特长公路隧道开式循环通风的分风比数极大值确定方法技术

本发明专利技术公开了一种特长公路隧道开式循环通风的分风比数极大值确定方法。本发明专利技术方法主要是：首先，确定除尘器临界有效风量与分风比数非线性关系；再应用高等数学中的求导法则，求除尘器临界有效风量对分风比数的一阶偏导数及二阶偏导数；根据高等数学中的极值与一阶偏导数、二阶偏导数的判定方法，当一阶偏导数等于0，且二阶偏导数小于0时，存在极大值，从而建立起分风比数极大值的计算式。当开式可控循环通风系统的实际分风比数大于分风比数极大值时，隧道短道中的并联风流烟尘浓度超过容许浓度，继续行驶在该隧道短道内的车辆不安全，以迅速快捷完成开式循环通风系统实施的预评估。

A Method for Determining the Maximum Distribution Ratio of Open Circulating Ventilation in Extra Long Highway Tunnels

The invention discloses a method for determining the maximum value of air distribution ratio of open-type circulating ventilation in an extra-long highway tunnel. The method of the invention is mainly as follows: firstly, the non-linear relationship between the critical effective air volume and the fractional air ratio of the dust collector is determined; secondly, the first and second partial derivatives of the fractional air ratio of the critical effective air volume of the dust collector are obtained by applying the derivative rule in higher mathematics; and according to the extreme value and the first and second partial derivatives in higher mathematics. When the first-order partial derivative is equal to 0 and the second-order partial derivative is less than 0, there exists a maximum value, thus the formula for calculating the maximum value of the air distribution ratio is established. When the actual air distribution ratio of the open controlled circulation ventilation system is greater than the maximum value of the air distribution ratio, the smoke concentration of the parallel air flow in the tunnel short channel exceeds the allowable concentration, and the vehicles running in the tunnel short channel are unsafe, so that the pre-evaluation of the implementation of the open controlled circulation ventilation system can be completed quickly and quickly.

【技术实现步骤摘要】
特长公路隧道开式循环通风的分风比数极大值确定方法
