一种寒区铁路隧道空气幕保温理论的计算方法技术

本发明专利技术公开了一种寒区铁路隧道空气幕保温理论的计算方法，包括：获取隧道断面设计图、空气幕基本参数和隧道内外环境参数；计算空气幕阻隔效率；根据隧道内外的温度、空气幕射流喷出的空气量及隧道内外混入空气幕的空气量，通过热平衡原理得出最优空气幕射流温度。该方法主要为空气幕阻隔效率和隧道洞内混合气流温度的计算方法，适用于空气幕尺寸设计，或用于空气幕运行过程中射流速度、射流角度及射流温度等参数的计算，以达到通过多组竖向空气幕阻隔隧道内部与外界空气流动，维持寒区隧道洞内温度的目的，防止寒区隧道冻胀出现。

A Calculating Method of Air Curtain Thermal Insulation Theory for Railway Tunnels in Cold Regions

The invention discloses a calculation method of air curtain insulation theory for railway tunnels in cold regions, which includes: obtaining the design drawings of tunnel section, basic parameters of air curtain and environmental parameters inside and outside tunnels; calculating the barrier efficiency of air curtain; according to the temperature inside and outside tunnels, the amount of air ejected by air curtain jet and the amount of air mixed with air curtain inside and outside tunnels, obtaining the optimal air through the principle of heat balance. Curtain jet temperature. This method is mainly used for calculating the air curtain barrier efficiency and the mixed air temperature in tunnel. It is suitable for the design of air curtain size, or for calculating the jet velocity, jet angle and jet temperature during the operation of air curtain, in order to prevent the cold in tunnel by blocking the air flow inside tunnel and outside tunnel through several groups of vertical air curtain. Frost heaving occurs in regional tunnels.

