重载列车车速对隧道入口段扬尘特征的影响模拟

刘 秀,撒占友,关 达,吴静波,杨鸿克,王 昊,卢守青,刘 杰

(1.国能包神铁路集团有限责任公司运输管理部,内蒙古 包头 014010;2.青岛理工大学安全科学与工程系,山东 青岛 266520)

我国是煤炭资源丰富而石油、天然气资源相对缺乏的国家,现阶段能源格局已基本确定为以煤炭为主体,电力为中心,油气和新能源全面发展的格局[1]。作为世界上第一大煤炭生产国和第一大煤炭消费国,煤炭始终是我国重要的基础能源。据相关资料显示,2021年我国煤炭消费量增长4.6%,占能源消费总量的56.0%,为了平衡煤炭资源,约80%的煤炭需要通过铁路运输,但当载重量万吨以上的运煤专列进出铁路隧道时,由于过流断面的突然变化导致隧道进出段局部气流紊乱,形成“活塞风”, “活塞风”造成严重的资源浪费和经济损失。我国每年由于运输散落造成的煤炭损失超过当年总产量的1%,散落在隧道入口段及轨道上的煤尘每月以40～50 mm的厚度堆积增高[2],这种情况严重影响行车安全,严重污染周边环境,严重威胁铁路工人的生命健康。

在铁路隧道风流场特性及粉尘运移方面,学者们做了大量工作。如:刘加利等[3]分析了高速列车通过隧道过程中气动阻力特性的变化情况;Chen等[4]研究了列车车头形状对风流运移的影响;李杰等[5]探讨了列车运输过程中煤扬尘污染的规律,并提出了可靠的控制方法;Biliaiev等[6]提出了减少煤尘浪费的新方法;丁厚成等[7]、王晋[8]对煤尘运移中的气固两相流问题进行了探索。

综上所述,学者们针对铁路运煤的扬尘问题,提出了众多的抑尘方法,但这些方法主要是利用各种设备从外在环境方面降低煤尘的扩散,并没有理解隧道入口段扬尘特性或内在机理,无法从根源上解决风流运移与煤尘扩散的难题。因此,本文以梁家山隧道为研究对象,利用SolidWorks软件构建物理模型,并使用Fluent数值模拟软件分析运煤列车经过隧道入口段时,不同行驶速度对隧道入口段气压、风流流线运移、煤尘颗粒扩散状态及煤尘浓度的影响。

1 数学模型

本研究采用CFD软件ANSYS Fluent,Fluent常用的湍流模型有S-A模型、κ-ε模型和κ-ω模型,本次模拟应用适用于湍流状态的SSTκ-ω湍流模型,该模型将风流及煤尘颗粒视为连续介质,采用欧拉参考系描述风流流体运动,采用拉格朗日坐标系及离散相模型描述煤尘颗粒扩散运动。风流及煤尘颗粒流的时均方程如下:

风流连续方程为[9]

(1)

煤尘颗粒连续方程为[10]

(2)

(3)

风流动量方程为[11]

(4)

煤尘颗粒动量方程为[12]

(5)

上述方程组需使用SSTκ-ω模型进行封闭,具体方式如下[13]:

κ方程——湍流动能方程为

(6)

ω方程——湍流能量耗散率方程为

(7)

上式中:u为x方向的速度;μt为湍流黏度;σκ、Gκ、Yκ分别为κ方程的紊流普朗特数、平均运动速度梯度引起的紊流动能生成项和湍流耗散项;σω、Gω、Yω分别为ω方程的紊流普朗特数、平均运动速度梯度引起的紊流动能生成项和湍流耗散项;Sκ和Sω为用户自定义的源项,本文将Sκ和Sω均设置为0;Dω为正交发散项。

式(6)、(7)中湍流黏度μ可由下式表示[14]:

(8)

式(6)、(7)中湍流普朗特数σκ和σω可分别由下式表示[15]

(9)

(10)

