CN109002573B - 一种特长公路隧道循环通风系统适用性判定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种特长公路隧道循环通风系统适用性判定方法，包括如下步骤：1）计算稀释烟尘和CO所需的风量；2）计算环境比数X，3）计算纵坡比数Y，4）计算柴汽比数Z，5）计算需风量比数W，6）计算临界柴汽比数

，7）确定环境比数、纵坡比数、柴汽比数、需风量比数和临界柴汽比数对可控循环通风的影响程度，并对循环通风系统适用性做出判定。本发明用于特长公路隧道通风系统优化，能避免隧道长度、断面尺度等有量纲数参数的繁琐计算，实现迅速快捷的可控循环通风实施预评估。

Description

一种特长公路隧道循环通风系统适用性判定方法

技术领域

本发明属于隧道防灾减灾技术领域，具体涉及一种特长公路隧道循环通风系统适用性判定方法。

背景技术

公路隧道是半陷或者浅埋的狭长空间，治理隧道内行驶的汽车所产生的烟尘等污染物，一直是业界关注的重要问题。一般采用机械通风的方法，稀释烟尘和CO等污染物，污风排至隧道外环境，并且属于直流式系统方案。长距离或者特长距离公路隧道的通风系统，必须配合通风竖井，才能满足隧道内的用风需求。特长隧道通风具体涉及竖井开挖、通风机、风道等因素的优化，是行业内的前沿问题。

目前，将外界新鲜空气引入隧道，稀释车辆排放的污染物，然后将污风排出洞外，这是能耗高的传统隧道通风。采用竖井分段送风，引入外界新鲜空气，稀释特长隧道内的污染物，并确保其浓度在安全值以内，最后，通过分段竖井排出污风；Kwa G S和夏永旭等实践了常用的竖井分段送排风隧道通风系统。对于隧道中行车形成的交通风，方磊和Wang等应用模型试验的方法，得出了送风口与隧道行车方向宜取6°，而排风口与隧道行车方向的夹角应不大于30°；继而，方磊等明确指出通风井送排式纵向通风系统一直存在土建费用及运行能耗大的问题。针对通风井工程造价高或者无设置条件的特长隧道，利用上下行线通风负荷不均匀特性，Berner等首次提出了双洞互补通风；利用模型实验和数值仿真，张光鹏验证和校核了设计参数，并把双洞互补式通风应用于锦屏隧道中；通过实验实测，王亚琼等深入研究了双洞互补式通风下的隧道内流场，进一步论证了该通风方式的可行性，并且一般情况下双洞互补通风方式适用于4km～7km的公路隧道。但是，特长隧道通风成本高和竖井开挖位置受地质、城市规划制约等问题，依然突出，并且用于特长公路隧道可控循环通风适用条件并不清楚。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种能够用于特长公路隧道可控循环通风系统的适用条件，迅速快捷实现特长公路隧道循环通风系统实施的预评估。

本发明采用的技术方案是：一种特长公路隧道循环通风系统适用性判定方法，所述的特长公路隧道循环通风系统包括循环风道、可调附属结构；可调附属结构包括或不包括与循环风道连通的排风竖井和送风竖井；所述的循环风道设置在隧道顶部，循环风道的两端分别通过循环风道引风段和循环风道引射段与隧道连通；所述的循环风道内设有除尘器；

包括如下步骤：

1)计算稀释烟尘和CO所需的风量；

2)为了反映隧址海拔高度、大气压力和气温对稀释污染物需风量的影响，计算环境比数X，其计算式为：

式中：f_h(VI)为烟尘排放海拔高度系数，f_h(CO)为CO排放海拔高度系数；p₀为标准大气压，取101.325kPa；p，隧址大气压；T₀为标准气温，取273K；T为隧址夏季气温；

3)为了反映隧道纵坡对稀释污染物需风量的影响，计算纵坡比数Y，其计算式为：

Y＝[f_iv(VI)]/[f_iv(CO)] (6)；

式中：f_iv(VI)为烟尘排放纵坡-车速系数，f_iv(CO)为CO排放纵坡-车速系数；

4)为了反映隧道设计交通量及车辆类型对稀释污染物需风量的影响，计算柴汽比数Z，其计算式为：

式中：f_m(VI)为柴油车车型烟尘排放系数；N_m为相应车型的交通量；f_m(CO)为车型CO排放系数；n_D为烟尘排放柴油车车型类别数；n为CO排放车型类别数；

5)为了反映隧道内稀释烟尘用风量与稀释CO用风量的比值，计算需风量比数W，其计算式为：

式中：Q_req(VI)为稀释烟尘用风量，m₃/s；δ_VI为烟尘设计浓度；q_VI为烟尘基准排放量；Q_req(CO)为隧道稀释CO的需风量；δ_CO为CO设计浓度；q_CO为CO基准排放量；