本专利技术属于隧道防灾减灾
，具体涉及一种用于特长公路隧道开式可控循环通风的分风比数极大值的确定方法。
技术介绍
公路隧道是半陷或者浅埋的狭长空间，治理隧道内行驶的汽车所产生的烟尘等污染物，一直是业界关注的重要问题。一般采用机械通风的方法，稀释烟尘和CO等污染物，污风排至隧道外环境，并且属于直流式系统方案。长距离或者特长距离公路隧道的通风系统，必须配合通风竖井，才能满足隧道内稀释污染物的用风需求。特长公路隧道通风具体涉及竖井开挖位置、通风机、射流风机群和风道等影响因素的优化，是行业内的前沿问题。目前，将外界新鲜空气引入隧道，稀释车辆排放的污染物，然后将污风排出洞外，这是能耗高的传统隧道通风。采用竖井分段送风，引入外界新鲜空气，稀释特长隧道内的污染物，并确保其浓度在安全值以内，最后，通过分段竖井排出污风；KwaGS和夏永旭等实践了常用的竖井分段送排风隧道通风系统。对于隧道中行车形成的交通风，方磊和Wang等应用模型试验的方法，得出了送风口与隧道行车方向宜取6°，而排风口与隧道行车方向的夹角应不大于30°；继而，方磊等明确指出通风井送排式纵向通风系统一直存在土建费用及运行能耗大的问题。针对通风井工程造价高或者无设置条件的特长隧道，利用上下行线通风负荷不均匀特性，Berner等首次提出了双洞互补通风；利用模型实验和数值仿真，张光鹏验证和校核了设计参数，并把双洞互补式通风应用于锦屏隧道中；通过实验实测，王亚琼等深入研究了双洞互补式通风下的隧道内流场，进一步论证了该通风方式的可行性，并且一般情况下双洞互补通风方式适用于4km～7km的公路隧道。但是，特长隧道通风成本高和竖井开挖位置受地质、城市规划制约等问题，依然突出，并且用于特长公路隧道开式可控循环通风的分风比数极大值确定方法尚未形成。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种特长公路隧道开式循环通风的分风比数极大值确定方法，以迅速快捷完成开式循环通风系统实施的预评估。本专利技术的目的是通过如下的技术方案来实现的：该特长公路隧道开式循环通风的分风比数极大值确定方法，是用于特长公路隧道开式可控循环通风系统的分风比数极大值的确定；所述特长公路隧道开式可控循环通风系统包括设置于隧道旁通隧洞且平行于隧道的循环风道，隧道入口至循环风道的引风段之间是上游隧道，循环风道的引射段至隧道出口之间是下游隧道，循环风道通过其两端的引风段和引射段与隧道连通，上游隧道与下游隧道之间是隧道短道；循环风道内设有除尘器；循环风道的引风段亦与隧道旁通隧洞中设有的排风竖井的进口连通，排风竖井中设有排风风机；循环风道的引射段亦与隧道旁通隧洞中设有的送风竖井的出口连通，送风竖井中设有送风风机；它包括如下步骤：(一)除尘器临界有效风量与分风比数非线性关系的确定；(a)确定除尘器临界有效风量的计算式如式(1)：Qηωc＝ωc·Qη(1)；式中，Qηωc为除尘器临界有效风量，m3/s；Qη为流入除尘器的未净化循环风流风量，m3/s；ωc为除尘器临界有效风量系数，无量纲数；(b)确定流入除尘器的未净化循环风流风量的计算式如式(2)：Qη＝k·e·Qr(2)；式中，k为循环率，无量纲数；e为分风比数，无量纲数；Qr为从隧道入口引入的外界新鲜风流风量，m3/s；(c)确定除尘器临界有效风量系数的计算式如式(3)：式中，δ1c为上游隧道的上游风流的临界烟尘浓度，m-1；δ为隧道通风设计的烟尘容许浓度，m-1；(d)在满足通风设计要求的前提下，当δ2＝δ时，则确定上游风流的临界烟尘浓度计算式如式(4)：式中，δ2为隧道短道的并联风流烟尘浓度，m-1；C为烟尘流量的综合影响因子，m/s；Ls为隧道短道的长度，m；(e)将式(4)代入式(3)，再将式(3)和式(2)代入式(1)，得到除尘器临界有效风量与分风比数的非线性关系式如式(5)：(二)应用高等数学中的求导法则，除尘器临界有效风量对分风比数的一阶偏导数如式(6)：(三)应用高等数学中的求导法则，除尘器临界有效风量对分风比数的二阶偏导数如式(7)：(四)根据高等数学中的极值与一阶偏导数、二阶偏导数的判定方法，当式(6)的一阶偏导数等于0，且式(7)二阶偏导数小于0时，存在极大值；在式(6)中，用ec替换e，并令公式建立起分风比数极大值的计算式如式(8)：式中，ec为分风比数极大值，无量纲数；c＝C/δ为烟尘流量综合影响因子与设计浓度的因变比数，m2/s；式(8)表明，当开式可控循环通风系统的实际分风比数大于分风比数极大值ec时，隧道短道中的并联风流烟尘浓度δ2超过容许浓度δ，继续行驶在该隧道短道内的车辆不安全。