隨流擴散除了考慮“流動區(qū)”在主風(fēng)流方向擴散運動，還需考慮“靜止區(qū)”存在的對流脈動擴散，但在任意一個區(qū)域內(nèi)的污染物，都僅做一維擴散運動。

分子擴散遵循菲克第一定律，見式(3)，分子從濃度高處向濃度低處擴散。根據(jù)菲克定律和質(zhì)量守恒定律可得到菲克第二定律(擴散方程)表達式(4)[9]。

菲克第一定律：

(3)

菲克第二定律：

(4)

式中：Dm為擴散系數(shù)，m2/s；C為擴散物質(zhì)的體積濃度；K為擴散通量，kg/(m·s)；“-”負號代表擴散方向為濃度梯度的反方向，分子從濃度高處向濃度低處擴散。

除分子擴散外，污染物還隨風(fēng)流做隨流擴散，需在擴散方程中加入流體流動因素。取隨流體運動的運動坐標(biāo)系，主風(fēng)流方向為X軸，速度為u；垂直主風(fēng)流方向為Y軸，速度為v；如圖2所示。

圖2 隧道風(fēng)流運動坐標(biāo)系Fig.2 Coordinate system of airflow motion in tunnel

對“流動區(qū)”污染物而言，擴散方向為主風(fēng)流方向，擴散方程如式(5)：

(5)

對“靜止區(qū)”污染物而言，擴散方向為垂直于主風(fēng)流方向，擴散方程如式(6)：

(6)

1.3 脈動通風(fēng)下CO及粉塵流動力學(xué)分析

(7)

由此可見，應(yīng)用脈動通風(fēng)時，在垂直與主風(fēng)流方向會產(chǎn)生位移，具有位移速度。在脈動風(fēng)流作用下，“靜止區(qū)”污染物在垂直于風(fēng)流方向上的位移r是隨時間t呈周期性變化的函數(shù)，當(dāng)dr/dt=v>0時，“靜止區(qū)”污染物向外擴張，進入“流動區(qū)”，隨主風(fēng)流排出隧道；dr/dt=v≤0時，“靜止區(qū)”污染物向內(nèi)收縮，主風(fēng)流被帶入該區(qū)域稀釋污染物。在脈動通風(fēng)條件下，隧道內(nèi)風(fēng)流結(jié)構(gòu)不再是一成不變，渦流區(qū)縱向脈動速度不斷變化，增強污染物擴散能力。

除了改變垂直于主風(fēng)流方向的縱向脈動速度外，脈動通風(fēng)還加強了主風(fēng)流方向的橫向脈動。且橫向脈動也隨時間周期性變化，其加速度時而正時而負，若主風(fēng)流中存在不同質(zhì)量的粒子時，根據(jù)牛頓第二定律，在同一風(fēng)力作用下會出現(xiàn)：當(dāng)加速度為正時，輕粒子比重粒子跑得更快；當(dāng)加速度為負時，輕粒子比重粒子跑得更慢。2種粒子在相同風(fēng)力下，正、負加速度時的運動特性表明，在周期性變化的主風(fēng)流中輕、重粒子形成強烈混合。以上即為脈動通風(fēng)稀釋污染物效果高于定常通風(fēng)的原因。

2 數(shù)值模擬實驗

污染物在垂直于主風(fēng)流方向上的位移速度決定了脈動通風(fēng)對污染物運移擴散的效果。由上文所述風(fēng)流脈動作用產(chǎn)生的位移速度v對時間t求導(dǎo)由式(8)可知，污染物在垂直于主風(fēng)流方向上的位移速度v的變化與脈動風(fēng)速v(t)中的隧道主風(fēng)流風(fēng)速v0、脈動幅值v1和脈動頻率f均相關(guān)，且隨時間呈周期性變化。一般隧道主風(fēng)流風(fēng)速由所計算隧道的需風(fēng)量和風(fēng)筒直徑確定；通過調(diào)節(jié)脈動風(fēng)機的幅值、脈動頻率可改變脈動通風(fēng)工況。在確定主風(fēng)流風(fēng)速v0和頻率f時，位移加速度v′(t)與幅值大小呈比例關(guān)系，與頻率呈復(fù)雜函數(shù)關(guān)系。

