重載列車車速對隧道入口段揚塵特征的影響模擬

劉 秀,撒占友,關 達,吳靜波,楊鴻克,王 昊,盧守青,劉 杰

(1.國能包神鐵路集團有限責任公司運輸管理部,內蒙古 包頭 014010;2.青島理工大學安全科學與工程系,山東 青島 266520)

我國是煤炭資源豐富而石油、天然氣資源相對缺乏的國家,現階段能源格局已基本確定為以煤炭為主體,電力為中心,油氣和新能源全面發展的格局[1]。作為世界上第一大煤炭生產國和第一大煤炭消費國,煤炭始終是我國重要的基礎能源。據相關資料顯示,2021年我國煤炭消費量增長4.6%,占能源消費總量的56.0%,為了平衡煤炭資源,約80%的煤炭需要通過鐵路運輸,但當載重量萬噸以上的運煤專列進出鐵路隧道時,由于過流斷面的突然變化導致隧道進出段局部氣流紊亂,形成“活塞風”, “活塞風”造成嚴重的資源浪費和經濟損失。我國每年由于運輸散落造成的煤炭損失超過當年總產量的1%,散落在隧道入口段及軌道上的煤塵每月以40～50 mm的厚度堆積增高[2],這種情況嚴重影響行車安全,嚴重污染周邊環境,嚴重威脅鐵路工人的生命健康。

在鐵路隧道風流場特性及粉塵運移方面,學者們做了大量工作。如:劉加利等[3]分析了高速列車通過隧道過程中氣動阻力特性的變化情況;Chen等[4]研究了列車車頭形狀對風流運移的影響;李杰等[5]探討了列車運輸過程中煤揚塵污染的規律,并提出了可靠的控制方法;Biliaiev等[6]提出了減少煤塵浪費的新方法;丁厚成等[7]、王晉[8]對煤塵運移中的氣固兩相流問題進行了探索。

綜上所述,學者們針對鐵路運煤的揚塵問題,提出了眾多的抑塵方法,但這些方法主要是利用各種設備從外在環境方面降低煤塵的擴散,并沒有理解隧道入口段揚塵特性或內在機理,無法從根源上解決風流運移與煤塵擴散的難題。因此,本文以梁家山隧道為研究對象,利用SolidWorks軟件構建物理模型,并使用Fluent數值模擬軟件分析運煤列車經過隧道入口段時,不同行駛速度對隧道入口段氣壓、風流流線運移、煤塵顆粒擴散狀態及煤塵濃度的影響。

1 數學模型

本研究采用CFD軟件ANSYS Fluent,Fluent常用的湍流模型有S-A模型、κ-ε模型和κ-ω模型,本次模擬應用適用于湍流狀態的SSTκ-ω湍流模型,該模型將風流及煤塵顆粒視為連續介質,采用歐拉參考系描述風流流體運動,采用拉格朗日坐標系及離散相模型描述煤塵顆粒擴散運動。風流及煤塵顆粒流的時均方程如下:

風流連續方程為[9]

(1)

煤塵顆粒連續方程為[10]

(2)

(3)

風流動量方程為[11]

(4)

煤塵顆粒動量方程為[12]

(5)

上述方程組需使用SSTκ-ω模型進行封閉,具體方式如下[13]:

κ方程——湍流動能方程為

(6)

ω方程——湍流能量耗散率方程為

(7)

上式中:u為x方向的速度;μt為湍流黏度;σκ、Gκ、Yκ分別為κ方程的紊流普朗特數、平均運動速度梯度引起的紊流動能生成項和湍流耗散項;σω、Gω、Yω分別為ω方程的紊流普朗特數、平均運動速度梯度引起的紊流動能生成項和湍流耗散項;Sκ和Sω為用戶自定義的源項,本文將Sκ和Sω均設置為0;Dω為正交發散項。

式(6)、(7)中湍流黏度μ可由下式表示[14]:

(8)

式(6)、(7)中湍流普朗特數σκ和σω可分別由下式表示[15]

(9)

(10)

