張大鵬，隋子峰，伍永福，駱建軍

(1.內蒙古科技大學 能源與環(huán)境學院，內蒙古 包頭 014010；2.北京交通大學 土木建筑工程學院，北京 100044)

我國地形地貌復雜，鐵路運輸時常需要穿越隧道，在穿越隧道時由于隧道風等因素，導致煤炭顆粒散落，不僅造成不可忽視的資源浪費，同時也會滋生環(huán)境問題.國內外有關抑制揚塵的技術規(guī)范和環(huán)保要求的相關文獻比較多，對重載鐵路運煤列車抑制揚塵的問題，主要集中在怎樣使煤塵抑制劑噴灑在煤層表面，形成合適厚度的固化煤層.而有關高速運動過程中活塞風效應條件下如何抑制煤灰揚塵規(guī)律的研究鮮見報道.在相關領域研究方面，胡澤源等[1-3]通過對地鐵站內及隧道污染顆粒及流場模擬，表明了地鐵環(huán)境中主要污染物顆粒的分布，以及各種情況下的流場變化特點和氣流速度變化特點.賈惠艷等[4-6]通過現(xiàn)場實測、仿真實驗、數(shù)值模擬、理論分析等方法對皮帶輸煤時的煤粉逸散、分布特點進行了研究，為皮帶輸煤的污染機理、除塵參數(shù)、污染治理提供了理論依據(jù).Luo等[7]對高速列車進入隧道進口段的氣動效應進行了相關研究，并添加了穿越通道進行分析.馬明星等[8]通過風洞實驗及相似模擬實驗，搭建露天煤場煤粉揚塵實驗平臺，對不同粒徑的煤粉顆粒起塵規(guī)律和起塵條件進行研究，結果表明起塵量會隨著煤粉顆粒的增大呈先增大后減小的規(guī)律.董婷婷[9]通過對高速列車隧道氣動性能進行分析，得出列車進入隧道群時的流場變化特點.張瑤等[10-14]通過對各類機動車揚塵的研究，對機動車道路揚塵形成機理和污染防治提供了理論基礎.鄧隆等[15-17]則對不同隧道入口形狀緩沖段結構及隧道截面形狀的動力特性、氣動參數(shù)等方面進行了研究.

但目前模擬大部分是實體簡化，極少考慮輸煤車廂煤粉顆粒的情況，并且鮮有行進中的重載列車與顆粒物的運動特性中特別是進出隧道過程的相關研究.從輸煤車廂入手，利用計算流體力學方法，對車廂上層煤粉進行顆粒軌跡分析，并對煤粉的顆粒分布情況與流場以及列車速度的關系進行研究，以期對后續(xù)的煤粉顆粒抑制研究提供理論基礎.

1 數(shù)值模擬

使用的隧道原型為內蒙古鄂爾多斯市某單線輸煤隧道，使用該隧道口相關參數(shù)，隧道頂部為橢圓形，輸煤列車使用C70敞車的相關參數(shù)，并對輸煤列車整體進行了合理簡化，僅保留車頭及第一節(jié)C70敞車車廂，為研究煤粉顆粒并減少相應計算量，車廂模型建模時在頂層預留距離車頂20 cm的空隙，假設此高度為該C70車廂裝載煤粉的高度，并研究車廂在行進中該層面上煤粉顆粒的運動及分布情況.

物理模型為三維模型，使用ANSYS集成SpaceClaim建模，ICEM繪制網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量1 262 888個.隧道墻壁和列車設置為墻體，其余部分為空氣區(qū)，特別的將C70車廂頂部面單獨設定，設定煤粉顆粒在粒徑0.1 mm至50 mm區(qū)間在該面進行生成，并記錄顆粒運動軌跡.空氣域采用理想氣體，設定重力加速度并進行瞬態(tài)計算，計算方式采用二次非線性RNCk-ε方程.

列車的運動使用動網(wǎng)格技術進行實現(xiàn)，共設定了80，100，120 km/h 3個速度進行對比分析，共設置了5個對比位置，對速度矢量場、顆粒質量濃度進行對比分析，5處對比位置如下圖1所示.

圖1 列車進入隧道對比位置

2 結果分析

2.1 速度矢量場分析

列車在100 km/h運動下速度矢量場如圖2所示，由圖可以看出，在整個進入隧道過程中列車連接處和尾部均有旋流產生，此外從列車進入隧道開始，隧道口上方也形成一個較大的旋流.通過圖像對比可知，列車在車頭進入隧道至列車完全進入隧道過程中，產生了較大的隧道風，該隧道風強度會在列車進入隧道的過程中不斷衰減.