(8)

為探究脈動通風(fēng)幅值、頻率與通風(fēng)效果之間的關(guān)系，通過數(shù)值模擬，在螺旋隧道中應(yīng)用脈動通風(fēng)方式，并在不同脈動通風(fēng)的幅值、頻率下研究隧道內(nèi)排除炮煙以及降塵效果，通過理論分析產(chǎn)生該影響的原因，并確定螺旋隧道施工的最佳工況。

2.1 模型建立

利用CFD軟件FLUENT對不同工況進行三維數(shù)值模擬計算[10]。隧道內(nèi)污染物濃度隨通風(fēng)過程按時間發(fā)展變化，稀釋及擴散的過程為非穩(wěn)態(tài)過程。研究中排除CO氣體過程采用三維非穩(wěn)態(tài)組分傳輸模型，湍流模型選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε兩方程模型，總體模型包括質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程、組分輸運方程、湍動能方程等。粉塵運移擴散采用三維非穩(wěn)態(tài)DPM(Discrete Phase Model，離散相)模型[11-15]進行求解。

做好魚溝、魚凼開挖。魚溝規(guī)格為寬0.8-1.5米，深0.6-0.8米；魚凼寬4-5米，深0.6-1米。魚凼應(yīng)在埂邊設(shè)置，靠近鴨圈，更有利于投餌，同時也方便鴨子下水，魚溝與魚凼相通至田間。

模擬過程作出基本假設(shè)[16]：1)不考慮風(fēng)筒漏風(fēng)等因素，風(fēng)量無損失；2)所有壁面(包括隧道壁面、風(fēng)筒壁面等)絕熱、無滑移；3)風(fēng)筒出風(fēng)口風(fēng)速較大，但其馬赫數(shù)仍小于0.3，不考慮其壓縮性；4)假定隧道內(nèi)空氣流場為三維不可壓縮湍流場。

本文以云南建個元高速公路項目中咪的村螺旋隧道為工程依托，隧道計算模型橫斷面為半圓形拱，半徑5.5 m，總高7 m；螺旋半徑720 m，坡度2%，計算長度選取300 m；風(fēng)筒直徑1.5 m，出口距離掘進工作面15 m，幾何示意如圖3所示。網(wǎng)格劃分采用四面體網(wǎng)格劃分，風(fēng)筒出口處風(fēng)流速度和壓力梯度較大，附近網(wǎng)格適當(dāng)加密。

圖3 螺旋隧道幾何示意Fig.3 Geometry of spiral tunnel

為實現(xiàn)風(fēng)筒入口速度按v=v0+v1sin2πft輸入，定義入口速度時通過FLUENT的UDF(User-Defined Functions，用戶自定義函數(shù))功能，調(diào)用已編寫好的速度——時間函數(shù)。編寫程序如圖4所示，實際操作中輸入程序時，主風(fēng)流風(fēng)速v0、脈動幅值v1、脈動頻率f均為該工況下具體數(shù)值，僅t為時間變量。

圖4 FLUENT自定義脈動風(fēng)速Fig.4 User-defined pulsed velocity in FLUENT

2.2 計算工況設(shè)置

咪的村螺旋隧道主風(fēng)機供風(fēng)風(fēng)量2 450 m3，該風(fēng)量滿足供風(fēng)需求，風(fēng)筒進風(fēng)口風(fēng)速為23.12 m/s。固定v0=23.12 m/s，改變脈動風(fēng)機的頻率f，計算工況設(shè)置見表1；計算最佳工作頻率后，固定v0=23.12 m/s，f=fB，改變脈動風(fēng)機的幅值計算工況見表2。

