隧道闭式循环通风的净化后新风风量折减系数计算方法与流程

本发明属于隧道防灾减灾技术领域，具体涉及一种用于特长公路隧道闭式可控循环通风的净化后循环风流新风风量折减系数的计算方法。

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，才能满足隧道内稀释污染物的用风需求。特长公路隧道通风具体涉及竖井开挖位置、通风机、射流风机群和风道等影响因素的优化，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；kwags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闭式可控循环通风的净化后循环风流新风风量折减系数的计算方法尚未形成。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种用于特长公路隧道闭式可控循环通风的净化后循环风流新风风量折减系数的计算方法，从而能迅速快捷完成闭式循环通风系统实施的预评估。

本发明的目的是通过如下的技术方案来实现的：该隧道闭式循环通风的净化后新风风量折减系数计算方法，是用于特长公路隧道闭式可控循环通风系统的净化后循环风流新风风量折减系数计算；所述特长公路隧道闭式可控循环通风系统包括设置于隧道旁通隧洞且平行于隧道的循环风道，隧道入口至循环风道的引风段之间是上游隧道，循环风道的引射段至隧道出口之间是下游隧道，循环风道通过其两端的引风段和引射段与隧道连通，上游隧道与下游隧道之间是隧道短道；循环风道内设有除尘器；

其特征在于包括如下步骤：

(一)确定流经除尘器净化后循环风流的等效新风量计算式如下：

qeff(η)＝η·ω·e·qr(1)；

式(1)中，qeff(η)为净化后循环风流的等效新风量，m³/s；qr为从隧道入口引入的外界新鲜风流风量，m³/s；e为分风比数，无量纲数；ω为流入除尘器循环风流的有效风量系数，无量纲数；η为除尘器烟尘净化效率，无量纲数；

(二)净化后循环风流新风风量折减系数的计算方法如下：

(1)对于在循环风道中未设置除尘器的常规送排风竖井通风方式而言，送风竖井送入新鲜风流后，在引射段新鲜风流等效新风量计算式如下：

q′eff(s)＝ω'q'(2)；

式(2)中，q′eff(s)为常规送排风竖井通风方式中的引射段新鲜风流等效新风量，m³/s；ω′为常规送排风竖井通风方式中的循环风道有效风量系数，无量纲数；q'为常规送排风竖井通风方式中的送风竖井送入新鲜风流风量，m³/s；

(2)利用公式(1)和公式(2)，能得到可控循环通风系统与常规通风方式等效的通风效果，公式(1)的风量等于公式(2)的风量，即：

q′eff(s)＝qeff(η)＝η·ω·e·qr＝ω'q'(3)；

(3)对于可控循环通风系统与常规在循环风道中未设置除尘器的送排风竖井通风方式而言，在影响稀释烟尘所需风量的自变量相同的情况下，则可控循环通风系统和送排风竖井通风方式对应的分风比数相等，二者从隧道入口引入的新鲜风流风量相等，即：

e·qr＝q'(4)；

(4)在上述边界条件下，基于公式(3)和公式(4)，定义可控循环通风系统中净化后循环风流新风风量折减系数的计算式如下：

式(5)中，为净化后循环风流新风风量折减系数，无量纲数；

公式(5)表明，当闭式可控循环通风系统的净化后循环风流新风风量折减系数大于1时，实施可控循环通风系统能达到常规送排风竖井通风方式相同的通风效果并且系统风量降低。

具体的，步骤(一)、(二)中式(1)、式(2)、式(4)的确定方法如下：

(ⅰ)根据现有工程计算方法，得到隧道烟尘流量计算式如下：

式(6)中，qvi为隧道烟尘流量，m²/s；qvi为烟尘基准排放量，m²/veh·km；fa(vi)为考虑烟尘的车况系数，无量纲数；fd为车密度系数，无量纲数；fh(vi)为考虑烟尘的海拔高度系数，无量纲；fiv(vi)为考虑烟尘的纵坡-车速系数，无量纲数；nd为柴油车车型类别数，无量纲数；nm为相应车型的交通量，veh/h；fm(vi)为考虑烟尘的柴油车车型系数，无量纲数；l为隧道长度，m；