【技术实现步骤摘要】
一种寒区铁路隧道空气幕保温理论的计算方法
本专利技术涉及一种寒区铁路隧道空气幕保温理论的计算方法。
技术介绍
大量寒区铁路隧道建设和运营情况表明，低温引起的冻害普遍存在于铁路隧道中，这些冻害既对隧道结构造成严重破坏，同时也给铁路运营安全埋下重大安全隐患。铺设保温层是目前国内普遍采用的被动防寒保温措施，具有一定的适应范围，或因保温层厚度不适应极端低温，或因低温作用时间过长，或因渗水导致材料保温性能降低，故其并不适用于所有的寒区隧道，尤其是高速铁路隧道。因此，开展寒区高速铁路隧道空气幕保温机理研究具有重要的理论意义和应用价值。目前国内外尚没有提出寒区隧道空气幕保温理论的计算方法，本专利技术提出的一种寒区铁路隧道空气幕保温理论的计算方法具有一定的原始创新性。目前在已建寒区隧道保温工作中，尚无利用空气幕保温方法的先例。空气幕保温方法的保温效果类似于防寒门，利用垂直方向的强风，减少隧道洞口处内部与外界之间的热交换，从而达到保持洞内温度的目的，其与防寒门相比，最大的优点是不影响行车安全，管理简单，检修方便。空气幕现有的计算理论大多是关于冷库大门、矿用巷道方面的，并不适用于寒区高速铁路运营隧道。为解决上诉问题，本专利技术构建了一种适用于寒区高速铁路隧道空气幕洞内外混合空气温度场计算模型及空气幕射流温度计算原理图。采用理论研究、模型试验和数值分析的方法，从寒区高速铁路隧道空气幕保温机理、参数优化等方面展开研究。通过深入研究寒区高速铁路隧道空气幕保温机理，有助于冻害问题的解决，为推进新型节能的主动保温措施做出贡献，为寒区铁路隧道防寒保温设计提供新方法。
技术实现思路
针对上述寒区隧道的冻害问题，本专利技术提供了一种寒区铁路隧道空气幕保温理论的计算方法，该方法能够在极端的外界环境下，通过对空气幕喷口进行最优化设计，可以很好根据隧道外部风速、温度变化，对空气幕的射流风速、射流角度及射流温度进行实时调整，具有一定的工程应用价值。为了达到上述目的，本专利技术所采用的技术方法如下：一种寒区铁路隧道空气幕保温理论的计算方法，包括以下步骤：S1、获取隧道断面设计图、空气幕基本参数和隧道内外环境参数，所述隧道断面设计图包括隧道平均高度、隧道横向最大跨径及隧道横断面面积，所述空气幕基本参数包括空气幕喷口长度、宽度、射流速度及射流角度，所述隧道内外环境参数包括隧道外自然风速、隧道外温度及隧道洞内温度；S2、假定空气幕的气流是由隧道外流入隧道的气流及空气幕倾斜平射气流合成，根据隧道平均高度、隧道横向最大跨径计算由隧道外流入隧道的气流，根据空气幕喷口长度、宽度、射流速度、射流角度及隧道平均高度计算空气幕倾斜平射气流，当由隧道外流入隧道的气流与空气幕倾斜平射气流合成的空气幕气流竖直向下时，计算得到由隧道外流入隧道的气流，即空气幕工作时未能阻挡的空气量和空气幕不工作时侵入隧道的总风量之和；S3、根据空气幕工作时未能阻挡的空气量和空气幕不工作时侵入隧道的总风量计算得到空气幕阻隔效率；S4、根据空气幕的射流速度、射流角度及空气幕喷口长度、宽度，计算得到隧道外或隧道内混入空气幕的空气量和空气幕射流喷出的空气量；S5、根据隧道外或隧道内混入空气幕的空气量、空气幕射流喷出的空气量、隧道外温度及隧道洞内温度，通过热平衡原理得出混合气流温度；S6、在所述混合气流温度大于等于0℃时，计算得出最优空气幕射流温度。优选地，S1进一步包括：①获取300km/h单线隧道断面设计图；②将300km/h单线隧道横断面面积S分成四个部分；③将300km/h单线隧道断面等效于矩形，求出隧道平均高度H。优选地，根据以下公式分别计算得到300km/h单线隧道横断面面积S、隧道横向最大跨径B及隧道平均高度H：其中，b表示隧道底部长度，h表示隧道拱脚到拱顶的最大距离，θ1表示上部扇形拱墙角度，θ2表示左右两侧扇形拱墙角度，r1表示上部扇形拱墙半径，r2表示左右两侧扇形拱墙半径。优选地，S2进一步包括：设定空气幕的气流为f，隧道外流入隧道的气流为f1，空气幕倾斜平射气流为f2，则f＝f1+f2，其中，其中：a为湍流系数；α为射流角度，单位：°；ω为隧道外自然风速，单位：m/s；ω0为射流速度，单位：m/s；H为隧道平均高度，单位：m；B为隧道横向最大跨径，单位：m；B1为喷口宽度，单位：m；b0为喷口长度，单位：m，x、y为距离坐标原点的距离。优选地，当由隧道外流入隧道的气流与空气幕倾斜平射气流合成的空气幕气流竖直向下时，则在空气幕作用下，由隧道外流入隧道的气流fH为：其中：Qm为空气幕工作时未能阻挡的空气量，单位：m3/s；Q为空气幕不工作时侵入隧道的总风量，单位：m3/s。优选地，根据以下公式分别计算得到空气幕不工作时侵入隧道的总风量Q、空气幕工作时未能阻挡的空气量Qm：其中，ω为隧道外自然风速，单位：m/s；ω0为射流速度，单位：m/s；H为隧道平均高度，单位：m；B为隧道横向最大跨径，单位：m。优选地，S3进一步包括：根据以下公式计算得到空气幕的阻隔效率η：其中：η为阻隔效率；Qm为空气幕工作时未能阻挡的空气量，单位：m3/s；Q为空气幕不工作时侵入隧道的总风量，单位：m3/s；a为湍流系数；α为射流角度，单位：°；ω为隧道外自然风速，单位：m/s；ω0为射流速度，单位：m/s；H为隧道平均高度，单位：m；B为隧道横向最大跨径，单位：m；B1为喷口宽度，单位：m；b0为喷口长度，单位：m。优选地，S4进一步包括：设定空气幕射流喷出的空气为量Q0，射流距喷口x距离处空气量为Qx，隧道外或隧道内混入空气幕的空气量为Q混，则，Q0＝ω0cosαb0B1其中：ω0为射流速度，单位：m/s；α为射流角度，单位：°；B1为喷口宽度，单位：m；b0为喷口长度，单位：m；a为湍流系数。优选地，S5进一步包括：获取隧道外温度t外、隧道洞内温度t内；获取隧道外或隧道内混入空气幕的空气量Q混和空气幕射流喷出的空气量Q0；根据热平衡原理得出混合气流温度tcm；其中：t0为空气幕射流温度。优选地，S6进一步包括：在所述混合气流温度大于等于0℃时，计算得出最优空气幕射流温度t0，具体公式为：即，进一步地，本专利技术的方法在用于空气幕运行过程中的智能调节时，通过测量获取隧道外自然风速、隧道的平均高度、隧道横向最大跨径、空气幕喷口尺寸、湍流系数，根据阻隔效率的计算公式计算得到阻隔效率，然后通过软件分析得出最优阻隔效率，从而得出最优射流角度及射流速度。进一步地，本专利技术的方法在用于空气幕喷口尺寸设计时，通过测量获取隧道外自然风速、隧道的平均高度、隧道横向最大跨径及设计要求的射流角度、射流速度、湍流系数，然后通过软件分析得出最优阻隔效率，从而得出最优的空气幕喷口设计尺寸。与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于，(1)本专利技术提供的用于空气幕阻隔效率和隧道洞内混合气流温度的计算方法，适用于空气幕运行过程中射流速度、射流角度及射流温度等参数的计算，以达到通过多组竖向空气幕阻隔隧道内部与外界空气流动，维持寒区隧道洞内温度的目的，防止寒区隧道冻胀出现；(2)本专利技术提供的计算方法还适用于空气幕尺寸设计，通过计算空气幕阻隔效率的最优值来设计空气幕喷口尺寸；(3)本专利技术提出的一种寒区铁路隧道空气幕保温理论的计算方法实现了对空气幕运行过程中射流速度、本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种寒区铁路隧道空气幕保温理论的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、获取隧道断面设计图、空气幕基本参数和隧道内外环境参数，所述隧道断面设计图包括隧道平均高度、隧道横向最大跨径及隧道横断面面积，所述空气幕基本参数包括空气幕喷口长度、宽度、射流速度及射流角度，所述隧道内外环境参数包括隧道外自然风速、隧道外温度及隧道洞内温度；S2、假定空气幕的气流是由隧道外流入隧道的气流及空气幕倾斜平射气流合成，根据隧道平均高度、隧道横向最大跨径计算由隧道外流入隧道的气流，根据空气幕喷口长度、宽度、射流速度、射流角度及隧道平均高度计算空气幕倾斜平射气流；当由隧道外流入隧道的气流与空气幕倾斜平射气流合成的空气幕气流竖直向下时，计算得到由隧道外流入隧道的气流，即空气幕工作时未能阻挡的空气量和空气幕不工作时侵入隧道的总风量之和；S3、根据空气幕工作时未能阻挡的空气量和空气幕不工作时侵入隧道的总风量计算得到空气幕阻隔效率；S4、根据空气幕的射流速度、射流角度及空气幕喷口长度、宽度，计算得到隧道外或隧道内混入空气幕的空气量和空气幕射流喷出的空气量；S5、根据隧道外或隧道内混入空气幕的空气量、空气幕射流喷出的空气量、隧道外温度及隧道洞内温度，通过热平衡原理得出混合气流温度；S6、在所述混合气流温度大于等于0℃时，计算得出最优空气幕射流温度。...