表1 脈動風(fēng)機頻率變化計算工況Table 1 Calculating condition of different pulsation frequency

表2 脈動風(fēng)機幅值變化計算工況Table 2 Calculating condition of different pulsation amplitude

3 計算結(jié)果及分析

3.1 螺旋隧道內(nèi)速度流場特性

螺旋隧道較直線隧道風(fēng)流結(jié)構(gòu)更復(fù)雜。采用定常流通風(fēng)時，通風(fēng)后流場如圖5所示。隧道內(nèi)人員均在地面工作，人呼吸高度距離地面1.6 m，選取距離隧道地面1.6 m高處平面作為研究平面。定常流通風(fēng)時隧道內(nèi)靠近掘進工作面、隧道壁的區(qū)域存在大量渦流區(qū)，阻礙炮煙及粉塵排出；主風(fēng)流在靠近掘進工作面區(qū)域走向呈“S”形，遠離掘進工作面，風(fēng)流趨于穩(wěn)定。

圖5 螺旋隧道定常流通風(fēng)流場Fig.5 Flow field of constant ventilation in spiral tunnel

采用脈動通風(fēng)時，增加了渦流區(qū)縱向脈動速度及主風(fēng)流橫向脈動速度，改變隧道內(nèi)通風(fēng)結(jié)構(gòu)，持續(xù)脈動通風(fēng)后螺旋隧道內(nèi)流場如圖6所示。脈動通風(fēng)流場較定常流通風(fēng)而言改變較大，通過速度矢量圖可發(fā)現(xiàn)渦流區(qū)明顯縮小，流場結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、簡單。

圖6 螺旋隧道脈動通風(fēng)流場Fig.6 Flow field of pulsed ventilation in spiral tunnel

定常流通風(fēng)條件下螺旋隧道內(nèi)存在大大小小的渦流區(qū)，渦流區(qū)內(nèi)主風(fēng)流風(fēng)向速度近似于零，大量污染物積聚在渦流區(qū)域內(nèi)無法隨風(fēng)流排出，造成局部污染物濃度超限。采用脈動通風(fēng)時，脈動通風(fēng)增加了污染物在垂直于主風(fēng)流的方向上的縱向脈動速度，驅(qū)使污染物擴散隨主風(fēng)流被帶出。

3.2 不同頻率、幅值下爆破后CO濃度變化

隧道內(nèi)CO的濃度分布與流場密切相關(guān)，脈動通風(fēng)速度由主風(fēng)流風(fēng)速、脈動幅值及脈動頻率決定。根據(jù)風(fēng)量確定主風(fēng)流風(fēng)速后，脈動幅值和脈動頻率的取值將影響脈動通風(fēng)效果。圖7為爆破后，脈動通風(fēng)幅值v1=2.27 m/s，頻率2，4，6，8，10 Hz和無脈動通風(fēng)時，隧道內(nèi)1.6 m處CO最大濃度隨時間變化情況。爆破后脈動通風(fēng)前期，CO尚未向洞外擴散，所有頻率下CO最高濃度差距不大，但無脈動通風(fēng)濃度較高。脈動通風(fēng)后期，CO開始向洞外擴散，無脈動通風(fēng)情況下濃度下降迅速，且后期一直擴散速度較快。

圖7 脈動頻率2～10 Hz時螺旋隧道內(nèi)距離地面1.6 m高處CO濃度最大值Fig.7 Maximum concentration of CO at 1.6 m height in spiral tunnel at a pulsation frequency of 2～10 Hz

繼續(xù)增大頻率，進行脈動通風(fēng)幅值v1=2.27 m/s，頻率f=10，30，50 Hz和無脈動通風(fēng)時CO最大濃度隨時間變化比較如圖8所示。其呈現(xiàn)的規(guī)律和10 Hz以下工況相同，脈動通風(fēng)前期，所有頻率下CO濃度最大值差異不大；后期靠近洞口時，無脈動通風(fēng)情況下CO濃度下降迅速。不管脈動通風(fēng)頻率高低，對排出CO效果均不理想。

