公路隧道噴霧降塵數值模擬與應用

張　哲　蔣仲安　閆　鵬

(北京科技大學土木與環境工程學院)

?

公路隧道噴霧降塵數值模擬與應用

張哲蔣仲安閆鵬

(北京科技大學土木與環境工程學院)

摘要為了降低公路隧道施工過程中的粉塵濃度，減少對施工人員的危害，針對辛莊高速公路隧道的實際特點，運用Fluent軟件模擬不同參數下噴霧裝置的霧化效果，結合現場實測數據，采用霧化效果充分的氣水噴霧降塵工藝封閉隧道斷面。結果表明，噴霧壓力越大，霧粒直徑越小，霧化效果越好；霧化角度越大，噴霧覆蓋面積越大，霧化效果越好；噴嘴直徑越小，耗水量越小。現場應用降塵效率達到54%，霧化范圍可擴散至50～150 m，降塵效果明顯。

關鍵詞公路隧道氣水噴霧數值模擬噴霧因素降塵效率

在公路隧道工作面施工過程中，各個生產工序都會產生遠遠超過國家有關標準的大量粉塵。根據調查與實測，錨噴和裝渣施工中粉塵濃度高達100～200 mg/m3，甚至高達400 mg/m3，大大超過安全規程規定的2～10 mg/m3的標準，且水泥粉塵的分散度高、危害性大，其中粒徑小于7 μm的呼吸性粉塵占85%以上[1-4]。從行業分布上看，公路鐵路隧道報告職業病為2 575例，占全國報告職業病例數的10.02%[5]。公路隧道施工粉塵控制通常采用經濟簡便的普通噴霧灑水除塵措施，呼吸性粉塵在噴霧灑水試驗過程中的降塵效率只有20%～30%，降塵效率低且耗水量大，無法達到預期的效果[6-9]。

本文采用數值模擬方法，利用Fluent模擬噴霧狀態，深入研究噴嘴在不同直徑、霧化角度和噴霧壓力下的降塵效率，選擇合適的參數，達到降低粉塵濃度的目的。

1噴嘴及噴霧布置

1.1噴嘴

在深入分析影響噴嘴噴霧降塵效果諸因素的基礎上，研制了新型的氣水霧化噴嘴。該噴嘴設計和組成較常規水噴嘴復雜，主要結構包括：空氣帽(頂帽)、液體帽(螺帽)、基座。空氣帽是氣水混合的場所，起控制噴霧形狀、角度；液體帽主要為氣體和液體進入空氣帽的通道，控制噴霧的流量及噴射距離；基座主要起控制連接作用，整體機構如圖1所示。噴嘴的影響因素主要是噴霧壓力，噴嘴霧化角及噴嘴直徑。

圖1　氣水噴嘴結構

1.2噴霧布置

鉆孔打眼、支護以及噴漿作業時要將工作架移至工作面處，爆破和棄渣裝運工序作業時，需將工作架移至距離工作面約20 m的臺階處。考慮實際施工過程中工作架對于噴霧除塵系統的影響，在不影響正常施工情況下盡可能大的覆蓋隧道斷面，因此在距離工作面30 m、距離隧道底部4 m高處，沿隧道輪廓以β=10°均勻布置噴霧裝置，如圖2所示。

圖2　噴嘴布置(單位：m)

2幾何模型建立及參數設定

2.1幾何模型

辛莊隧道開挖寬度為14.7～16 m，其中最大開挖寬度17.46 m，開挖斷面較大，風流場互相干擾，形成渦流區，對排出工作面粉塵極為不利。隧道采用SDDY-11A軸流式通風機進行通風，風量為81 000 m3/h，通風除塵能力較差。根據實際簡化模型，利用Gambit建立隧道幾何模型如圖3所示。