式(6)、(7)中湍流耗散项Yκ和Yω可分别表示为Yκ=ρβ*κω、Yω=ρβω2。

式(7)中正交发散项Dω可由下式表示[16]:

(11)

2 物理模型

2.1 工程概况

真实的物理模型能够准确地反映隧道入口段风流特征及煤尘颗粒扩散情况,因此本研究以真实的隧道及车型为依据构建物理模型。梁家山隧道是神朔铁路沿线中的单洞隧道,全长为1 800 m,重载列车的牵引质量在5 000～10 000 t之间,列车车厢类型有C64、C70A、C80型等,其中C70A型列车是通过该隧道的主要车型之一,C70A型运煤车的截面尺寸为高3.8 m、宽3.2 m。因此,本文以梁家山隧道为研究对象,重载列车以C70A型敞车为依据,构建铁路隧道-重载列车物理模型,研究重载列车不同行驶速度对隧道入口段压力场、风流流线运移、煤尘颗粒扩散状态及煤尘浓度的影响。

2.2 物理模型构建

重载列车在进入隧道之前,理论上应处于无限空间的流场中,但在数值计算中不能使用无限计算域,学者们在解决类似问题时通常在隧道外设置合适且不会影响模拟结果的有限区域[17],因此本次模拟在隧道外设置一个180 m×80 m×100 m的外部流体域。重载列车总长为100 m,单节车厢长10 m、高3.8 m、宽3.2 m,隧道入口段总长为400 m,隧道截面形状简化为直墙拱形,宽4.8 m、总高6.55 m,截面面积为30.3 m2,具体情况如图1所示。

图1 铁路隧道-重载列车物理模型侧视图与俯视图Fig.1 Side view and top view of the physical model of a railway tunnel-heavy haul train

2.3 网格划分及无关性验证

本研究要进行模拟的铁路隧道-重载列车物理模型为三维结构,计算域较大,综合考虑网格的生成效率和精度,选择混合网格进行划分,并且对局部复杂区域进行网格细化处理。

该物理模型共被划分为945 765个单元格,节点数量为960 072个,其中最小单元格质量为4.02×10-3,平均单元格质量为0.72,正交比平均值为2.39,倾斜度平均值为0.13。物理模型网格质量较好且未生成负体积。由于重载列车进入隧道是动态变化过程,因此需要使用动网格技术描述重载列车运行过程中周围气流及煤尘颗粒运移随时间变化的问题,综合考虑各项因素,本次动网格更新方式采用动态层铺法。

为了验证物理模型及网格划分的准确性,本文采用英国帕斯威隧道的实测数据,该隧道的设施结构与本模型相近,满足本模型的特征。帕斯威隧道的列车风速监测点位于隧道内,在距离隧道口150 m、距离隧道壁面0.5 m、距离地面1 m处。本文利用帕斯威隧道的实测参数进行模拟,上述列车风速监测点处的实测列车风速与模拟列车风速的对比情况,如图2所示。

图2 列车风速的实测值和模拟值随时间变化对比图Fig.2 Comparison diagram of actual values and simulated values of train wind speed changing with time

由图2可知,通过数值模拟计算得到的列车风速与现场实测的列车风速变化规律基本一致,且误差在可接受的范围内。因此,本文所选取的数学模型、网格划分和求解方法可用于重载列车隧道入口段风流场状况的数值模拟。

2.4 初始条件与边界条件设置

依据前人数值模拟的经验,本研究将重载列车的初始位置设置在距离隧道口40 m处,列车底部距离地面0.5 m,前进方向为X轴正方向。

本研究只模拟重载列车进入隧道时的流场状况,隧道长度足够长,不考虑列车驶出隧道阶段,考虑到计算域远场位置以及隧道出口段与外界大气压直接相连,故在边界条件设置时,将边界入口大气压设置为标准大气压,由于该隧道所处环境较稳定,隧道周围风速变化不大,风速维持在3.5 m/s,因此将隧道入口正对的外流场面设置为定流速入口边界,自然风速取为3.5 m/s,隧道出口处设置为自由出流边界,隧道壁面、隧道内轨道面设置为无滑移的壁面边界条件,由于重载列车处于运动状态,故将列车表面设置为滑移壁面边界条件。