具体的，步骤(一)(b)、(c)、(d)中式(2)、式(3)、式(4)的确定方法如下：(Ⅰ)根据现有工程计算方法，得到隧道烟尘流量计算式如下式(9)：式中，QVI为隧道烟尘流量，m2/s；qVI为烟尘基准排放量，m2/veh·km；fa(VI)为考虑烟尘的车况系数，无量纲数；fd为车密度系数，无量纲数；fh(VI)为考虑烟尘的海拔高度系数，无量纲；fiv(VI)为考虑烟尘的纵坡-车速系数，无量纲数；nD为柴油车车型类别数，无量纲数；Nm为相应车型的交通量，veh/h；fm(VI)为考虑烟尘的柴油车车型系数，无量纲数；L为隧道长度，m；其中，烟尘流量的综合影响因子C的计算式为：式(9)中，当基准排放量不变，以及车况、车密度、坡度、车速、柴油车车型无量纲数不变，且能忽略海拔变化所产生影响的情况下，则，隧道烟尘流量是隧道长度和综合影响因子的函数；(Ⅱ)应用式(9)和式(10)，上游风流的烟尘浓度计算式如式(11)：式中，δ1为上游风流的烟尘浓度，m-1；L1为上游隧道的长度，m；Qr为从隧道入口引入的外界新鲜风流风量，m3/s；(Ⅲ)分风比数由式(12)确定：式中，e为分风比数，无量纲数；Q为分流至循环风道引风段的风流风量即分流至循环风道和排风竖井的风流风量，m3/s；根据质量守恒原理，则隧道短道的并联风流的风量如式(13)：Qs＝(1-e)·Qr(13)；式中，Qs为隧道短道的并联风流的风量，m3/s；对于流入循环风道引风段的风流风量，一部分被排风风机排走，另一部分进入循环风道，形成流入除尘器的未净化循环风流风量，该未净化循环风流风量占到引风段风流风量的比例即为循环率k，应用式(12)，循环率k如式(14)：式中，k为循环率，无量纲数；Qη为流入除尘器的未净化循环风流风量，m3/s；由式(14)变形得到流入除尘器的未净化循环风流风量计算式如式(2)：Qη＝k·e·Qr(2)；(Ⅳ)隧道短道的并联风流的烟尘浓度计算方法如下：并联风流的烟尘流量来自两部分，其一，上游风流携带过来的烟尘流量；其二，在隧道短道内行驶的车辆排放而产生的烟尘流量；其中，影响并联风流烟尘流量的上游风流携带烟尘流量计算如下式(15)：Qs1(VI)＝δ1Qs(15)；式中，Qs1(VI)为来自上游风流的烟尘流量，m2/s；将式(13)代入式(15)，得式(16)：Qs1(VI)＝δ1(1-e)Qr(16)；另外，在隧道短道内行驶的车辆排放而产生的烟尘流量计算如下式(17)：Qs2(VI)＝C·Ls(17)；式中，Qs2(VI)为隧道短道的并联本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种特长公路隧道开式循环通风的分风比数极大值确定方法，是用于特长公路隧道开式可控循环通风系统的分风比数极大值的确定；所述特长公路隧道开式可控循环通风系统包括设置于隧道旁通隧洞且平行于隧道的循环风道，隧道入口至循环风道的引风段之间是上游隧道，循环风道的引射段至隧道出口之间是下游隧道，循环风道通过其两端的引风段和引射段与隧道连通，上游隧道与下游隧道之间是隧道短道；循环风道内设有除尘器；循环风道的引风段亦与隧道旁通隧洞中设有的排风竖井的进口连通，排风竖井中设有排风风机；循环风道的引射段亦与隧道旁通隧洞中设有的送风竖井的出口连通，送风竖井中设有送风风机；其特征在于包括如下步骤：(一)除尘器临界有效风量与分风比数非线性关系的确定；(a)确定除尘器临界有效风量的计算式如式(1)：Qηωc＝ωc·Qη                          (1)；式中，Qηωc为除尘器临界有效风量，m3/s；Qη为流入除尘器的未净化循环风流风量，m3/s；ωc为除尘器临界有效风量系数，无量纲数；(b)确定流入除尘器的未净化循环风流风量的计算式如式(2)：Qη＝k·e·Qr                            (2)；式中，k为循环率，无量纲数；e为分风比数，无量纲数；Qr为从隧道入口引入的外界新鲜风流风量，m3/s；(c)确定除尘器临界有效风量系数的计算式如式(3)：...