式(6)、(7)中湍流耗散項Yκ和Yω可分別表示為Yκ=ρβ*κω、Yω=ρβω2。

式(7)中正交發散項Dω可由下式表示[16]:

(11)

2 物理模型

2.1 工程概況

真實的物理模型能夠準確地反映隧道入口段風流特征及煤塵顆粒擴散情況,因此本研究以真實的隧道及車型為依據構建物理模型。梁家山隧道是神朔鐵路沿線中的單洞隧道,全長為1 800 m,重載列車的牽引質量在5 000～10 000 t之間,列車車廂類型有C64、C70A、C80型等,其中C70A型列車是通過該隧道的主要車型之一,C70A型運煤車的截面尺寸為高3.8 m、寬3.2 m。因此,本文以梁家山隧道為研究對象,重載列車以C70A型敞車為依據,構建鐵路隧道-重載列車物理模型,研究重載列車不同行駛速度對隧道入口段壓力場、風流流線運移、煤塵顆粒擴散狀態及煤塵濃度的影響。

2.2 物理模型構建

重載列車在進入隧道之前,理論上應處于無限空間的流場中,但在數值計算中不能使用無限計算域,學者們在解決類似問題時通常在隧道外設置合適且不會影響模擬結果的有限區域[17],因此本次模擬在隧道外設置一個180 m×80 m×100 m的外部流體域。重載列車總長為100 m,單節車廂長10 m、高3.8 m、寬3.2 m,隧道入口段總長為400 m,隧道截面形狀簡化為直墻拱形,寬4.8 m、總高6.55 m,截面面積為30.3 m2,具體情況如圖1所示。

圖1 鐵路隧道-重載列車物理模型側視圖與俯視圖Fig.1 Side view and top view of the physical model of a railway tunnel-heavy haul train

2.3 網格劃分及無關性驗證

本研究要進行模擬的鐵路隧道-重載列車物理模型為三維結構,計算域較大,綜合考慮網格的生成效率和精度,選擇混合網格進行劃分,并且對局部復雜區域進行網格細化處理。

該物理模型共被劃分為945 765個單元格,節點數量為960 072個,其中最小單元格質量為4.02×10-3,平均單元格質量為0.72,正交比平均值為2.39,傾斜度平均值為0.13。物理模型網格質量較好且未生成負體積。由于重載列車進入隧道是動態變化過程,因此需要使用動網格技術描述重載列車運行過程中周圍氣流及煤塵顆粒運移隨時間變化的問題,綜合考慮各項因素,本次動網格更新方式采用動態層鋪法。

為了驗證物理模型及網格劃分的準確性,本文采用英國帕斯威隧道的實測數據,該隧道的設施結構與本模型相近,滿足本模型的特征。帕斯威隧道的列車風速監測點位于隧道內,在距離隧道口150 m、距離隧道壁面0.5 m、距離地面1 m處。本文利用帕斯威隧道的實測參數進行模擬,上述列車風速監測點處的實測列車風速與模擬列車風速的對比情況,如圖2所示。

圖2 列車風速的實測值和模擬值隨時間變化對比圖Fig.2 Comparison diagram of actual values and simulated values of train wind speed changing with time

由圖2可知,通過數值模擬計算得到的列車風速與現場實測的列車風速變化規律基本一致,且誤差在可接受的范圍內。因此,本文所選取的數學模型、網格劃分和求解方法可用于重載列車隧道入口段風流場狀況的數值模擬。

2.4 初始條件與邊界條件設置

依據前人數值模擬的經驗,本研究將重載列車的初始位置設置在距離隧道口40 m處,列車底部距離地面0.5 m,前進方向為X軸正方向。

本研究只模擬重載列車進入隧道時的流場狀況,隧道長度足夠長,不考慮列車駛出隧道階段,考慮到計算域遠場位置以及隧道出口段與外界大氣壓直接相連,故在邊界條件設置時,將邊界入口大氣壓設置為標準大氣壓,由于該隧道所處環境較穩定,隧道周圍風速變化不大,風速維持在3.5 m/s,因此將隧道入口正對的外流場面設置為定流速入口邊界,自然風速取為3.5 m/s,隧道出口處設置為自由出流邊界,隧道壁面、隧道內軌道面設置為無滑移的壁面邊界條件,由于重載列車處于運動狀態,故將列車表面設置為滑移壁面邊界條件。