本文研究重载列车以不同速度驶入隧道时对隧道内部风流流场、压力场等的影响,并考虑到我国目前重载列车满载时常用的速度为80 km/h,故本文依据实际重载列车工况,将模拟车速分别设为60、80、100 km/h。相关文献研究表明[18],在速度为80 km/h时,重载列车进入隧道过程中,车顶1 mm处的煤尘粒径主要为350 μm。因此,本模拟将煤尘粒径设置为350 μm,下文所提及的煤尘颗粒扩散状态与煤尘浓度均指粒径为350 μm的煤尘。

3 数值模拟分析

3.1 隧道入口段压力场变化分析

本节主要研究重载列车以不同速度驶入隧道过程中,隧道入口段压力场的变化特征,如图3所示是重载列车分别以60、80、100 km/h的速度运行至隧道4个位置处时的压力场变化情况,图中压力值表示相对压力,参考压力值为标准大气压。为了更好地说明重载列车驶入隧道全过程中隧道周围的压力场变化情况,以重载列车驶入隧道的关键位置为研究对象,这4个位置分别是:①列车车头距离隧道入口一个列车车身长度时,即距离隧道口10 m处;②列车车头刚好驶到隧道入口处;③列车驶入隧道长度约为列车车身总长的一半时;④列车完全驶入隧道后。

图3 重载列车以不同速度驶入隧道时隧道入口段压力场的变化Fig.3 Pressure field change in the tunnel entrance section when the heavy haul train enters the tunnel at different speeds

由图3可以看出:

1) 当重载列车行驶速度为60 km/h时[图3(a)],其在未进入隧道前,外部流体域的压力场与隧道内的压力场保持一致,压力值接近大气压,仅有列车车头部分的压力场略大于大气压;运行至隧道入口时,隧道内的压力场瞬时增大至280～540 Pa;当列车驶入隧道120 m处,即完全进入隧道时,列车周围的压力场处于负压状态[图3(a)]。

2) 当重载列车行驶速度为80 km/h时[图3(b)],其在距离隧道口10 m处,外部流体域的压力场与隧道内压力场相同,接近大气压;当列车运行至隧道入口时,隧道内压力增大至280～540 Pa,与图3(a)的压力场相同,但图3(b)中410～540 Pa之间的压力影响范围相对更大;随着列车驶入隧道距离的增加,列车车头部位压力值继续增大,当列车运行至63 m时,列车车头部位压力增大至670 Pa;当列车进入隧道口120 m处后,隧道内压力场有所下降,列车周围压力场整体处于负压状态,后2节车厢处的压力值为-240 Pa,受到负压的影响更强[图3(b)]。

3) 当重载列车行驶速度为100 km/h时[图3(c)],其在距离隧道口10 m处,外部流体域与隧道内的压力场均接近大气压;当列车运行至隧道口时,隧道内的压力陡然增大,列车车头部位的压力甚至超过800 Pa;当列车进入隧道63 m处时,800 Pa以上压力的影响范围继续增大;当列车进入隧道为120 m处时,外部流体域的压力场又恢复至大气压状态,隧道内列车前方的压力场较之前有所下降,但压力仍然维持在150～280 Pa之间,而列车周围的压力场则完全处于负压状态,后4节车厢处的压力甚至低于-370 Pa[图3(c)]。

通过对比图3(a)、(b)、(c)可知,在距离隧道口10 m处时,重载列车车头部位的压力均处于150～280 Pa之间,但列车速度越快,列车车头部位压力场的影响范围越大;列车进入隧道后,随着列车车速的增加,隧道内的压力值与相同压力值下的影响范围均呈增大的趋势;当列车完全进入隧道后,列车周围的压力场均处于负压状态,负压场对列车车尾的影响相对更大,列车速度越快,列车车尾负压的影响范围越大,负压值也越大。