圖8 脈動頻率10～50 Hz時螺旋隧道內(nèi)距離地面1.6 m高處CO濃度最大值Fig.8 Maximum concentration of CO at 1.6 m height in spiral tunnel at a pulsation frequency of 10～50 Hz

固定脈動頻率fB=10 Hz，設(shè)置脈動幅值v1=2.27，4.54，6.81 m/s，不同幅值下CO最大濃度隨時間變化如圖9所示。通風(fēng)前期除幅值4.54 m/s情況下CO濃度較高外，其他幅值條件CO濃度相差無幾；后期無脈動通風(fēng)CO濃度下降迅速。對于爆破后排CO的過程，數(shù)值計算結(jié)果表明，不管改變幅值或是頻率，脈動通風(fēng)排除CO的效果始終不明顯。

圖9 不同幅值時螺旋隧道內(nèi)距離地面1.6 m高處CO濃度最大值Fig.9 Maximum concentration of CO at 1.6 m height in spiral tunnel with different pulsation amplitudes

結(jié)合理論分析，爆破后采用脈動通風(fēng)排除CO效果不明顯的原因有：

1)爆破為瞬間過程，CO氣體瞬時充滿整個炮煙拋擲距離的空間內(nèi)，且分布較均勻；CO氣體和空氣能均勻混合，不存在積聚明顯的區(qū)域，混合均勻的CO及空氣混合物可隨主風(fēng)流擴散。

2)脈動通風(fēng)增加渦流等“靜止區(qū)”內(nèi)CO的縱向脈動速度，可驅(qū)散渦流區(qū)內(nèi)CO；但定常流通風(fēng)時，渦流區(qū)周圍CO濃度下降以后，根據(jù)菲克定律渦流區(qū)內(nèi)CO也將逐漸擴散，且CO氣體并非一直在產(chǎn)生，渦流區(qū)濃度同樣會逐漸下降。

3)脈動通風(fēng)增強主風(fēng)流方向的橫向脈動可使質(zhì)量相差較大的粒子混合均勻，但CO分子和空氣相近，橫向脈動效果也不明顯。

4)在主風(fēng)流中，脈動通風(fēng)的縱向脈動將對主風(fēng)流方向流動產(chǎn)生干擾。所以爆破后通風(fēng)初期，脈動通風(fēng)效果較好；但后期避開渦流區(qū)后脈動通風(fēng)效果不明顯，無脈動通風(fēng)效果較好。

3.3 不同頻率、幅值下爆破后粉塵濃度變化

固定脈動通風(fēng)幅值v1=2.27 m/s，頻率取f=2，4，6，8，10 Hz和無脈動通風(fēng)時，隧道內(nèi)1.6 m處粉塵平均濃度隨時間變化情況如圖10所示。噴漿粉塵為1個持續(xù)性污染源，在噴漿過程中一直產(chǎn)塵。隨時間發(fā)展，粉塵不斷累積，濃度逐漸增加直至維持在一個較為穩(wěn)定的狀態(tài)。從隧道內(nèi)距離地面1.6 m高處粉塵濃度變化曲線來看，采用脈動通風(fēng)方式，隧道內(nèi)粉塵濃度明顯呈現(xiàn)更低的狀態(tài)，穩(wěn)定后濃度值降低了12%左右。在10 Hz以下頻率中，粉塵濃度區(qū)別較小，但頻率越大，濃度有增大趨勢，4 Hz左右效果最佳。

圖10 脈動頻率2～10 Hz時螺旋隧道內(nèi)距離地面1.6 m高處粉塵濃度平均值Fig.10 Average dust concentration at 1.6 m height in spiral tunnel at a pulsation frequency of 2～10 Hz

繼續(xù)增大頻率，進行了脈動通風(fēng)幅值v1=2.27 m/s，頻率f=10，30，50 Hz和無脈動通風(fēng)時粉塵平均濃度隨時間變化比較如圖11所示。