本文研究重載列車以不同速度駛入隧道時對隧道內部風流流場、壓力場等的影響,并考慮到我國目前重載列車滿載時常用的速度為80 km/h,故本文依據實際重載列車工況,將模擬車速分別設為60、80、100 km/h。相關文獻研究表明[18],在速度為80 km/h時,重載列車進入隧道過程中,車頂1 mm處的煤塵粒徑主要為350 μm。因此,本模擬將煤塵粒徑設置為350 μm,下文所提及的煤塵顆粒擴散狀態與煤塵濃度均指粒徑為350 μm的煤塵。

3 數值模擬分析

3.1 隧道入口段壓力場變化分析

本節主要研究重載列車以不同速度駛入隧道過程中,隧道入口段壓力場的變化特征,如圖3所示是重載列車分別以60、80、100 km/h的速度運行至隧道4個位置處時的壓力場變化情況,圖中壓力值表示相對壓力,參考壓力值為標準大氣壓。為了更好地說明重載列車駛入隧道全過程中隧道周圍的壓力場變化情況,以重載列車駛入隧道的關鍵位置為研究對象,這4個位置分別是:①列車車頭距離隧道入口一個列車車身長度時,即距離隧道口10 m處;②列車車頭剛好駛到隧道入口處;③列車駛入隧道長度約為列車車身總長的一半時;④列車完全駛入隧道后。

圖3 重載列車以不同速度駛入隧道時隧道入口段壓力場的變化Fig.3 Pressure field change in the tunnel entrance section when the heavy haul train enters the tunnel at different speeds

由圖3可以看出:

1) 當重載列車行駛速度為60 km/h時[圖3(a)],其在未進入隧道前,外部流體域的壓力場與隧道內的壓力場保持一致,壓力值接近大氣壓,僅有列車車頭部分的壓力場略大于大氣壓;運行至隧道入口時,隧道內的壓力場瞬時增大至280～540 Pa;當列車駛入隧道120 m處,即完全進入隧道時,列車周圍的壓力場處于負壓狀態[圖3(a)]。

2) 當重載列車行駛速度為80 km/h時[圖3(b)],其在距離隧道口10 m處,外部流體域的壓力場與隧道內壓力場相同,接近大氣壓;當列車運行至隧道入口時,隧道內壓力增大至280～540 Pa,與圖3(a)的壓力場相同,但圖3(b)中410～540 Pa之間的壓力影響范圍相對更大;隨著列車駛入隧道距離的增加,列車車頭部位壓力值繼續增大,當列車運行至63 m時,列車車頭部位壓力增大至670 Pa;當列車進入隧道口120 m處后,隧道內壓力場有所下降,列車周圍壓力場整體處于負壓狀態,后2節車廂處的壓力值為-240 Pa,受到負壓的影響更強[圖3(b)]。

3) 當重載列車行駛速度為100 km/h時[圖3(c)],其在距離隧道口10 m處,外部流體域與隧道內的壓力場均接近大氣壓;當列車運行至隧道口時,隧道內的壓力陡然增大,列車車頭部位的壓力甚至超過800 Pa;當列車進入隧道63 m處時,800 Pa以上壓力的影響范圍繼續增大;當列車進入隧道為120 m處時,外部流體域的壓力場又恢復至大氣壓狀態,隧道內列車前方的壓力場較之前有所下降,但壓力仍然維持在150～280 Pa之間,而列車周圍的壓力場則完全處于負壓狀態,后4節車廂處的壓力甚至低于-370 Pa[圖3(c)]。

通過對比圖3(a)、(b)、(c)可知,在距離隧道口10 m處時,重載列車車頭部位的壓力均處于150～280 Pa之間,但列車速度越快,列車車頭部位壓力場的影響范圍越大;列車進入隧道后,隨著列車車速的增加,隧道內的壓力值與相同壓力值下的影響范圍均呈增大的趨勢;當列車完全進入隧道后,列車周圍的壓力場均處于負壓狀態,負壓場對列車車尾的影響相對更大,列車速度越快,列車車尾負壓的影響范圍越大,負壓值也越大。