3.2 隧道入口段风流流场变化分析

本节主要研究重载列车以不同速度驶入隧道过程中,隧道入口段的风流流场变化特征。如图4所示,重载列车分别以60、80、100 km/h的速度进入隧道口63 m处时,列车速度对隧道入口段风流流场变化的影响。

图4 重载列车以不同速度驶入隧道时入口段风流流场的变化Fig.4 Change of airflow field in the tunnel entrance section when the heavy haul train enters the tunnel at different speeds

由图4可知:重载列车进入隧道过程中,变化最显著、最复杂的区域是隧道口的涡流风及列车的尾流风,随着列车速度的增加,隧道入口段涡流的影响范围呈增大趋势,列车尾流风速也有所增大;当列车行驶速度为60 km/h时,列车尾流风速约为13 m/s,当列车行驶速度为100 km/h时,列车尾流最大风速约为32 m/s,列车尾流风速相对增加19 m/s;当列车行驶速度为60 km/h时,隧道入口段有2个较小的涡流,而当列车车速提高至100 km/h时,隧道入口段只存在1个大涡流。

隧道入口段涡流产生的原因是外部流体域风流与隧道内溢出风流相遇后相互作用的结果。当重载列车车速为60 km/h,即车速相对较低时,两股风流相互影响,于是在隧道口形成2个涡流区域;但当列车车速为100 km/h,即车速相对较高时,隧道内溢出的风流速度较大,对外部流体域风流的影响更强,此时外部流体域风流在强风作用下无法形成完整的涡流,而隧道内溢出的风流对涡流的产生起主导作用,因此列车车速为100 km/h时隧道入口段仅有1个涡流。

3.3 隧道入口段煤尘颗粒运移轨迹分析

本节主要分析重载列车分别以60、80、100 km/h的速度驶入隧道120 m处时,隧道入口段煤尘颗粒运移轨迹变化情况,如图5所示。

图5 重载列车以不同速度驶入隧道时入口段煤尘颗粒的运移轨迹Fig.5 Coal dust particle migration trajectory in the tunnel entrance section when the heavy haul train enters the tunnel at different speeds

由图5可以看出:

1) 随着重载列车车速的增加,列车车厢顶部表面煤尘颗粒的运移扩散速度同样加快,当列车车速分别为60、80、100 km/h时,列车车厢顶部表面煤尘颗粒的运移扩散速度分别为15、20、26 m/s。隧道内,受到压缩的气流从列车与隧道壁之间的空隙间向外部流体域溢出,在与列车携带的风流共同作用下,使得列车车厢顶部、地面以及悬浮在空中还未落地的煤尘颗粒更加高速无序地运移扩散,煤尘颗粒完全充斥在有限的隧道空间内,对隧道内的环境造成了严重污染。

2) 随着列车车速的增加,列车尾部的煤尘颗粒运移轨迹更加杂乱无章,并且隧道入口段的煤尘颗粒运移轨迹也越来越复杂。这是由于:列车完全进入隧道后,列车尾部的煤尘颗粒运移轨迹变化更加复杂,在隧道口涡流与尾流的共同作用下, 大量煤尘颗粒在隧道空间内形成内旋的轨迹;此外,隧道入口段地面上的煤尘颗粒在运移扩散过程中,一方面受到隧道内外溢气流的影响,另一方面受到来自自然风流的作用而在隧道空间内形成外旋的轨迹。

3) 在重载列车前2节车厢处,靠近地面的风流流场与煤尘颗粒流场处于相对稳定状态,隧道空间内煤尘颗粒运移轨迹并没有因为重载列车车速的增加而有较大的变动,列车车身侧面的煤尘颗粒向外部流体域移动的距离也较小,并在重力作用下能沉降到列车侧面附近。