圖3　隧道幾何模型

2.2模擬參數的設定

根據辛莊隧道的實際測量數據，將網格模型導入Fluent，結合Fluent的模擬方法，確定數值模擬的相關參數見表1。

表1　計算模型參數設定

3數值模擬結果及分析

3.1不同噴霧壓力的模擬結果及分析

將噴嘴霧化角度固定為30°，噴嘴直徑固定為4 mm，分別在2，3和5 MPa的噴霧壓力下比較噴嘴的霧粒直徑，如圖4所示。

從圖4中可以看出，噴霧壓力的變化對霧粒直徑的影響很大：在壓力為2 MPa時，霧粒直徑大多為0.25～0.35 mm；壓力增大至3 MPa時，霧粒直徑集中于0.15～0.25 mm；當壓力增大到5 MPa時，噴出霧粒的直徑基本都小于0.15 mm。可以得出，噴霧壓力越大，可獲得霧粒直徑越小的水霧顆粒，越容易捕集隧道施工時產生的粉塵，特別是對呼吸性粉塵的捕集更為明顯，與常規的人工灑水降塵相比，耗水量減小。綜合考慮，選擇5 MPa作為噴霧裝置的工作壓力。

3.2不同霧化角度的模擬結果及分析

將噴霧工作壓力固定為5 MPa，噴嘴直徑固定為4 mm，分別在30°,60°和90°的霧化角度下比較噴嘴的霧粒直徑，如圖5所示。

從圖5中可以看出，在其他條件一定的情況下，改變噴嘴霧化角度，對霧粒直徑影響不大，在30°,60°和90°時，霧粒直徑幾乎全部處在0.09～0.16 mm。雖然不同的霧化角度幾乎不會影響到霧粒直徑，但隨著霧化角度的增大，噴霧的覆蓋面積變大，特別是對于行人呼吸帶的覆蓋能力顯著加強，并且霧滴分布更加均勻，霧滴的濃度也沒有明顯下降。因此在不影響霧滴濃度的前提下，霧化角度選擇為90°時，霧化效果較好。

圖4　不同壓力下的霧粒直徑

圖5　不同霧化角度下的霧粒直徑

3.3不同噴嘴直徑的模擬結果及分析

將噴霧工作壓力固定為5 MPa，噴嘴霧化角度固定為90°，分別在2和4 mm的噴嘴直徑下比較噴嘴的霧粒直徑，如圖6所示。

從圖6中可以看出，不同的噴嘴直徑對于霧粒的直徑影響不大，霧滴直徑大部分為0.09～0.15 mm。在相同的條件下，小直徑的噴嘴會因隧道施工條件惡劣和水質差等原因發生堵塞,大直徑的噴嘴耗水量大且容易形成積水。結合現場環境和實際條件,選擇2 mm的噴嘴直徑進行現場應用。

圖6　不同噴嘴直徑下的霧粒直徑

4現場實測與分析

4.1粉塵濃度現場實測

分別測量采用噴霧裝置前后的隧道內呼吸性粉塵與全塵濃度。采用AKFC-92A粉塵采樣儀，在距離隧道左側壁2,8 m處分別布置兩排測點，在15～50 m 以5 m為間隔測量全塵濃度與呼塵濃度，采樣時間為2 min，流量為20 L/min，采樣后稱重。

4.2降塵效果測定及分析

測得測點處呼塵與全塵濃度，分別對距左側壁2,8 m處全塵濃度和呼塵濃度進行對比(見圖7)和分析。

(1)采用噴霧降塵控制方案后，粉塵的堆積相對緩和，粉塵沉降速率在距工作面10～20 m處明顯加快。

(2)由于噴霧裝置將水霧化，游離于空氣中的水分子較多，有利于提高呼吸性粉塵的降塵效率，由圖7中可以看出，呼塵濃度在距工作面20 m降塵效果明顯。

(3)在距工作面40～50 m區域，全塵濃度與呼塵濃度曲線與采取措施前曲線趨于接近，降塵效率下降明顯。因此可以在粉塵濃度較高的臺階上每隔10～20 m設置一組噴霧降塵裝置。

圖7　噴霧前后全塵濃度與呼塵濃度對比

(4)由于霧化水隨風流向隧道右側擴散，8 m處噴霧裝置效果較差，全塵與呼塵的降塵效率較低；2 m 處噴霧裝置效果較好，全塵與呼塵的降塵效率分別達到了60.4%和60.7%，接近實際噴霧裝置的降塵效率。