3.2 隧道入口段風流流場變化分析

本節主要研究重載列車以不同速度駛入隧道過程中,隧道入口段的風流流場變化特征。如圖4所示,重載列車分別以60、80、100 km/h的速度進入隧道口63 m處時,列車速度對隧道入口段風流流場變化的影響。

圖4 重載列車以不同速度駛入隧道時入口段風流流場的變化Fig.4 Change of airflow field in the tunnel entrance section when the heavy haul train enters the tunnel at different speeds

由圖4可知:重載列車進入隧道過程中,變化最顯著、最復雜的區域是隧道口的渦流風及列車的尾流風,隨著列車速度的增加,隧道入口段渦流的影響范圍呈增大趨勢,列車尾流風速也有所增大;當列車行駛速度為60 km/h時,列車尾流風速約為13 m/s,當列車行駛速度為100 km/h時,列車尾流最大風速約為32 m/s,列車尾流風速相對增加19 m/s;當列車行駛速度為60 km/h時,隧道入口段有2個較小的渦流,而當列車車速提高至100 km/h時,隧道入口段只存在1個大渦流。

隧道入口段渦流產生的原因是外部流體域風流與隧道內溢出風流相遇后相互作用的結果。當重載列車車速為60 km/h,即車速相對較低時,兩股風流相互影響,于是在隧道口形成2個渦流區域;但當列車車速為100 km/h,即車速相對較高時,隧道內溢出的風流速度較大,對外部流體域風流的影響更強,此時外部流體域風流在強風作用下無法形成完整的渦流,而隧道內溢出的風流對渦流的產生起主導作用,因此列車車速為100 km/h時隧道入口段僅有1個渦流。

3.3 隧道入口段煤塵顆粒運移軌跡分析

本節主要分析重載列車分別以60、80、100 km/h的速度駛入隧道120 m處時,隧道入口段煤塵顆粒運移軌跡變化情況,如圖5所示。

圖5 重載列車以不同速度駛入隧道時入口段煤塵顆粒的運移軌跡Fig.5 Coal dust particle migration trajectory in the tunnel entrance section when the heavy haul train enters the tunnel at different speeds

由圖5可以看出:

1) 隨著重載列車車速的增加,列車車廂頂部表面煤塵顆粒的運移擴散速度同樣加快,當列車車速分別為60、80、100 km/h時,列車車廂頂部表面煤塵顆粒的運移擴散速度分別為15、20、26 m/s。隧道內,受到壓縮的氣流從列車與隧道壁之間的空隙間向外部流體域溢出,在與列車攜帶的風流共同作用下,使得列車車廂頂部、地面以及懸浮在空中還未落地的煤塵顆粒更加高速無序地運移擴散,煤塵顆粒完全充斥在有限的隧道空間內,對隧道內的環境造成了嚴重污染。

2) 隨著列車車速的增加,列車尾部的煤塵顆粒運移軌跡更加雜亂無章,并且隧道入口段的煤塵顆粒運移軌跡也越來越復雜。這是由于:列車完全進入隧道后,列車尾部的煤塵顆粒運移軌跡變化更加復雜,在隧道口渦流與尾流的共同作用下, 大量煤塵顆粒在隧道空間內形成內旋的軌跡;此外,隧道入口段地面上的煤塵顆粒在運移擴散過程中,一方面受到隧道內外溢氣流的影響,另一方面受到來自自然風流的作用而在隧道空間內形成外旋的軌跡。

3) 在重載列車前2節車廂處,靠近地面的風流流場與煤塵顆粒流場處于相對穩定狀態,隧道空間內煤塵顆粒運移軌跡并沒有因為重載列車車速的增加而有較大的變動,列車車身側面的煤塵顆粒向外部流體域移動的距離也較小,并在重力作用下能沉降到列車側面附近。