3.4 列车不同位置处煤尘浓度变化分析

重载列车驶入隧道过程中,列车前段、中段和尾段的风流运移和煤尘浓度随时间的演变情况各不相同,本研究分别就列车前段、中段和尾段不同位置处的风流运移和煤尘浓度随时间的演变情况进行了模拟研究,得到了列车前段、中段和尾段不同位置处的煤尘浓度变化规律。张大鹏等[19]分析了输煤列车中心竖直面和高于列车10 cm水平面处煤尘颗粒的质量浓度,但未对尾流区煤尘浓度随时间的演变情况进行分析。由于篇幅所限,本文仅选取一个位于尾流区的断面,分析尾流区断面上不同位置处煤尘浓度随时间的变化情况。该断面位于隧道口与列车尾部中间位置,距离隧道口10 m处,为了更好地说明煤尘由重载列车顶部扬起至沉降到地面的过程中,列车运行速度对煤尘浓度的影响,在该断面上设置了3个监测点,其分别位于隧道的上、中、下部,分别用来监测列车顶部、隧道壁面与列车之间煤尘浓度的变化情况[20]。第1个监测点位于列车顶部0.2 m处,距离隧道壁面2.4 m;第2个监测点位于列车侧壁,距离地面3.0 m,距离隧道壁面0.8 m;第3个监测点位于列车与隧道壁面之间,距离地面1.7 m,距离隧道壁面0.4 m,依次将这3个监测点记为A点、B点和C点,如图6所示。重载列车不同车速下各监测点处煤尘浓度随时间的变化曲线,见图7。

企业在以前的生产经营活动中，依据国家标准和行业习惯，结合企业自身特点形成一些个性术语，在PLM系统规划时将这些与业务和产品相关的各类名词术语、符号内容、计量单位做统一规定，统一管理，制定了《产品型号编制方法》《产品和一级部装参数表》等。

图6 距离隧道口10 m处尾流区断面上煤尘浓度监测点布置方式与位置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

图7 重载列车不同车速下各监测点处煤尘浓度随时间的变化曲线Fig.7 Variation curves of coal dust concentration with time at each monitoring point under different speed of the heavy haul train

由图7可以看出:

1) 3个监测点位置处,60 km/h列车车速影响下的煤尘浓度普遍低于80 km/h和100 km/h列车车速影响下的煤尘浓度,说明重载列车在进入隧道过程中,列车车速是影响煤尘扬起与扩散的重要原因;在A点位置处,100 km/h列车车速影响下的最大煤尘浓度几乎是60 km/h列车车速影响下煤尘浓度的10倍。可见,列车车速越大,列车车顶的风流流速越高,车顶扬起的煤尘浓度也越大。

2) 通过对比图7(a)与图7(b)可知,在4.5 s左右时,100 km/h车速的列车尾部经过A点和B点位置处的煤尘浓度再次增大。这是因为在列车尾流的影响下,空中未落地的煤尘再次扬起,一段时间后煤尘浓度才逐渐降低。

3) 通过对比图7(a)与图7(c)可知,在A点位置处,100 km/h列车车速影响下的最大煤尘浓度最先被监测到,之后依次是80 km/h和60 km/h列车车速影响下的煤尘浓度,但在C点位置处,该顺序呈相反状态,60 km/h列车车速影响下的最大煤尘浓度最先被监测到,说明在A点位置处,列车车速是影响煤尘浓度的主要因素,而在C点位置处,列车尾流是影响煤尘浓度的主要因素,并且列车车速越大,列车尾流引起的扬尘程度也越大。这是因为:当重载列车车速较高时,列车车身两侧的风流流速也较大,从列车顶部扬起的煤尘难以降落到地面上;而当列车完全进入隧道一段时间后,列车尾流区域的风流逐渐平缓,此时隧道空间内的煤尘才会逐渐沉降,因此导致C点位置处达到最大煤尘浓度所对应的时间比A点位置处对应的时间更长。