圖3為列車輸煤車廂在進入隧道時，空氣速度場與煤粉顆粒的運動關系.由圖可以看到，列車進入隧道時將隧道內空氣以隧道風的形式較快擠壓出隧道，但列車與向隧道外流動的隧道風之間還存在較多小的旋流，這些小旋流會將敞車內的小粒徑煤粉揚起并向車廂后側聚集.圖中細小顆粒為煤粉顆粒，可以看出其向列車運行后方飄散.

圖2 速度矢量場

圖3 速度矢量圖及煤粉顆粒運動軌跡

圖4為80，100及120 km/h的位置3速度矢量圖對比，通過對比可以看出隨著列車運行速度的增大，隧道風速度增大的同時，其與列車車頂?shù)木嚯x更近，并且列車與隧道風之間的旋流變得更加顯著.

圖4 位置3速度矢量對比圖

2.2 顆粒質量濃度

以列車運行速度100 km/h為例，共設定了列車中心豎直面和高于列車上沿10 cm處的水平面2處進行顆粒質量濃度分析，如圖5所示，左側為列車中心豎直面顆粒質量濃度，右側為水平方向顆粒質量濃度，由上至下分別為位置1至位置5.由圖分析可知，列車在進入隧道前的運行中，幾乎不會產生大濃度的煤粉顆粒逃逸，但從列車車頭進入隧道開始，由于隧道風和旋流的產生，大量的煤粉被揚起，并向后方移動，煤粉所揚起的高度也不斷增加，但煤粉幾乎不向兩側擴散.由圖可以看出，隨著列車位置的不斷深入，在列車運行方向的車廂1/4處會出現(xiàn)一片煤粉顆粒質量高濃度區(qū)域，這是由于車頭與車輛連接處的空隙會產生一個較大的渦旋，該渦旋使該區(qū)域煤粉顆粒上揚并形成了該處煤粉顆粒質量高濃度區(qū).

圖5 不同位置的顆粒質量濃度比較(列車速度100 km/h)

圖6為列車以不同運行速度行駛至位置3處時的顆粒質量濃度分布，由上至下的列車運行速度分別為80，100和120 km/h.但在相同水平面高度的條件下，列車運行速度越高，該水平面上的高濃度顆粒質量濃度反而占比越小，這是由于隨著列車速度的增加，隧道風速度相應增加，導致隧道風與車頂間的旋流速度同樣增大，過快的旋流速度將帶動煤粉顆粒更快運動，反而無法形成較大的顆粒質量密度.從顆粒質量濃度場也可以看出，列車速度越大，產生的旋流個數(shù)會越多，由旋流造成的顆粒質量濃度場分布變化越快，由車廂間隙引起的煤粉顆粒質量高密度區(qū)也從車廂1/4處隨著列車運行速度的增加不斷后移.

圖6 不同列車運行速度在位置3的顆粒質量濃度比較

根據(jù)前述的相關結果，為減少輸煤列車在進入隧道時造成的煤粉損失，在以下方面提出建議：

(1)列車應減速進入隧道；

(2)可在敞車前后加裝防風網(wǎng)以減少旋流的形成，并在一定程度上降低旋流帶走煤粉的數(shù)量.

3 結論

通過對速度為80，100以及120 km/h的輸煤列車進入隧道的過程進行分析，結合速度矢量場和顆粒質量濃度場，對車廂內煤粉顆粒運動軌跡的模擬，得出如下結論：

(1)列車在相同運行速度下進入隧道，車廂上方隧道風會不斷減弱，但車廂上方的顆粒質量濃度在整個過程中是不斷增加的；

(2)在距離車廂頭部一定距離處會產生一個顆粒質量高濃度區(qū)，并且該區(qū)域會隨著列車運行速度的不斷增大逐漸后移，其余的顆粒質量高濃度區(qū)域基本集中在尾部，煤粉顆粒并不向車廂兩側大規(guī)模擴散，而是隨著旋流向隧道口移動；

(3)顆粒的運動機理為通過列車進入隧道時產生的隧道風與列車車頂形成旋流，將表層小粒徑煤粉抬升后不斷向后方運送.