圖11 脈動頻率10～50 Hz時螺旋隧道內(nèi)距離地面1.6 m高處粉塵濃度平均值Fig.11 Average dust concentration at 1.6 m height in spiral tunnel at a pulsation frequency of 10～50 Hz

增大頻率發(fā)現(xiàn)，高頻狀態(tài)下穩(wěn)定后的粉塵濃度較低頻狀態(tài)而言更高，頻率增大，通風(fēng)降塵效果反而更差。且頻率為10 Hz時，粉塵濃度先穩(wěn)定增長，后趨于1個較低濃度值；頻率為30 Hz時，粉塵濃度起伏明顯，變化劇烈且濃度較高；繼續(xù)增大頻率至50 Hz，變化趨于平穩(wěn)，濃度值與30 Hz時相差不大，且接近于無脈動通風(fēng)時粉塵的平均濃度。

通過不同頻率下粉塵濃度變化規(guī)律可判斷，在頻率較小時，脈動通風(fēng)降塵效果較好，增大頻率效果逐漸變差，但增加到一定頻率后對降塵效果幾乎無影響。在考慮頻率的基礎(chǔ)上，研究幅值大小對降塵效果影響。選擇較為合適的頻率fB=4 Hz，取幅值v1=2.27，4.54，6.81 m/s，不同幅值下粉塵平均濃度隨時間變化如圖12所示。增大幅值，隧道內(nèi)1.6 m處的粉塵濃度反而處于較高水平；繼續(xù)增大幅值，前期隧道內(nèi)粉塵濃度又呈現(xiàn)和低幅值時相近狀態(tài)。整體呈現(xiàn)1個隨幅值增加，降塵效果先減小后增大的過程。

圖12 不同幅值時螺旋隧道內(nèi)距離地面1.6 m高處粉塵濃度平均值Fig.12 Average dust concentration at 1.6 m height in spiral tunnel with different pulsation amplitudes

噴漿粉塵顆粒粒徑大小不一，顆粒較大粉塵易發(fā)生沉降，較小顆粒則懸浮在空氣中。粉塵顆粒密度大于空氣，易積聚在隧道中下部，且持續(xù)產(chǎn)塵使積聚濃度越來越高。通風(fēng)時，大部分的粉塵隨流擴散被帶走并排出，但螺旋隧道存在大片渦流區(qū)，其中的粉塵無法隨風(fēng)流擴散，不斷累積新的粉塵顆粒，渦流區(qū)內(nèi)粉塵濃度將越來越高。脈動通風(fēng)下粉塵顆粒產(chǎn)生縱向脈動速度，渦流區(qū)內(nèi)的粉塵顆粒做縱向運動，可擴散至主風(fēng)流中。隧道風(fēng)流結(jié)構(gòu)被改變，渦流區(qū)發(fā)生改變，不再出現(xiàn)大面積粉塵積聚區(qū)域。除縱向脈動外，脈動通風(fēng)增加了粉塵的橫向脈動擴散。橫向脈動速度呈周期性變化，在加速度為正時，較重的粉塵顆粒速度較慢，較輕空氣分子運動速度較快；加速度為負時，較重的粉塵顆粒速度較快，較輕的空氣分子運動較慢。使得隧道內(nèi)粉塵和空氣分子能充分的混合，隨主風(fēng)流排出。以上結(jié)果與理論研究結(jié)果完全一致。

理論研究中，縱向脈動速度與幅值成比例，與頻率關(guān)系復(fù)雜。從計算結(jié)果看，脈動通風(fēng)的降塵效果并非是幅值越大效果越好，縱向脈動速度過大反而干擾降塵。對頻率而言，在頻率較小時，濃度變化較平穩(wěn)；增大頻率，濃度變化逐漸變劇烈，降塵效果變差。原因是縱向脈動速度頻率越大時周期變化越明顯，對主風(fēng)流產(chǎn)生干擾越大，因此，頻率過大不利于粉塵隨主風(fēng)流擴散。

