输煤列车进入隧道时的煤粉颗粒分布规律研究*

张大鹏，隋子峰，伍永福，骆建军

(1.内蒙古科技大学 能源与环境学院，内蒙古 包头 014010；2.北京交通大学 土木建筑工程学院，北京 100044)

我国地形地貌复杂，铁路运输时常需要穿越隧道，在穿越隧道时由于隧道风等因素，导致煤炭颗粒散落，不仅造成不可忽视的资源浪费，同时也会滋生环境问题.国内外有关抑制扬尘的技术规范和环保要求的相关文献比较多，对重载铁路运煤列车抑制扬尘的问题，主要集中在怎样使煤尘抑制剂喷洒在煤层表面，形成合适厚度的固化煤层.而有关高速运动过程中活塞风效应条件下如何抑制煤灰扬尘规律的研究鲜见报道.在相关领域研究方面，胡泽源等[1-3]通过对地铁站内及隧道污染颗粒及流场模拟，表明了地铁环境中主要污染物颗粒的分布，以及各种情况下的流场变化特点和气流速度变化特点.贾惠艳等[4-6]通过现场实测、仿真实验、数值模拟、理论分析等方法对皮带输煤时的煤粉逸散、分布特点进行了研究，为皮带输煤的污染机理、除尘参数、污染治理提供了理论依据.Luo等[7]对高速列车进入隧道进口段的气动效应进行了相关研究，并添加了穿越通道进行分析.马明星等[8]通过风洞实验及相似模拟实验，搭建露天煤场煤粉扬尘实验平台，对不同粒径的煤粉颗粒起尘规律和起尘条件进行研究，结果表明起尘量会随着煤粉颗粒的增大呈先增大后减小的规律.董婷婷[9]通过对高速列车隧道气动性能进行分析，得出列车进入隧道群时的流场变化特点.张瑶等[10-14]通过对各类机动车扬尘的研究，对机动车道路扬尘形成机理和污染防治提供了理论基础.邓隆等[15-17]则对不同隧道入口形状缓冲段结构及隧道截面形状的动力特性、气动参数等方面进行了研究.

但目前模拟大部分是实体简化，极少考虑输煤车厢煤粉颗粒的情况，并且鲜有行进中的重载列车与颗粒物的运动特性中特别是进出隧道过程的相关研究.从输煤车厢入手，利用计算流体力学方法，对车厢上层煤粉进行颗粒轨迹分析，并对煤粉的颗粒分布情况与流场以及列车速度的关系进行研究，以期对后续的煤粉颗粒抑制研究提供理论基础.

1 数值模拟

使用的隧道原型为内蒙古鄂尔多斯市某单线输煤隧道，使用该隧道口相关参数，隧道顶部为椭圆形，输煤列车使用C70敞车的相关参数，并对输煤列车整体进行了合理简化，仅保留车头及第一节C70敞车车厢，为研究煤粉颗粒并减少相应计算量，车厢模型建模时在顶层预留距离车顶20 cm的空隙，假设此高度为该C70车厢装载煤粉的高度，并研究车厢在行进中该层面上煤粉颗粒的运动及分布情况.

物理模型为三维模型，使用ANSYS集成SpaceClaim建模，ICEM绘制网格，网格数量1 262 888个.隧道墙壁和列车设置为墙体，其余部分为空气区，特别的将C70车厢顶部面单独设定，设定煤粉颗粒在粒径0.1 mm至50 mm区间在该面进行生成，并记录颗粒运动轨迹.空气域采用理想气体，设定重力加速度并进行瞬态计算，计算方式采用二次非线性RNCk-ε方程.

列车的运动使用动网格技术进行实现，共设定了80，100，120 km/h 3个速度进行对比分析，共设置了5个对比位置，对速度矢量场、颗粒质量浓度进行对比分析，5处对比位置如下图1所示.

图1 列车进入隧道对比位置

2 结果分析

2.1 速度矢量场分析

列车在100 km/h运动下速度矢量场如图2所示，由图可以看出，在整个进入隧道过程中列车连接处和尾部均有旋流产生，此外从列车进入隧道开始，隧道口上方也形成一个较大的旋流.通过图像对比可知，列车在车头进入隧道至列车完全进入隧道过程中，产生了较大的隧道风，该隧道风强度会在列车进入隧道的过程中不断衰减.