【技术特征摘要】
1.一种特长公路隧道开式循环通风的分风比数极大值确定方法，是用于特长公路隧道开式可控循环通风系统的分风比数极大值的确定；所述特长公路隧道开式可控循环通风系统包括设置于隧道旁通隧洞且平行于隧道的循环风道，隧道入口至循环风道的引风段之间是上游隧道，循环风道的引射段至隧道出口之间是下游隧道，循环风道通过其两端的引风段和引射段与隧道连通，上游隧道与下游隧道之间是隧道短道；循环风道内设有除尘器；循环风道的引风段亦与隧道旁通隧洞中设有的排风竖井的进口连通，排风竖井中设有排风风机；循环风道的引射段亦与隧道旁通隧洞中设有的送风竖井的出口连通，送风竖井中设有送风风机；其特征在于包括如下步骤：(一)除尘器临界有效风量与分风比数非线性关系的确定；(a)确定除尘器临界有效风量的计算式如式(1)：Qηωc＝ωc·Qη(1)；式中，Qηωc为除尘器临界有效风量，m3/s；Qη为流入除尘器的未净化循环风流风量，m3/s；ωc为除尘器临界有效风量系数，无量纲数；(b)确定流入除尘器的未净化循环风流风量的计算式如式(2)：Qη＝k·e·Qr(2)；式中，k为循环率，无量纲数；e为分风比数，无量纲数；Qr为从隧道入口引入的外界新鲜风流风量，m3/s；(c)确定除尘器临界有效风量系数的计算式如式(3)：式中，δ1c为上游隧道的上游风流的临界烟尘浓度，m-1；δ为隧道通风设计的烟尘容许浓度，m-1；(d)在满足通风设计要求的前提下，当δ2＝δ时，则确定上游风流的临界烟尘浓度计算式如式(4)：式中，δ2为隧道短道的并联风流烟尘浓度，m-1；C为烟尘流量的综合影响因子，m/s；Ls为隧道短道的长度，m；(e)将式(4)代入式(3)，再将式(3)和式(2)代入式(1)，得到除尘器临界有效风量与分风比数的非线性关系式如式(5)：(二)应用高等数学中的求导法则，除尘器临界有效风量对分风比数的一阶偏导数如式(6)：(三)应用高等数学中的求导法则，除尘器临界有效风量对分风比数的二阶偏导数如式(7)：(四)根据高等数学中的极值与一阶偏导数、二阶偏导数的判定方法，当式(6)的一阶偏导数等于0，且式(7)二阶偏导数小于0时，存在极大值；在式(6)中，用ec替换e，并令公式建立起分风比数极大值的计算式如式(8)：式中，ec为分风比数极大值，无量纲数；c＝C/δ为烟尘流量综合影响因子与设计浓度的因变比数，m2/s；式(8)表明，当开式可控循环通风系统的实际分风比数大于分风比数极大值ec时，隧道短道中的并联风流烟尘浓度δ2超过容许浓度δ，继续行驶在该隧道短道内的车辆不安全。2.根据权利要求1所述特长公路隧道开式循环通风的分风比数极大值确定方法，其特征在于：步骤(一)(b)、(c)、(d)中式(2)、式(3)、式(4)的确定方法如下：(Ⅰ)根据现有工程计算方法，得到隧道烟尘流量计算式如下式(9)：式中，QVI为隧道烟尘流量，m2/s；qVI为烟尘基准排放量，m2/veh·km；fa(VI)为考虑烟尘的车况系数，无量纲数；fd为车密度系数，无量纲数；fh(VI)为考虑烟尘的海拔高度系数，无量纲；fiv(VI)为考虑烟尘的纵坡-车速系数，无量纲数；nD为柴油车车...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈世强，刘文硕，王海桥，田峰，郝小礼，李石林，陈永平，吴世先，
申请(专利权)人：湖南科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43