隧道壁面粗糙度對煙塵擴(kuò)散影響的CFD研究

郭芹慶，劉存，譚紅強(qiáng)，李宏宇，馬博洋,徐榮吉，許淑惠

（1.中國電建集團(tuán)北京勘測設(shè)計研究院有限公司，北京 100024；2.北京建筑大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院，北京 100044）

0 引言

當(dāng)前地下水電站開挖施工主要以鉆爆法為主，而在施工過程中由于炸藥爆破以及各種機(jī)械設(shè)備的使用，會產(chǎn)生大量煙塵廢氣，爆破煙塵主要包括粉塵和有毒有害氣體，有毒有害氣體主要包括CO，NOx等，如若沒有得到及時排除，則將威脅現(xiàn)場工作人員的健康安全，所以需要通過施工期間的通風(fēng)使污染物迅速降至允許范圍內(nèi)。然而隧道壁面粗糙度對污染物的擴(kuò)散和排除有著十分重要的影響。國內(nèi)部分學(xué)者對隧道壁面粗糙度進(jìn)行了大量研究，武義凱等研究了隧道斷面與其壁面摩阻損失系數(shù)的關(guān)系。張恒等研究了壁面粗糙形狀對污染物擴(kuò)散的影響。龔曉燕等探究了巷道壁面粗糙度對受限貼附紊動射流的影響規(guī)律。王亞瓊等研究了隧道洞壁粗糙度對通風(fēng)摩阻系數(shù)的影響。張錦昇等采用數(shù)值仿真和理論分析相結(jié)合的方法，探究了壁面粗糙度對于高超聲速進(jìn)氣道氣動性能的影響。羅永豪等針對井下巷道壁面附近的低風(fēng)速區(qū)域進(jìn)行了實驗室模擬風(fēng)洞試驗研究，得出了在不同壁面粗糙度及不同風(fēng)速作用下，巷道壁附近的低風(fēng)速區(qū)域分布。

但國內(nèi)對于水電站施工通風(fēng)期間污染物擴(kuò)散規(guī)律的研究較少，因此本文基于山東濰坊地下水電站隧道掘進(jìn)施工，采用Fluent模擬軟件，運用數(shù)值模擬方法，研究隧道壁面粗糙度對于爆破施工產(chǎn)生的煙塵擴(kuò)散的影響，旨在為隧道施工通風(fēng)設(shè)計提供理論支持。

1 數(shù)值模型的建立

1.1 物理模型及網(wǎng)格劃分

物理模型采用山東濰坊地下水電站交通洞廊道，計算區(qū)域長度為135m，掌頭區(qū)長度為35m，廊道豎截面寬8m，高7m，頂部為直徑8m的半圓弧，風(fēng)管直徑為1.4m，風(fēng)管中心距離地面7m，距離臨近壁面1.7m，風(fēng)管末端距離爆破面35m，如圖1所示，網(wǎng)格劃分采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，如圖2所示。

圖1 廊道模型圖

圖2 網(wǎng)格劃分圖

1.2 計算模型及邊界條件設(shè)置

模型采用歐拉—拉格朗日方法的離散相模型（DPM），即把流體看作連續(xù)介質(zhì)，在Euler坐標(biāo)系下計算流體相的運動，將顆粒作為離散相，在Lagrange坐標(biāo)系下計算顆粒相的運動，并將粉塵設(shè)置為球形顆粒。由于需要研究廢氣擴(kuò)散規(guī)律，還需打開組分傳輸模型，在掌頭區(qū)設(shè)置源項模擬爆破瞬間生成廢氣過程，廢氣全部折算為CO進(jìn)行計算。湍流模型選擇標(biāo)準(zhǔn)k－ε兩方程模型。數(shù)值模擬過程為：先進(jìn)行2s的爆破過程，產(chǎn)生廢氣與粉塵，同時風(fēng)管持續(xù)向廊道送風(fēng)，觀察不同粗糙度情況下煙塵的擴(kuò)散規(guī)律，并通過設(shè)置監(jiān)測點記錄廊道不同位置處煙塵濃度的變化，根據(jù)實際施工通風(fēng)量292524m/h可計算得風(fēng)管出口風(fēng)速，根據(jù)單次爆破炸藥量540.7kg及爆破方量474m可計算得粉塵質(zhì)量流率與CO初始濃度，具體邊界條件如表1所示。

邊界條件設(shè)置表 表1

1.3 模擬工況

根據(jù)實際工程，在水電站施工過程中，由于支護(hù)方式的不同，導(dǎo)致不同施工方式壁面具有不同的壁面粗糙高度，對于常用的噴混凝土支護(hù)，壁面粗糙高度范圍在3mm～9mm 之間，而噴錨支護(hù)由于需要在噴射混凝土的基礎(chǔ)上向壁面打入錨桿，所以粗糙度高于噴混凝土壁面，本工程項目主要采用噴混凝土支護(hù)。粗糙度常數(shù)與壁面粗糙顆粒均勻度相關(guān)，此處為fluent軟件默認(rèn)值0.5，具體工況如表2所示。

模擬工況設(shè)置 表2

且由于人體的呼吸高度約為1.5m，所以在平行于地面，距離地面1.5m高的水平面上，沿著廊道中心線，分別在距離爆破面5m、15m、50m、100m 位置設(shè)立檢測點，檢測粉塵與CO的濃度變化。