3.4 列車不同位置處煤塵濃度變化分析

重載列車駛入隧道過程中,列車前段、中段和尾段的風流運移和煤塵濃度隨時間的演變情況各不相同,本研究分別就列車前段、中段和尾段不同位置處的風流運移和煤塵濃度隨時間的演變情況進行了模擬研究,得到了列車前段、中段和尾段不同位置處的煤塵濃度變化規律。張大鵬等[19]分析了輸煤列車中心豎直面和高于列車10 cm水平面處煤塵顆粒的質量濃度,但未對尾流區煤塵濃度隨時間的演變情況進行分析。由于篇幅所限,本文僅選取一個位于尾流區的斷面,分析尾流區斷面上不同位置處煤塵濃度隨時間的變化情況。該斷面位于隧道口與列車尾部中間位置,距離隧道口10 m處,為了更好地說明煤塵由重載列車頂部揚起至沉降到地面的過程中,列車運行速度對煤塵濃度的影響,在該斷面上設置了3個監測點,其分別位于隧道的上、中、下部,分別用來監測列車頂部、隧道壁面與列車之間煤塵濃度的變化情況[20]。第1個監測點位于列車頂部0.2 m處,距離隧道壁面2.4 m;第2個監測點位于列車側壁,距離地面3.0 m,距離隧道壁面0.8 m;第3個監測點位于列車與隧道壁面之間,距離地面1.7 m,距離隧道壁面0.4 m,依次將這3個監測點記為A點、B點和C點,如圖6所示。重載列車不同車速下各監測點處煤塵濃度隨時間的變化曲線,見圖7。

企業在以前的生產經營活動中，依據國家標準和行業習慣，結合企業自身特點形成一些個性術語，在PLM系統規劃時將這些與業務和產品相關的各類名詞術語、符號內容、計量單位做統一規定，統一管理，制定了《產品型號編制方法》《產品和一級部裝參數表》等。

圖6 距離隧道口10 m處尾流區斷面上煤塵濃度監測點布置方式與位置Fig.6 Arrangement and position of coal dust concen-tration monitoring points on the section of the wake area at 10 m from the tunnel entrance

圖7 重載列車不同車速下各監測點處煤塵濃度隨時間的變化曲線Fig.7 Variation curves of coal dust concentration with time at each monitoring point under different speed of the heavy haul train

由圖7可以看出:

1) 3個監測點位置處,60 km/h列車車速影響下的煤塵濃度普遍低于80 km/h和100 km/h列車車速影響下的煤塵濃度,說明重載列車在進入隧道過程中,列車車速是影響煤塵揚起與擴散的重要原因;在A點位置處,100 km/h列車車速影響下的最大煤塵濃度幾乎是60 km/h列車車速影響下煤塵濃度的10倍?？梢?列車車速越大,列車車頂的風流流速越高,車頂揚起的煤塵濃度也越大。

2) 通過對比圖7(a)與圖7(b)可知,在4.5 s左右時,100 km/h車速的列車尾部經過A點和B點位置處的煤塵濃度再次增大。這是因為在列車尾流的影響下,空中未落地的煤塵再次揚起,一段時間后煤塵濃度才逐漸降低。

3) 通過對比圖7(a)與圖7(c)可知,在A點位置處,100 km/h列車車速影響下的最大煤塵濃度最先被監測到,之后依次是80 km/h和60 km/h列車車速影響下的煤塵濃度,但在C點位置處,該順序呈相反狀態,60 km/h列車車速影響下的最大煤塵濃度最先被監測到,說明在A點位置處,列車車速是影響煤塵濃度的主要因素,而在C點位置處,列車尾流是影響煤塵濃度的主要因素,并且列車車速越大,列車尾流引起的揚塵程度也越大。這是因為:當重載列車車速較高時,列車車身兩側的風流流速也較大,從列車頂部揚起的煤塵難以降落到地面上;而當列車完全進入隧道一段時間后,列車尾流區域的風流逐漸平緩,此時隧道空間內的煤塵才會逐漸沉降,因此導致C點位置處達到最大煤塵濃度所對應的時間比A點位置處對應的時間更長。

