公路隧道喷雾降尘数值模拟与应用

张　哲　蒋仲安　闫　鹏

(北京科技大学土木与环境工程学院)



公路隧道喷雾降尘数值模拟与应用

张哲蒋仲安闫鹏

(北京科技大学土木与环境工程学院)

摘要为了降低公路隧道施工过程中的粉尘浓度，减少对施工人员的危害，针对辛庄高速公路隧道的实际特点，运用Fluent软件模拟不同参数下喷雾装置的雾化效果，结合现场实测数据，采用雾化效果充分的气水喷雾降尘工艺封闭隧道断面。结果表明，喷雾压力越大，雾粒直径越小，雾化效果越好；雾化角度越大，喷雾覆盖面积越大，雾化效果越好；喷嘴直径越小，耗水量越小。现场应用降尘效率达到54%，雾化范围可扩散至50～150 m，降尘效果明显。

关键词公路隧道气水喷雾数值模拟喷雾因素降尘效率

在公路隧道工作面施工过程中，各个生产工序都会产生远远超过国家有关标准的大量粉尘。根据调查与实测，锚喷和装渣施工中粉尘浓度高达100～200 mg/m3，甚至高达400 mg/m3，大大超过安全规程规定的2～10 mg/m3的标准，且水泥粉尘的分散度高、危害性大，其中粒径小于7 μm的呼吸性粉尘占85%以上[1-4]。从行业分布上看，公路铁路隧道报告职业病为2 575例，占全国报告职业病例数的10.02%[5]。公路隧道施工粉尘控制通常采用经济简便的普通喷雾洒水除尘措施，呼吸性粉尘在喷雾洒水试验过程中的降尘效率只有20%～30%，降尘效率低且耗水量大，无法达到预期的效果[6-9]。

本文采用数值模拟方法，利用Fluent模拟喷雾状态，深入研究喷嘴在不同直径、雾化角度和喷雾压力下的降尘效率，选择合适的参数，达到降低粉尘浓度的目的。

1喷嘴及喷雾布置

1.1喷嘴

在深入分析影响喷嘴喷雾降尘效果诸因素的基础上，研制了新型的气水雾化喷嘴。该喷嘴设计和组成较常规水喷嘴复杂，主要结构包括：空气帽(顶帽)、液体帽(螺帽)、基座。空气帽是气水混合的场所，起控制喷雾形状、角度；液体帽主要为气体和液体进入空气帽的通道，控制喷雾的流量及喷射距离；基座主要起控制连接作用，整体机构如图1所示。喷嘴的影响因素主要是喷雾压力，喷嘴雾化角及喷嘴直径。

图1　气水喷嘴结构

1.2喷雾布置

钻孔打眼、支护以及喷浆作业时要将工作架移至工作面处，爆破和弃渣装运工序作业时，需将工作架移至距离工作面约20 m的台阶处。考虑实际施工过程中工作架对于喷雾除尘系统的影响，在不影响正常施工情况下尽可能大的覆盖隧道断面，因此在距离工作面30 m、距离隧道底部4 m高处，沿隧道轮廓以β=10°均匀布置喷雾装置，如图2所示。

图2　喷嘴布置(单位：m)

2几何模型建立及参数设定

2.1几何模型

辛庄隧道开挖宽度为14.7～16 m，其中最大开挖宽度17.46 m，开挖断面较大，风流场互相干扰，形成涡流区，对排出工作面粉尘极为不利。隧道采用SDDY-11A轴流式通风机进行通风，风量为81 000 m3/h，通风除尘能力较差。根据实际简化模型，利用Gambit建立隧道几何模型如图3所示。

图3　隧道几何模型

2.2模拟参数的设定

根据辛庄隧道的实际测量数据，将网格模型导入Fluent，结合Fluent的模拟方法，确定数值模拟的相关参数见表1。

表1　计算模型参数设定

3数值模拟结果及分析

3.1不同喷雾压力的模拟结果及分析

将喷嘴雾化角度固定为30°，喷嘴直径固定为4 mm，分别在2，3和5 MPa的喷雾压力下比较喷嘴的雾粒直径，如图4所示。

从图4中可以看出，喷雾压力的变化对雾粒直径的影响很大：在压力为2 MPa时，雾粒直径大多为0.25～0.35 mm；压力增大至3 MPa时，雾粒直径集中于0.15～0.25 mm；当压力增大到5 MPa时，喷出雾粒的直径基本都小于0.15 mm。可以得出，喷雾压力越大，可获得雾粒直径越小的水雾颗粒，越容易捕集隧道施工时产生的粉尘，特别是对呼吸性粉尘的捕集更为明显，与常规的人工洒水降尘相比，耗水量减小。综合考虑，选择5 MPa作为喷雾装置的工作压力。