2 計算結(jié)果及分析

2.1 模型驗證

結(jié)合陳舉師實驗內(nèi)容進(jìn)行數(shù)值模擬，根據(jù)規(guī)范《工作場所空氣中有害物質(zhì)監(jiān)測的采樣規(guī)范》（GBZ 159－2004）及相關(guān)文獻(xiàn)要求在聯(lián)絡(luò)巷回風(fēng)處，距離地面1.5m高度設(shè)置檢測點。粉塵及CO濃度模擬結(jié)果見圖3、圖4所示。

圖3 粉塵實測濃度與模擬濃度對比圖

圖4 CO實測濃度與模擬濃度對比圖

對比模擬數(shù)據(jù)與實驗數(shù)據(jù)，從圖中可以看到，粉塵及CO濃度的數(shù)值及趨勢接近相同，產(chǎn)生誤差的主要原因可能是在實際進(jìn)行實驗的過程中，現(xiàn)場因素的干擾引起的，證明采用模型方法對于研究粉塵及CO擴(kuò)散分布規(guī)律的可行性。

2.2 粗糙度對污染物擴(kuò)散濃度的影響

①粗糙度對粉塵擴(kuò)散的影響：

從圖5可以看出，粉塵顆粒的濃度分布呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，當(dāng)廊道壁面為光滑壁面時，在爆破發(fā)生的36s后檢測點處的粉塵濃度達(dá)到最大值0.072kg/m，在通風(fēng)406s后粉塵濃度降為0；當(dāng)廊道壁面為粗糙壁面時，隨著粗糙度的增大，粉塵在廊道內(nèi)的滯留時間變長，當(dāng)粗糙度為9mm時，在通風(fēng)494s后粉塵濃度降為0。

將圖5爆破發(fā)生后的50s～150s局部放大，可以看到粉塵濃度由于廊道通風(fēng)的影響，隨時間推移逐漸降低，并且能夠發(fā)現(xiàn)壁面粗糙度越大，粉塵濃度下降速度越慢，粉塵顆粒在廊道中滯留時間越長，這是因為由于壁面的不平整，阻礙了粉塵顆粒的擴(kuò)散，因此爆破發(fā)生后，壁面粗糙度越小，越有利于粉塵排出擴(kuò)散。

圖5 距爆破面5m處粉塵濃度變化

從圖6、圖7、圖8可以看出檢測點粉塵濃度最大值分別為0.026 kg/m、0.013 kg/m、0.007 kg/m，隨后粉塵濃度在通風(fēng)的作用下逐漸降低，對比可以發(fā)現(xiàn)距離爆破面越遠(yuǎn)粉塵濃度峰值隨之降低，這是由于重力的作用部分粒徑較大的粉塵粒子沉降到地面的原因。

圖6 距爆破面15m處粉塵濃度變化

圖7 距爆破面50m處粉塵濃度變化

圖8 距爆破面100m處粉塵濃度變化

②粗糙度對CO擴(kuò)散的影響：

從圖9可以看出，在距離爆破面5m處，當(dāng)廊道壁面為光滑壁面時，爆破發(fā)生后2s，CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到最大值0.0225，在通風(fēng)200s后CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)降為0；圖10為位于爆破面15m處的CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)，此位置與圖9接近，并位于掌頭區(qū)內(nèi)，因此兩者CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)趨勢接近相同；從圖11可以發(fā)現(xiàn)，在距離爆破面50m處，爆破發(fā)生后由于沖擊波及通風(fēng)的作用，CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)迅速升高，并在26s時到達(dá)峰值，隨后逐漸下降，直至175s處CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0；圖12相比其他檢測點CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)上升速度較慢，這是因為檢測點位于距離爆破面100m處，導(dǎo)致CO擴(kuò)散延長的原因。

圖9 距離爆破面5m處CO濃度變化

圖10 距離爆破面15m處CO濃度變化

圖11 距離爆破面50m處CO濃度變化

觀察圖9至圖12，發(fā)現(xiàn)在爆炸發(fā)生后短時間內(nèi)CO濃度會達(dá)到最大值，且距離爆破面越遠(yuǎn)，達(dá)到峰值所需時間越長，并將圖11放大至80s～120s，發(fā)現(xiàn)CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)在達(dá)到峰值后呈現(xiàn)下降的趨勢，且同一時刻下CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)從高到低分別為 9mm、6mm、3mm、0mm，這是由于壁面粗糙度對CO的擴(kuò)散有阻礙作用，因此可以得到，爆破發(fā)生后，隧道壁面粗糙度越大，CO排除速率隨之降低。

圖12 距離爆破面100m處CO濃度變化

3 結(jié)論

通過對隧道內(nèi)不同粗糙度情況下煙塵擴(kuò)散分布的模擬分析，得出以下結(jié)論：

①爆破結(jié)束后，由于沖擊波和風(fēng)力作用，爆破面產(chǎn)生的粉塵向隧道內(nèi)擴(kuò)散，由于重力作用，距離爆破面越遠(yuǎn)粉塵濃度隨之降低；

②爆破發(fā)生后，隧道壁面粗糙度越小，越有利于粉塵的擴(kuò)散排出；

③爆破發(fā)生后，隧道壁面粗糙度越大，CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)擴(kuò)散速率隨之降低，越不利于有害氣體的排出。