其中，烟尘流量的综合影响因子c的计算式为：

式(7)中，c为烟尘流量的综合影响因子，m/s；

在公式(6)中，当基准排放量不变，以及车况、车密度、坡度、车速、柴油车车型无量纲数不变，且能忽略海拔变化所产生影响的情况下，则，隧道烟尘流量是隧道长度和综合影响因子的函数；

(ⅱ)应用式(6)和式(7)，上游风流的烟尘浓度计算式如下：

式(8)中，δ为上游风流的烟尘浓度，m^-1；l1为上游隧道的长度，m；qr为从隧道入口引入的外界新鲜风流风量，m³/s；

(ⅲ)分风比数由下式确定：

式(9)中，e为分风比数，无量纲数；q为分流至循环风道引风段的风流风量，m³/s；

(ⅳ)除尘器的有效风量系数与烟尘净化效率的计算方法如下：

为了表征循环风流烟尘浓度对除尘器性能及其极限利用的影响，定义有效风量系数为流入除尘器未净化循环风流的烟尘浓度即上游风流的烟尘浓度与烟尘浓度设计容许值的比值，如下式所示：

式(10)中，ω为有效风量系数，无量纲数；δ为上游风流的烟尘浓度，m^-1；δ0为通风设计的烟尘容许浓度，m^-1；

除尘器烟尘净化效率计算式如下：

式(11)中，δeff(η)为净化后的循环风流烟尘浓度，m^-1；

(ⅴ)由上述推导，确定循环风道引射段处的等效新风量即流经除尘器净化后循环风流的等效新风量计算式如式(1)：

qeff(η)＝η·ω·e·qr(1)；

式(1)中，qeff(η)为净化后循环风流的等效新风量，m³/s；

(ⅵ)由上述推导，确定常规送排风竖井通风方式中的引射段新鲜风流等效新风量计算式如式(2)：

q′eff(s)＝ω'·q'(2)；

式(2)中，q′eff(s)为常规送排风竖井通风方式中的引射段新鲜风流等效新风量，m³/s；ω'为常规送排风竖井通风方式中的循环风道有效风量系数，无量纲数；q'为常规送排风竖井通风方式中的送风竖井送入新鲜风流风量，m³/s；

在公式(2)中，常规送排风竖井通风方式中的循环风道有效风量系数计算式如下：

式(12)中，δ'为常规送排风竖井通风方式中的循环风道烟尘浓度，m^-1；

在公式(12)中，当上游隧道长度相同的情况下，常规送排风竖井通风方式中的循环风道烟尘浓度上限值计算式如下：

式(13)中，q′r为常规送排风竖井通风方式中的从隧道入口引入的外界新鲜风流风量，一般等于qr，m³/s；l'1常规送排风竖井通风方式中的循环风道的上游隧道的长度，一般有l′1≤l1，m；

在从隧道入口引入的新鲜风流风量相等的情况下，从公式(13)、公式(12)和公式(10)，推导得到式(14)和式(15)：

ω′≤ω(14)；

q＝q'＝eqr(15)；

即得到式(4)：

e·qr＝q'(4)；

(ⅶ)净化后循环风流新风风量折减系数的计算方法如下：

对于可控循环通风系统与常规在循环风道中未设置除尘器的送排风竖井通风方式而言，在影响稀释烟尘所需风量的自变量相同的情况下，则可控循环通风系统和常规送排风竖井通风方式对应的分风比数相等，二者从隧道入口引入的新鲜风流风量相等；在上述边界条件下，由公式(1)和公式(2)，能得到可控循环通风系统中净化后循环风流新风风量折减系数的计算式如下：

式(16)中，为净化后循环风流新风风量折减系数，无量纲数；c＝ω′/ω为有效风量系数的二次比值，无量纲数；

公式(16)表明，净化后循环风流新风风量折减系数与除尘器净化效率、流入除尘器循环风流的有效风量系数成正比，净化后循环风流新风风量折减系数与常规送排风竖井通风方式中的循环风道有效风量系数成反比。