3.4 小結(jié)

螺旋隧道線型特殊，對通風(fēng)技術(shù)要求更高。通過數(shù)值模擬方法，模擬脈動通風(fēng)方式應(yīng)用于螺旋隧道中排除爆破后CO氣體和噴漿粉塵2個過程，其結(jié)果與理論分析高度吻合。脈動通風(fēng)爆破后排出CO氣體效果不大，原因是CO氣體為瞬時污染源，且其密度與空氣幾乎一樣，應(yīng)用脈動通風(fēng)效果不明顯。但是，對于持續(xù)污染源噴漿期粉塵而言，效果卻很明顯，粉塵懸浮顆粒易積聚在隧道中下部的渦流區(qū)內(nèi)，定常流通風(fēng)時螺旋隧道內(nèi)存在大量渦流區(qū)，影響施工威脅人員安全，采用脈動通風(fēng)能讓隧道中下部粉塵濃度降低12%左右。

對脈動通風(fēng)的關(guān)鍵參數(shù)脈動幅值v1和頻率f進行控制變量法研究，對脈動通風(fēng)幅值v1=2.27，4.54，6.81 m/s，f=2，4，6，8，10，30，50 Hz情況分別進行數(shù)值計算，最終確定取較低幅值v1=2.27 m/s，頻率f=4 Hz左右即可達到最佳效果。

4 現(xiàn)場驗證

數(shù)值模擬結(jié)果表明最優(yōu)工況為脈動通風(fēng)的幅值v1=2.27 m/s，頻率f=4 Hz，為驗證數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，分別測量在脈動通風(fēng)最優(yōu)工況下和定常流通風(fēng)模式下，進行噴漿工序時，粉塵濃度積累至1個較為穩(wěn)定的狀態(tài)后，距離掘進工作面不同距離處的粉塵濃度對比結(jié)果如圖13所示。

圖13 不同通風(fēng)模式下距離掘進工作面不同距離處的粉塵濃度Fig.13 Dust concentration at different distances from the tunnel face under different ventilation modes

由圖13可知，數(shù)值模擬所確定的最優(yōu)工況能夠有效降低粉塵濃度，比常用的單一定常流通風(fēng)模式在噴漿后更值得應(yīng)用。

5 結(jié)論

1)定常流通風(fēng)時渦流區(qū)范圍較大，掘進工作面附近主風(fēng)流走向呈“S”型；采用脈動通風(fēng)可改變通風(fēng)流場，縮小渦流區(qū)，優(yōu)化風(fēng)流結(jié)構(gòu)。

2)脈動通風(fēng)應(yīng)用于螺旋隧道中可以使渦流區(qū)產(chǎn)生縱向脈動擴散，且增強主風(fēng)流橫向脈動擴散效果。

3)數(shù)值模擬結(jié)果表明脈動通風(fēng)對爆破后排CO氣體效果不理想，但大大提高了噴漿工序降塵效果。現(xiàn)場應(yīng)用時可根據(jù)工序?qū)崟r調(diào)整通風(fēng)方式，爆破后采用定常流通風(fēng)，噴漿過程打開脈動風(fēng)機提供脈動風(fēng)速，減少能耗改善施工環(huán)境。

4)數(shù)值模擬結(jié)果表明污染物排放效果與幅值大小關(guān)系不大，且頻率越高，排污效果減弱。建議脈動通風(fēng)實際應(yīng)用時，僅需根據(jù)實際供風(fēng)風(fēng)速，設(shè)置1個較小的幅值和頻率即可。對于風(fēng)筒供風(fēng)速度23 m/s左右的隧道，取幅值2 m/s，頻率4 Hz左右的脈動通風(fēng)可達到最佳通風(fēng)效果。幅值過大浪費電能，頻率過大反而干擾降塵，效果不佳。