6)为了反映需风量比等于1时纵坡比数和环境比数对柴汽比数的影响，计算临界柴汽比数Z_c，其计算式为：

7)确定环境比数、纵坡比数、柴汽比数、需风量比数和临界柴汽比数对可控循环通风的影响程度，并对开式循环通风系统适用性做出判定。

上述的特长公路隧道循环通风系统适用性判定方法中，步骤1)的具体操作如下：

a)稀释烟尘需风量为：

式中：Q_VI为烟尘排放量；f_a(VI)为烟尘排放车况系数，f_d为烟尘排放车密度系数；L为隧道长度；

b)稀释CO需风量为：

式中：f_a(CO)为CO排放车况系数；f_d为CO排放车密度系数。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明能用于特长公路隧道可控循环通风系统的适用条件，能避免隧道长度、断面尺度等有量纲数参数的繁琐计算，或者通风系统网络解算，或者庞杂费时的计算流体动力学数值仿真，迅速快捷实现可控循环通风实施的预评估。

说明附图

图1为本发明结构示意图。

图2为本发明结构补充与流程图。

图3为环境比数随隧址海拔高度的变化。

图4为需风量比数随柴汽比数的变化(10km/h)。

图5为需风量比数随柴汽比数的变化(40km/h)。

图6为需风量比数随柴汽比数的变化(80km/h)。

图7为临界柴汽比数随纵坡坡度的变化。

图中：1.隧道入口，2.循环风道的上游隧道，3.循环风道引风段，4.除尘器入口，5.循环风道，6.除尘器出口，7.循环风道引射段，8.循环风道的下游隧道，9.隧道出口，10.隧道短道，11.除尘器，0.循环风道的可调附属结构，A.隧道外环境新风，B.污风，C.待再生的循环风，D.再生循环风，E.二次再生风，F.二次污风，i为纵坡坡度，v为行车速度。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

如图1和图2所示，特长公路隧道可控循环通风系统包括循环风道引风段3，循环风道5，循环风道引射段7，可调附属结构0；可调附属结构0包括或不包括与循环风道5连通的排风竖井和送风竖井(图中未画出)。所述的循环风道5设置在隧道顶部，循环风道5的两端分别通过循环风道引风段3和循环风道引射段7与隧道连通，循环风道引风段3靠近隧道入口1设置，循环风道引射段7靠近隧道出口9设置。所述的循环风道内设有除尘器11。

特长公路隧道可控循环通风系统使用时，通过隧道入口1引入隧道外环境的新风A，流经循环风道的上游隧道2，不断掺混和携带烟尘和CO等污染物，成为污风B。污风B中的一部分流入隧道短道10，继续稀释污染物，成为二次污风F。另一部分污风B经过循环风道引入段3，流入循环风道5，成为待再生的循环风C。待再生的循环风C流入除尘器入口4，在除尘器11分离、沉降和捕集的综合作用下，脱除了烟尘等颗粒类污染物，得到了净化处理，流出除尘器出口6，转化为再生循环风D。

在循环风道引射段7、隧道短道14和循环风道的下游隧道8之间的共用段，流经循环风道引射段7的再生循环风D与流经隧道短道10的二次污风F完成掺混，转变为二次再生风E。在循环风道的下游隧道8，二次再生风E继续稀释污染物，并确保循环风道的下游隧道8内的污染物浓度保持在规定的安全值以内，确保用风需要。

本发明的具体实施步骤如下：

1)根据现有工程计算方法，得到稀释烟尘和CO需风量，具体操作如下：

a)稀释烟尘需风量为：

式中：Q_VI为烟尘排放量，m²/s；q_VI为烟尘基准排放量，m²/(veh·km)；f_a(VI)为烟尘排放车况系数，无量纲数；f_d为烟尘排放车密度系数，无量纲数；f_h(VI)为烟尘排放海拔高度系数，无量纲数；f_iv(VI)为烟尘排放纵坡—车速系数，无量纲数；L为隧道长度，m；f_m(VI)为柴油车车型烟尘排放系数，无量纲数；n_D为烟尘排放柴油车车型类别数，无量纲数；N_m为相应车型的交通量，veh/h；Q_req(VI)为稀释烟尘用风量，m³/s；δ_VI为烟尘设计浓度，m^-1。

b)稀释CO需风量为：

式中：Q_CO为CO排放量，m³/s；q_CO为CO基准排放量，m³/(veh·km)；f_a(CO)为CO排放车况系数，无量纲数；f_d为CO排放车密度系数，无量纲数；f_h(CO)为CO排放海拔高度系数，无量纲数；f_iv(CO)为CO排放纵坡—车速系数，无量纲数；f_m(CO)为车型CO排放系数，无量纲数；n为CO排放车型类别数，无量纲数；N_m为相应车型的交通量，veh/h；Q_req(CO)为隧道稀释烟尘的需风量，m³/s；p₀为标准大气压，取101.325kPa；p为隧址大气压，kPa；T₀为标准气温，取273K；T为隧址夏季气温，K；δ_CO为CO设计浓度，ppm。