本发明与现有技术相比，有益效果体现如下：

本发明能用于特长公路隧道闭式可控循环通风的净化后循环风流新风风量折减系数的确定，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，可迅速快捷确定出特长公路隧道闭式可控循环通风中的净化后循环风流新风风量折减系数，并校核循环风道的分风比数和除尘器净化效率，确保系统安全可靠运行。

附图说明

图1是本发明特长公路隧道闭式可控循环通风系统的结构示意图。

图2是本发明特长公路隧道闭式可控循环通风系统的风流原理示意图。

图3是本发明方法实施例中有效风量系数的二次比值对新风风量折减系数的影响曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的描述。

参见图1、图2，特长公路隧道闭式可控循环通风系统包括设置于隧道旁通隧洞且平行于隧道的循环风道5，隧道入口1至循环风道5的引风段3之间是上游隧道2，循环风道5的引射段7至隧道出口9之间是下游隧道8，循环风道5通过其两端的引风段3和引射段7与隧道连通，上游隧道2与下游隧道8之间是隧道短道10；循环风道5内设有除尘器11，4是除尘器入口，6是除尘器出口。

本发明闭式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鲜风流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，成为上游风流b。上游风流b的一部分流入循环风道的隧道短道10，继续稀释污染物，成为并联风流f。另一部分上游风流b经过循环风道引风段3，流入循环风道5，称为未净化循环风风流c。在除尘器11的作用下，未净化循环风风流c流经过除尘器11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，转化为净化后循环风流d。在循环风道引射段7，净化后循环风流d与流经隧道短道10的并联风流f完成掺混，转变为下游风流e。在循环风道的下游隧道8，下游风流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。

本发明基于上述特长公路隧道闭式可控循环通风系统的净化后新风风量折减系数计算方法，包括如下步骤：

(ⅰ)根据现有工程计算方法，得到隧道烟尘流量计算式如下：

式(6)中，qvi为隧道烟尘流量，m²/s；qvi为烟尘基准排放量，m²/veh·km；fa(vi)为考虑烟尘的车况系数，无量纲数；fd为车密度系数，无量纲数；fh(vi)为考虑烟尘的海拔高度系数，无量纲；fiv(vi)为考虑烟尘的纵坡-车速系数，无量纲数；nd为柴油车车型类别数，无量纲数；nm为相应车型的交通量，veh/h；fm(vi)为考虑烟尘的柴油车车型系数，无量纲数；l为隧道长度，m；

其中，烟尘流量的综合影响因子c的计算式为：

式(7)中，c为烟尘流量的综合影响因子，m/s；

在公式(6)中，当基准排放量不变，以及车况、车密度、坡度、车速、柴油车车型无量纲数不变，且能忽略海拔变化所产生影响的情况下，则，隧道烟尘流量是隧道长度和综合影响因子的函数；

(ⅱ)应用式(6)和式(7)，上游风流的烟尘浓度计算式如下：

式(8)中，δ为上游风流的烟尘浓度，m^-1；l1为上游隧道的长度，m；qr为从隧道入口引入的外界新鲜风流风量，m³/s；

(ⅲ)分风比数由下式确定：

式(9)中，e为分风比数，无量纲数；q为分流至循环风道引风段的风流风量，m³/s；

(ⅳ)除尘器的有效风量系数与烟尘净化效率的计算方法如下：

为了表征循环风流烟尘浓度对除尘器性能及其极限利用的影响，定义有效风量系数为流入除尘器未净化循环风流的烟尘浓度即上游风流的烟尘浓度与烟尘浓度设计容许值的比值，如下式所示：

式(10)中，ω为有效风量系数，无量纲数；δ为上游风流的烟尘浓度，m^-1；δ0为通风设计的烟尘容许浓度，m^-1；

除尘器烟尘净化效率计算式如下：

式(11)中，δeff(η)为净化后的循环风流烟尘浓度，m^-1；

(ⅴ)由上述推导，确定循环风道引射段处的等效新风量即流经除尘器净化后循环风流的等效新风量计算式如式(1)：

qeff(η)＝η·ω·e·qr(1)；

式(1)中，qeff(η)为净化后循环风流的等效新风量，m³/s；qr为从隧道入口引入的外界新鲜风流风量，m³/s；e为分风比数，无量纲数；ω为流入除尘器循环风流的有效风量系数，无量纲数；η为除尘器烟尘净化效率，无量纲数；