图3为列车输煤车厢在进入隧道时，空气速度场与煤粉颗粒的运动关系.由图可以看到，列车进入隧道时将隧道内空气以隧道风的形式较快挤压出隧道，但列车与向隧道外流动的隧道风之间还存在较多小的旋流，这些小旋流会将敞车内的小粒径煤粉扬起并向车厢后侧聚集.图中细小颗粒为煤粉颗粒，可以看出其向列车运行后方飘散.

图2 速度矢量场

图3 速度矢量图及煤粉颗粒运动轨迹

图4为80，100及120 km/h的位置3速度矢量图对比，通过对比可以看出随着列车运行速度的增大，隧道风速度增大的同时，其与列车车顶的距离更近，并且列车与隧道风之间的旋流变得更加显著.

图4 位置3速度矢量对比图

2.2 颗粒质量浓度

以列车运行速度100 km/h为例，共设定了列车中心竖直面和高于列车上沿10 cm处的水平面2处进行颗粒质量浓度分析，如图5所示，左侧为列车中心竖直面颗粒质量浓度，右侧为水平方向颗粒质量浓度，由上至下分别为位置1至位置5.由图分析可知，列车在进入隧道前的运行中，几乎不会产生大浓度的煤粉颗粒逃逸，但从列车车头进入隧道开始，由于隧道风和旋流的产生，大量的煤粉被扬起，并向后方移动，煤粉所扬起的高度也不断增加，但煤粉几乎不向两侧扩散.由图可以看出，随着列车位置的不断深入，在列车运行方向的车厢1/4处会出现一片煤粉颗粒质量高浓度区域，这是由于车头与车辆连接处的空隙会产生一个较大的涡旋，该涡旋使该区域煤粉颗粒上扬并形成了该处煤粉颗粒质量高浓度区.

图5 不同位置的颗粒质量浓度比较(列车速度100 km/h)

图6为列车以不同运行速度行驶至位置3处时的颗粒质量浓度分布，由上至下的列车运行速度分别为80，100和120 km/h.但在相同水平面高度的条件下，列车运行速度越高，该水平面上的高浓度颗粒质量浓度反而占比越小，这是由于随着列车速度的增加，隧道风速度相应增加，导致隧道风与车顶间的旋流速度同样增大，过快的旋流速度将带动煤粉颗粒更快运动，反而无法形成较大的颗粒质量密度.从颗粒质量浓度场也可以看出，列车速度越大，产生的旋流个数会越多，由旋流造成的颗粒质量浓度场分布变化越快，由车厢间隙引起的煤粉颗粒质量高密度区也从车厢1/4处随着列车运行速度的增加不断后移.

图6 不同列车运行速度在位置3的颗粒质量浓度比较

根据前述的相关结果，为减少输煤列车在进入隧道时造成的煤粉损失，在以下方面提出建议：

(1)列车应减速进入隧道；

(2)可在敞车前后加装防风网以减少旋流的形成，并在一定程度上降低旋流带走煤粉的数量.

3 结论

通过对速度为80，100以及120 km/h的输煤列车进入隧道的过程进行分析，结合速度矢量场和颗粒质量浓度场，对车厢内煤粉颗粒运动轨迹的模拟，得出如下结论：

(1)列车在相同运行速度下进入隧道，车厢上方隧道风会不断减弱，但车厢上方的颗粒质量浓度在整个过程中是不断增加的；

(2)在距离车厢头部一定距离处会产生一个颗粒质量高浓度区，并且该区域会随着列车运行速度的不断增大逐渐后移，其余的颗粒质量高浓度区域基本集中在尾部，煤粉颗粒并不向车厢两侧大规模扩散，而是随着旋流向隧道口移动；

(3)颗粒的运动机理为通过列车进入隧道时产生的隧道风与列车车顶形成旋流，将表层小粒径煤粉抬升后不断向后方运送.