综上所述,在隧道入口段,重载列车不同车速对煤尘颗粒运移扩散的影响在时间与空间上存在差异性。

4 讨 论

4.1 铁路隧道入口段抑尘思路

1) 由3.1节可知,当重载列车进入隧道,特别是车速较大时,会使隧道内部产生较大的压力,因此可通过在隧道旁布设辅助巷或通风井,以保障隧道内空气正常流通或隧道内部与外界大气压的平衡。

2) 由3.2节可知,隧道入口段的涡流变化特别复杂,对风流运移与煤尘颗粒运移扩散有重要作用,因此可在隧道口位置加装渐缩或卸压棚洞结构,以改变风流运移状态,减小涡流的影响范围。

3) 由3.3节可知,重载列车驶入隧道过程中,列车车顶、地面及隧道空间内的煤尘颗粒呈高速无序的运移扩散状态,煤尘颗粒完全充斥在有限的隧道空间内。因此可在隧道内每间隔一定距离设置一组抑尘剂自动喷淋装置,以捕捉悬浮煤尘并使列车车厢的表面形成一定厚度的固化层,从而分段减弱风流对扬尘的影响。

4) 通过研究发现,重载列车车速对风流运移及煤尘颗粒运移扩散有重要的作用,随着列车车速的增大,容易造成隧道空间内煤尘浓度急剧增加,故在不影响运输能力的前提下,可在列车进入隧道前适当降低其车速。

4.2 研究不足与展望

由于计算机硬件的限制,本文对重载列车和隧道模型进行了一定的简化,本次模拟中没有考虑列车车轮旋转对风流运移及煤尘颗粒运移扩散的影响,对地面扬尘结果有一定的影响,而且本文中的自然风速设置为固定流速,这与现实情况存在一定的差距。

在针对重载运煤列车驶过隧道的全过程方面,本文仅研究了重载列车经过隧道入口段时的情况,当列车继续行驶,完全进入隧道和驶出隧道等过程中,风流运移和煤尘颗粒运移扩散的特点及规律仍需探究;在针对外部环境或已有条件方面,可以从煤尘特性、自然风的风向及风速等角度出发,探究其对风流运移及煤尘颗粒运移扩散的影响;在通风降尘改进措施方面,可以探究通风井、棚洞结构、抑尘剂喷淋装置等设备设施对风流运移及煤尘颗粒运移扩散的影响。

5 结 论

本文研究了3种不同车速的重载列车驶入隧道入口段过程中,隧道入口段的风流运移及煤尘颗粒运移扩散特点,主要得出以下结论:

1) 重载列车驶入隧道前,列车车头部位压力场的影响范围随列车车速的增加而增大;列车进入隧道后,隧道内列车车头前方的压力场瞬时增大,压力场强度与列车行驶速度呈正相关关系,而列车车身周围的压力场呈负压状态,列车车尾部分受负压场的影响更大,列车车速越快,列车车尾的负压场越强,负压场的影响范围越大。

2) 重载列车驶入隧道过程中,隧道入口段风流变化特征最复杂的地方位于隧道入口及尾流区域。随着列车车速的增加,列车尾流的风速逐渐增大,隧道内向外部流体域溢出的风流流速也逐渐增大,该风流与自然风相互作用后,在隧道口引起的涡流影响范围也呈增大的趋势。

3) 当重载列车完全驶入隧道后,隧道有限空间内的煤尘颗粒呈高速无序的运移扩散状态,煤尘颗粒的运移速度与列车车速呈正相关关系;在列车尾流与隧道口涡流的共同影响下,煤尘颗粒在隧道口有外旋和内旋两种运移轨迹;列车行驶速度对前2节车厢周围煤尘颗粒运移扩散的影响较小。

4) 在距离隧道口10 m处的尾流区断面上,列车不同位置处监测点所测得的煤尘浓度是不同的,列车车速越快,列车顶部监测点位置处的煤尘浓度越大,而低位置监测点的煤尘浓度较小,监测点布置的位置越低,测得的最大煤尘浓度所对应的时间也相对较晚,重载列车不同车速对煤尘运移扩散的影响在时间与空间上具有差异性。