(ⅵ)由上述推导，确定常规送排风竖井通风方式中的引射段新鲜风流等效新风量计算式如式(2)：

q′eff(s)＝ω'·q'(2)；

式(2)中，q′eff(s)为常规送排风竖井通风方式中的引射段新鲜风流等效新风量，m³/s；ω'为常规送排风竖井通风方式中的循环风道有效风量系数，无量纲数；q'为常规送排风竖井通风方式中的送风竖井送入新鲜风流风量，m³/s；

在公式(2)中，常规送排风竖井通风方式中的循环风道有效风量系数计算式如下：

式(12)中，δ'为常规送排风竖井通风方式中的循环风道烟尘浓度，m^-1；

在公式(12)中，当上游隧道长度相同的情况下，常规送排风竖井通风方式中的循环风道烟尘浓度上限值计算式如下：

式(13)中，q′r为常规送排风竖井通风方式中的从隧道入口引入的外界新鲜风流风量，一般等于qr，m³/s；l'1常规送排风竖井通风方式中的循环风道的上游隧道的长度，一般有l′1≤l1，m；

公式(13)中，一般来说，由于常规送排风竖井通风方式中的排风井将污染空气排出至隧道外界大气，应该考虑对外界环境空气质量的影响和地质等各方面条件的约束，遴选隧址时无法选在最优位置；几乎不可能的是：常规送排风竖井通风方式中循环风道内烟尘浓度达到临界烟尘浓度值，再及时将污染空气排出去；相比而言，闭式可控循环通风系统不一样，不用考虑对周围环境的影响，对地质要求也较小，能使闭式可控循环通风系统中的循环风道内烟尘浓度达到临界烟尘浓度值，再分流一部分污染空气至循环风道并实施净化；所以，一般有l′1≤l1；

在从隧道入口引入的新鲜风流风量相等的情况下，从公式(13)、公式(12)和公式(10)，推导得到式(14)和式(15)：

ω′≤ω(14)；

q＝q'＝eqr(15)；

即得到式(4)：

e·qr＝q'(4)；

(ⅶ)净化后循环风流新风风量折减系数的计算方法如下：

对于可控循环通风系统与常规在循环风道中未设置除尘器的送排风竖井通风方式而言，在影响稀释烟尘所需风量的自变量相同的情况下，则可控循环通风系统和常规送排风竖井通风方式对应的分风比数相等，二者从隧道入口引入的新鲜风流风量相等；在上述边界条件下，由公式(1)和公式(2)，能得到可控循环通风系统中净化后循环风流新风风量折减系数的计算式如下：

式(16)中，为净化后循环风流新风风量折减系数，无量纲数；c＝ω′/ω为有效风量系数的二次比值，无量纲数；

公式(16)表明，净化后循环风流新风风量折减系数与除尘器净化效率、流入除尘器循环风流的有效风量系数成正比，净化后循环风流新风风量折减系数与常规送排风竖井通风方式中的循环风道有效风量系数成反比。

下面是确定除尘器烟尘净化效率、流入除尘器循环风流的有效风量系数和常规送排风竖井通风方式中的循环风道有效风量系数对净化后循环风流新风风量折减系数影响程度的实验实例，其具体操作如下：

(a)设除尘器烟尘净化效率分别为0.75、0.80、0.85、0.90和0.95；

(b)设有效风量系数的二次比值范围为0.1至1.0；

(c)把上述数值代入公式(16)计算，所得结果如图3所示。

通过分析具体实施方案，做出如下归纳：(1)随着有效风量系数的二次比值的增加，新风风量折减系数趋近于1；随着除尘器烟尘净化效率的增加，新风风量折减系数变大。(2)本发明方法量化了除尘器烟尘净化效率、流入除尘器循环风流的有效风量系数和常规送排风竖井通风方式中的循环风道有效风量系数对净化后循环风流新风风量折减系数的影响程度。