高海拔内燃牵引隧道自然通风界限及活塞风特性研究
张云霞
(兰州交通大学 环境与市政工程学院，甘肃 兰州 730070)
RESEARCH ON NATURAL VENTILATION THRESHOLD FOR DIESEL- HAULED TRAIN CROSSING TUNNELS IN HIGH ALTITUDE PLATEAU AND CHARACTERISTICS OF PISTON WIND
ZHANG Yunxia
(School of Environmental Science and Municipal Engineering，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou，Gansu 730070，China)
摘要 拉萨至日喀则(拉日)铁路线是青藏铁路的首条延伸线，平均线路高程3 800 m，共设29座隧道，其中长度在2 km以上的隧道有10座。由于青藏铁路机车仍旧采用内燃牵引，青藏高原低气压、缺氧、大风等特殊的气候条件对隧道运营通风的要求已超出相关现行的技术标准范围。依托铁道部下达的研究课题，完成了高原区内燃牵引隧道通风技术的研究，取得的研究成果如下： (1) 分析了拉日线隧址区现场气候对污染物浓度的影响，通过国内外现行相关规范的比较，提出高海拔隧道内燃牵引运营通风有害气体浓度建议值：工作日内NOx(以NO2计)平均容许浓度为10 mg/m3，工作日内任何一次30 min内接触废气的平均浓度不超过30 mg/m3。工作日内CO平均容许浓度为30 mg/m3，工作日内任何一次30 min内接触废气的平均浓度不超过90 mg/m3。 (2) 通过老关角隧道(全长4 010 m)、羊八井I号隧道(全长3 345 m)和奎先隧道(全长6 152 m)内有害气体冬季2次实地监测，调查现有内燃机车牵引隧道的通风及有害气体污染现状，并做出原因分析，得到污染物在隧道内的时间和空间分布。根据现场测试数据计算得到污染物在隧道中的扩散系数，并提出与风速的二次函数关系式。分析发现，机械通风条件下的扩散系数高于自然通风条件下的扩散系数。 (3) 根据拉日铁路隧址处2007年5～6月份的自然风速、风向等观测结果，建议拉日线隧道外自然风速取2.6 m/s。考虑隧道两洞口大气压的超静压差和洞内外温差产生的热压，通过理论计算及数值模拟，并与实测值进行比较，建议隧道内自然风速取1.5 m/s。通过活塞风恒定流及非恒定流理论计算结果比较并采用数值模拟验证，拉日线隧址区气象环境有利于实现自然通风，长度小于4 km隧道，可采用自然通风。 (4) 基于湍流模式理论，利用ANSYS有限元计算软件对列车穿隧道时的速度场及压强场进行模拟，并对模拟结果进行验证。通过理论推导、数值模拟对单列车在隧道内恒速及变速运行时空气压力场、速度场及温度场的变化规律进行研究并采用实验数据进行验证，数值模拟结果与实验结果吻合度较好。结果表明，隧道内压力变化趋势与列车运动形式密切相关，压力系数大小与列车运行速度及运动位置有关。列车与隧道壁间的空气环隙速度沿隧道长度方向并不恒定，而是从车头向车尾逐渐减小，压差较大，不同断面处的环隙速度分布符合Earashaw以恒定流理论为基础提出的C型流场分布。经过恒定流与非恒定流计算结果比较，采用非恒定流理论更接近实际情况。列车壁与隧道壁之间距离越小，热流对温度场的影响越明显，列车底部温度场梯度变化较大，列车运行速度对隧道内温度场影响较大。热流边界条件对压力系数和速度系数的影响非常小，可以忽略。通过模拟1，0.562 5和0.1 atm不同压力边界条件下的压力场和速度场并进行比较，结果表明，高海拔低气压对活塞风平均速度和压力的影响可以忽略。
关键词 ：
隧道工程 ,
高原气候 ,
铁路隧道 ,
自然通风界限 ,
有害气体 ,
非恒定流
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