(5)全塵最大降塵效率達到了86.4%，呼塵最大降塵效率達到了88.6%，降塵效果明顯，且對于大顆粒粉塵和呼吸性粉塵的降塵效率都較高，適用性較強。全塵與呼吸性粉塵的平均降塵效率分別為52.5%和53.9%，降塵效果整體較好，適用于不同類型粉塵顆粒組成的隧道降塵。

5結論

改變噴嘴的相關參數，對不同參數條件下的霧化效果進行了數值模擬，通過霧滴直徑和噴霧覆蓋面積兩個指標對噴霧裝置進行了優化，選擇合適的霧化參數：工作壓力越大，所形成的霧滴直徑明顯減小，對于細小顆粒粉塵的降塵效果更為明顯；不同的霧化角度對于霧粒直徑影響不大，但直接影響噴霧裝置所形成霧化效果的覆蓋面積，對于行人呼吸帶處的降塵效果明顯；在斷面較大的公路隧道中，噴嘴直徑對于霧化效果的影響較小。

該降塵噴霧裝置在辛莊隧道的現場應用表明，工作面粉塵的降塵率可達到50%以上，最高達到88.6%，對各種粒徑的粉塵降塵效果都很明顯，大大改善了工作面的粉塵堆積對于工作環境的影響。此裝置結構簡單，操作方便，隨著隧道逐步進尺，在隧道中易于安裝使用且不影響隧道施工，適用于工序多、情況復雜的隧道作業環境。

參考文獻

[1]曹建明.噴霧學[M].北京：機械工業出版社，2005.

[2]武建國，蔣仲安，賴亞磊，等.綜采工作面噴霧隔降塵技術及應用[J].煤炭科學技術，2009，37(4)：40-41.

[3]王偉能，張弘弛，王春玲.噴霧降塵工藝治理煤塵的應用[J].能源環境保護，2007，21(3)：47-49.

[4]陳志強.鉆爆法隧道施工粉塵防治的研究[D].濟南：山東大學，2008.

[5]袁地鏡.鉆爆法公路隧道施工通風除塵研究[D].重慶：重慶大學，2010.

[6]馬素平，寇子明.噴霧降塵機理的研究[J].煤炭學報，2005，30(3)：297-300.

[7]高揚.綜采工作面粉塵分布及采煤機內外噴霧系統優化的研究[D].北京：北京科技大學，2010.

[8]牛偉，蔣仲安，劉毅.綜采工作面粉塵運動規律數值模擬及應用[J].遼寧工程技術大學學報：自然科學版，2010，29(3)：357-358.

[9]程衛民，周搖剛，左前明，等.噴嘴噴霧壓力與霧化粒度關系的實驗研究[J].煤炭學報，2010，35(8)：1308-1313.

(收稿日期2015-10-08)

Numerical Simulation and Application of Spray Dust Removal in Highway Tunnel

Zhang ZheJiang ZhonganYan Peng

(School of Civil and Environment Engineering, University of Science and Technology Beijing)

AbstractIn order to reduce the dust concentration in the highway tunnel construction process, reduce the harm to construction personnel, according to the practical characteristics of Xinzhuang highway tunnel, the Fluent software is adopted to simulate the spray atomization effect under different parameters, combing with the field measured data,the tunnel section is closed by using the spray dust removal technique with sufficient atomization effect. The results show that the higher spray pressure, the fog particle diameter is smaller, the atomization effect is better; the bigger spray angle,the spray covered area is bigger, the atomization effect is better; the smaller the nozzle diameter, the water consumption is smaller. The field application results show that the dust efficiency reaches to 54%, the atomization range can be spread to 50～150 m, the dust removal effect is obvious.

KeywordsHighway tunnel, Gas and water spray, Numerical simulation, Spray factors, Dust removal efficiency

張哲(1991—),男，碩士研究生，100083 北京市海淀區學院路30號。