【技术特征摘要】
1.一种寒区铁路隧道空气幕保温理论的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、获取隧道断面设计图、空气幕基本参数和隧道内外环境参数，所述隧道断面设计图包括隧道平均高度、隧道横向最大跨径及隧道横断面面积，所述空气幕基本参数包括空气幕喷口长度、宽度、射流速度及射流角度，所述隧道内外环境参数包括隧道外自然风速、隧道外温度及隧道洞内温度；S2、假定空气幕的气流是由隧道外流入隧道的气流及空气幕倾斜平射气流合成，根据隧道平均高度、隧道横向最大跨径计算由隧道外流入隧道的气流，根据空气幕喷口长度、宽度、射流速度、射流角度及隧道平均高度计算空气幕倾斜平射气流；当由隧道外流入隧道的气流与空气幕倾斜平射气流合成的空气幕气流竖直向下时，计算得到由隧道外流入隧道的气流，即空气幕工作时未能阻挡的空气量和空气幕不工作时侵入隧道的总风量之和；S3、根据空气幕工作时未能阻挡的空气量和空气幕不工作时侵入隧道的总风量计算得到空气幕阻隔效率；S4、根据空气幕的射流速度、射流角度及空气幕喷口长度、宽度，计算得到隧道外或隧道内混入空气幕的空气量和空气幕射流喷出的空气量；S5、根据隧道外或隧道内混入空气幕的空气量、空气幕射流喷出的空气量、隧道外温度及隧道洞内温度，通过热平衡原理得出混合气流温度；S6、在所述混合气流温度大于等于0℃时，计算得出最优空气幕射流温度。2.根据权利要求1所述一种寒区铁路隧道空气幕保温理论的计算方法，其特征在于，S1进一步包括：①获取300km/h单线隧道断面设计图；②根据300km/h单线隧道断面设计图，将300km/h单线隧道横断面面积分成四个部分，得到相应的夹角与半径，用于计算所述横断面面积；③将300km/h单线隧道断面等效于矩形，求出隧道平均高度H。3.根据权利要求2所述一种寒区铁路隧道空气幕保温理论的计算方法，其特征在于，根据以下公式分别计算得到300km/h单线隧道横断面面积S、隧道横向最大跨径B及隧道平均高度H：其中，b表示隧道底部长度，h表示隧道拱脚到拱顶的最大距离，θ1表示上部扇形拱墙角度，θ2表示左右两侧扇形拱墙角度，r1表示上部扇形拱墙半径，r2表示左右两侧扇形拱墙半径。4.根据权利要求1所述一种寒区铁路隧道空气幕保温理论的计算方法，其特征在于，S2进一步包括：设定空气幕的气流为f，隧道外流入隧道的气流为f1，空气幕倾斜平射气流为f2，则f＝f1+f2，其中，其中：a为湍流系数；α为射流角度，单位：°；ω为隧道外自然风速，单位：m/...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁云飞，高焱，夏晶晶，耿纪莹，周君，李峥嵘，凌田，陈昕，王敏，朱奇，
申请(专利权)人：淮阴工学院，
类型：发明
国别省市：江苏,32