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原文传递基于气-固两相流的隧道烟尘运移机制及控制技术研究

论文题名：	基于气-固两相流的隧道烟尘运移机制及控制技术研究
关键词：	隧道通风;烟尘扩散;运移机制;气-固两相流;数值模拟
摘要：	随着交通建设的发展，各种长大型隧道越来越多，在使用大型器械进行隧道挖掘时或者采用炸药进行掌子面爆破过程中，都会产生大量粉尘分布在隧道环境中，长期处于粉尘浓度较高的施工环境中，易导致工人患上尘肺病等呼吸性常见职业病。同时，隧道爆破还会产生大量CO等有害气体（与粉尘合称烟尘），这更加重污染了隧道工作区域内的工作环境，不利于职业人员的身体健康。因此，研究隧道内烟尘的运移机制，提出有效控制烟尘浓度、净化隧道环境的控制技术是隧道工程安全开展的重中之重。本文基于气-固两相流理论，通过理论研究、模型试验、现场监测以及数值模拟等研究手段，研究了基于气-固两相流的隧道烟尘运移机制及控制技术，论文研究成果如下：　　（1）基于气-固两相流理论，分析了隧道内烟尘扩散机理，建立了CO和粉尘的控制方程，分析了CO及粉尘在隧道空间内所受作用力，并以此构建了烟尘在隧道空间内的受力平衡方程。基于污染物运移扩散理论，建立了隧道内CO运移扩散数学模型，并介绍了CO初始浓度的计算方法；基于粉尘湍流扩散理论，构建了隧道内粉尘运移扩散的数学模型，提出了隧道内粉尘浓度的简化计算方法，并通过数值模拟的方式对计算结果有效性进行了验证。　　（2）采用自主研发的隧道粉尘运移扩散规律研究模型试验装置，模拟了爆破后通风条件下不同粒径粉尘颗粒的运移及扩散规律试验研究以及隧道爆破后加湿的除尘效果试验研究。结合python-openCV粉尘颗粒粒径识别工具对隧道“爆破”后模型内不同位置处的粉尘颗粒粒径进行识别，研究得出：不同粒径粉尘颗粒受风流和回流作用运移扩散规律不同，大粒径（50-100μm ）粉尘易于集中在掌子面附近区域范围内，小粒径（1-10μm ）粉尘在隧道内悬浮时间较长、扩散距离较远且不易沉降；通过对比隧道爆破后加湿前后粉尘浓度得出，水雾的加入会使粉尘颗粒聚集成团，扩散距离大大降低，增加湿度值能够有效降低粉尘浓度。　　（3）采用Fluent数值模拟软件建立了鸡鸣隧道通风现场模型，结合现场风速监测验证了数值模拟的有效性，进而探究了隧道内粉尘及CO的运移及分布规律，最后通过响应面法分析了三个通风参数对降低烟尘浓度结果的显著性，研究发现：隧道内风流流场分布极为紊乱，涡流是导致隧道流场分布不规律的主要影响因素之一，鸡鸣隧道内风流流以距离掌子面的不同距离可以划分为涡流区、涡流影响区、稳定区。爆破后通风初期，隧道平面上的CO浓度呈现出“燕尾状”分布，掌子面区域的CO浓度高于炮烟抛掷区外的CO浓度。CO的运移呈现“平移”和“扩散”两种运动方式，靠近隧道壁面上的CO浓度稀释速度快于隧道中部CO浓度稀释速度；小粒径粉尘颗粒具有停留时间长、不易沉降的特点，不同粒径粉尘在隧道内的扩散速度和扩散范围不一致，粒径较小的粉尘颗粒分散程度更高且扩散的范围更快，粒径较大颗粒分布较为集中且运动受回流主导，跟随回流逐步排出隧道。隧道内烟尘的扩散受风流主导，远离风筒侧的烟尘浓度要高于靠进风筒侧的烟尘浓度， CO 的扩散速度整体上而言要快于粉尘的扩散速度，在通风 360s 后烟尘基本排出隧道；通过建立CO及粉尘浓度的Box-Benhnken响应面模型，通过分析各影响因素的响应曲面得到相同通风时间内 CO 及粉尘浓度方差结果，并基于响应面分析结果提出了最优的通风参数，通过数值模拟验证了最优通风参数的有效性。　　（4）依托MATLAB App Designer软件设计工具，设计开发了一套适用于隧道通风设计的智能通风系统，共搭载了通风系统设计、污染物浓度预测、污染物浓度监测以及智能通风装置控制系统等四大功能模块，以鸡鸣隧道工程为例展示了软件功能的实现效果；本文还设计提出了“一种跟随式隧道内有害气体抽排系统与抽排方法”（CN113982668A），通过数值模拟验证了该方法中可跟随式装置有害气体抽排装置在隧道内的应用效果，研究结果表明：可跟随式隧道有害气体抽排装置会使隧道掌子面附近流场更加紊乱，同时能够加速粉尘及CO的排出，加入可跟随式隧道有害气体抽排装置后在掌子面附近CO浓度变化趋势呈现单指数函数变化。
作者：	钟宜宏
专业：	水利工程;水利水电工程
导师：	王林峰
授予学位：	硕士
授予学位单位：	重庆交通大学
学位年度：	2023