綜上所述,在隧道入口段,重載列車不同車速對煤塵顆粒運移擴散的影響在時間與空間上存在差異性。

4 討 論

4.1 鐵路隧道入口段抑塵思路

1) 由3.1節可知,當重載列車進入隧道,特別是車速較大時,會使隧道內部產生較大的壓力,因此可通過在隧道旁布設輔助巷或通風井,以保障隧道內空氣正常流通或隧道內部與外界大氣壓的平衡。

2) 由3.2節可知,隧道入口段的渦流變化特別復雜,對風流運移與煤塵顆粒運移擴散有重要作用,因此可在隧道口位置加裝漸縮或卸壓棚洞結構,以改變風流運移狀態,減小渦流的影響范圍。

3) 由3.3節可知,重載列車駛入隧道過程中,列車車頂、地面及隧道空間內的煤塵顆粒呈高速無序的運移擴散狀態,煤塵顆粒完全充斥在有限的隧道空間內。因此可在隧道內每間隔一定距離設置一組抑塵劑自動噴淋裝置,以捕捉懸浮煤塵并使列車車廂的表面形成一定厚度的固化層,從而分段減弱風流對揚塵的影響。

4) 通過研究發現,重載列車車速對風流運移及煤塵顆粒運移擴散有重要的作用,隨著列車車速的增大,容易造成隧道空間內煤塵濃度急劇增加,故在不影響運輸能力的前提下,可在列車進入隧道前適當降低其車速。

4.2 研究不足與展望

由于計算機硬件的限制,本文對重載列車和隧道模型進行了一定的簡化,本次模擬中沒有考慮列車車輪旋轉對風流運移及煤塵顆粒運移擴散的影響,對地面揚塵結果有一定的影響,而且本文中的自然風速設置為固定流速,這與現實情況存在一定的差距。

在針對重載運煤列車駛過隧道的全過程方面,本文僅研究了重載列車經過隧道入口段時的情況,當列車繼續行駛,完全進入隧道和駛出隧道等過程中,風流運移和煤塵顆粒運移擴散的特點及規律仍需探究;在針對外部環境或已有條件方面,可以從煤塵特性、自然風的風向及風速等角度出發,探究其對風流運移及煤塵顆粒運移擴散的影響;在通風降塵改進措施方面,可以探究通風井、棚洞結構、抑塵劑噴淋裝置等設備設施對風流運移及煤塵顆粒運移擴散的影響。

5 結 論

本文研究了3種不同車速的重載列車駛入隧道入口段過程中,隧道入口段的風流運移及煤塵顆粒運移擴散特點,主要得出以下結論:

1) 重載列車駛入隧道前,列車車頭部位壓力場的影響范圍隨列車車速的增加而增大;列車進入隧道后,隧道內列車車頭前方的壓力場瞬時增大,壓力場強度與列車行駛速度呈正相關關系,而列車車身周圍的壓力場呈負壓狀態,列車車尾部分受負壓場的影響更大,列車車速越快,列車車尾的負壓場越強,負壓場的影響范圍越大。

2) 重載列車駛入隧道過程中,隧道入口段風流變化特征最復雜的地方位于隧道入口及尾流區域。隨著列車車速的增加,列車尾流的風速逐漸增大,隧道內向外部流體域溢出的風流流速也逐漸增大,該風流與自然風相互作用后,在隧道口引起的渦流影響范圍也呈增大的趨勢。

3) 當重載列車完全駛入隧道后,隧道有限空間內的煤塵顆粒呈高速無序的運移擴散狀態,煤塵顆粒的運移速度與列車車速呈正相關關系;在列車尾流與隧道口渦流的共同影響下,煤塵顆粒在隧道口有外旋和內旋兩種運移軌跡;列車行駛速度對前2節車廂周圍煤塵顆粒運移擴散的影響較小。

4) 在距離隧道口10 m處的尾流區斷面上,列車不同位置處監測點所測得的煤塵濃度是不同的,列車車速越快,列車頂部監測點位置處的煤塵濃度越大,而低位置監測點的煤塵濃度較小,監測點布置的位置越低,測得的最大煤塵濃度所對應的時間也相對較晚,重載列車不同車速對煤塵運移擴散的影響在時間與空間上具有差異性。