3.2不同雾化角度的模拟结果及分析

将喷雾工作压力固定为5 MPa，喷嘴直径固定为4 mm，分别在30°,60°和90°的雾化角度下比较喷嘴的雾粒直径，如图5所示。

从图5中可以看出，在其他条件一定的情况下，改变喷嘴雾化角度，对雾粒直径影响不大，在30°,60°和90°时，雾粒直径几乎全部处在0.09～0.16 mm。虽然不同的雾化角度几乎不会影响到雾粒直径，但随着雾化角度的增大，喷雾的覆盖面积变大，特别是对于行人呼吸带的覆盖能力显著加强，并且雾滴分布更加均匀，雾滴的浓度也没有明显下降。因此在不影响雾滴浓度的前提下，雾化角度选择为90°时，雾化效果较好。

图4　不同压力下的雾粒直径

图5　不同雾化角度下的雾粒直径

3.3不同喷嘴直径的模拟结果及分析

将喷雾工作压力固定为5 MPa，喷嘴雾化角度固定为90°，分别在2和4 mm的喷嘴直径下比较喷嘴的雾粒直径，如图6所示。

从图6中可以看出，不同的喷嘴直径对于雾粒的直径影响不大，雾滴直径大部分为0.09～0.15 mm。在相同的条件下，小直径的喷嘴会因隧道施工条件恶劣和水质差等原因发生堵塞,大直径的喷嘴耗水量大且容易形成积水。结合现场环境和实际条件,选择2 mm的喷嘴直径进行现场应用。

图6　不同喷嘴直径下的雾粒直径

4现场实测与分析

4.1粉尘浓度现场实测

分别测量采用喷雾装置前后的隧道内呼吸性粉尘与全尘浓度。采用AKFC-92A粉尘采样仪，在距离隧道左侧壁2,8 m处分别布置两排测点，在15～50 m 以5 m为间隔测量全尘浓度与呼尘浓度，采样时间为2 min，流量为20 L/min，采样后称重。

4.2降尘效果测定及分析

测得测点处呼尘与全尘浓度，分别对距左侧壁2,8 m处全尘浓度和呼尘浓度进行对比(见图7)和分析。

(1)采用喷雾降尘控制方案后，粉尘的堆积相对缓和，粉尘沉降速率在距工作面10～20 m处明显加快。

(2)由于喷雾装置将水雾化，游离于空气中的水分子较多，有利于提高呼吸性粉尘的降尘效率，由图7中可以看出，呼尘浓度在距工作面20 m降尘效果明显。

(3)在距工作面40～50 m区域，全尘浓度与呼尘浓度曲线与采取措施前曲线趋于接近，降尘效率下降明显。因此可以在粉尘浓度较高的台阶上每隔10～20 m设置一组喷雾降尘装置。

图7　喷雾前后全尘浓度与呼尘浓度对比

(4)由于雾化水随风流向隧道右侧扩散，8 m处喷雾装置效果较差，全尘与呼尘的降尘效率较低；2 m 处喷雾装置效果较好，全尘与呼尘的降尘效率分别达到了60.4%和60.7%，接近实际喷雾装置的降尘效率。

(5)全尘最大降尘效率达到了86.4%，呼尘最大降尘效率达到了88.6%，降尘效果明显，且对于大颗粒粉尘和呼吸性粉尘的降尘效率都较高，适用性较强。全尘与呼吸性粉尘的平均降尘效率分别为52.5%和53.9%，降尘效果整体较好，适用于不同类型粉尘颗粒组成的隧道降尘。

5结论

改变喷嘴的相关参数，对不同参数条件下的雾化效果进行了数值模拟，通过雾滴直径和喷雾覆盖面积两个指标对喷雾装置进行了优化，选择合适的雾化参数：工作压力越大，所形成的雾滴直径明显减小，对于细小颗粒粉尘的降尘效果更为明显；不同的雾化角度对于雾粒直径影响不大，但直接影响喷雾装置所形成雾化效果的覆盖面积，对于行人呼吸带处的降尘效果明显；在断面较大的公路隧道中，喷嘴直径对于雾化效果的影响较小。

该降尘喷雾装置在辛庄隧道的现场应用表明，工作面粉尘的降尘率可达到50%以上，最高达到88.6%，对各种粒径的粉尘降尘效果都很明显，大大改善了工作面的粉尘堆积对于工作环境的影响。此装置结构简单，操作方便，随着隧道逐步进尺，在隧道中易于安装使用且不影响隧道施工，适用于工序多、情况复杂的隧道作业环境。

参考文献

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(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

张哲(1991—),男，硕士研究生，100083 北京市海淀区学院路30号。