2)为了反映隧址海拔高度、大气压力和气温对稀释污染物需风量的影响，计算环境比数X，其计算式为：

3)为了反映隧道纵坡对稀释污染物需风量的影响，计算纵坡比数Y，其计算式为：

Y＝[f_iv(VI)]/[f_iv(CO)] (6)；

4)为了反映隧道设计交通量及车辆类型对稀释污染物需风量的影响，计算柴汽比数Z，其计算式为：

5)为了反映隧道内稀释烟尘用风量与稀释CO用风量的比值，具体涉及环境比数、纵坡比数和柴汽比数，把公式(5)、(6)和(7)组合起来，得到需风量比数W的计算式为：

6)为了反映需风量比等于1时纵坡比数和环境比数对柴汽比数的影响，令公式(8)中的W＝1，找到可控循环风系统不适用的临界点，得到临界柴汽比数Z_c的计算式为：

7)确定环境比数、纵坡比数、柴汽比数、需风量比数和临界柴汽比数对可控循环通风的影响程度，并分析并对循环通风系统适用性，其具体操作如下：

a)根据工程流体力学与工程热力学基本原理，有：

p＝p₀·exp[-(H/29.28T)] (10)；

式中：H为隧址海拔高度值(单位m)，exp()为自然数为底的幂函数，29.28为常系数；

把公式(10)代入公式(5)，设定隧址气温T分别为273K、283K、293K和303K，可得出气温温度及隧址海拔对环境比数的影响程度，计算结果如图3所示。

b)假定隧道纵坡为单向坡，且环境比数等于1，针对不同纵坡坡度和设计车速，把上述条件代入公式(8)，得到隧道需风量比数，计算结果，如图4至图6所示。

c)假设环境比数等于1，应用公式(9)，计算得到，行车速度和纵坡坡度对临界柴汽比数的影响，如图7所示。

通过分析具体实施方案，做出如下归纳：①需风量比数大于1时，采用特长公路隧道开式可控循环通风系统，并且，比数越大，节能效果显著。②柴汽比数和临界柴汽比数是特长公路隧道可控循环通风适用与否的主要判断依据。

Claims (2)

1.一种特长公路隧道循环通风系统适用性判定方法，所述的特长公路隧道循环通风系统包括循环风道、可调附属结构；可调附属结构包括或不包括与循环风道连通的排风竖井和送风竖井；所述的循环风道设置在隧道顶部，循环风道的两端分别通过循环风道引风段和循环风道引射段与隧道连通；所述的循环风道内设有除尘器；

包括如下步骤：

1)计算稀释烟尘和CO所需的风量；

2)为了反映隧址海拔高度、大气压力和气温对稀释污染物需风量的影响，计算环境比数X，其计算式为：

式中：f_h(VI)为烟尘排放海拔高度系数，f_h(CO)为CO排放海拔高度系数；p₀为标准大气压，取101.325kPa；p，隧址大气压；T₀为标准气温，取273K；T为隧址夏季气温；

3)为了反映隧道纵坡对稀释污染物需风量的影响，计算纵坡比数Y，其计算式为：

Y＝[f_iv(VI)]/[f_iv(CO)] (6)；

式中：f_iv(VI)为烟尘排放纵坡—车速系数，f_iv(CO)为CO排放纵坡—车速系数；

4)为了反映隧道设计交通量及车辆类型对稀释污染物需风量的影响，计算柴汽比数Z，其计算式为：

式中：f_m(VI)为柴油车车型烟尘排放系数；N_m为相应车型的交通量；f_m(CO)为车型CO排放系数；n_D为烟尘排放柴油车车型类别数；n为CO排放车型类别数；

5)为了反映隧道内稀释烟尘用风量与稀释CO用风量的比值，计算需风量比数W，其计算式为：

式中：Q_req(VI)为稀释烟尘用风量，m₃/s；δ_VI为烟尘设计浓度；q_VI为烟尘基准排放量；Q_req(CO)为隧道稀释CO的需风量；δ_CO为CO设计浓度；q_CO为CO基准排放量；

6)为了反映需风量比等于1时纵坡比数和环境比数对柴汽比数的影响，计算临界柴汽比数Z_c，其计算式为：

7)确定环境比数、纵坡比数、柴汽比数、需风量比数和临界柴汽比数对可控循环通风的影响程度，并对循环通风系统适用性做出判定。

2.根据权利要求1所述的特长公路隧道循环通风系统适用性判定方法，步骤1)的具体操作如下：

a)稀释烟尘需风量为：

式中：Q_VI为烟尘排放量；f_a(VI)为烟尘排放车况系数，f_d为烟尘排放车密度系数；L为隧道长度；

b)稀释CO需风量为：

式中：f_a(CO)为CO排放车况系数；f_d为CO排放车密度系数。

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