一种用于营造隔尘空气幕的参数设计方法及三通分风装置

1.本发明涉及一种空气幕的参数设计方法，特别涉及一种用于营造隔尘空气幕的参数设计方法及三通分风装置，应用于隧道施工通风除尘领域。


背景技术：

2.我国高等级公路标准正不断提高，长距离、大断面高速公路隧道修建的越来越多。然而，随着隧道距离加长、断面面积增大，如何合理设计通风除尘，成为了业界普遍面临的难题。目前，在隧道内的粉尘监测监控以及除尘技术等研究方面，比较完善和先进。但是，现有研究表明，在掘进过程中，不论采用炮掘、人工掘进或者盾构机掘进，掌子面依然是主要的产尘点，而且，掌子面的尘源较分散，产出粉尘的运移轨迹呈现出无序性，这导致安设于临近掌子面的除尘装置实时空气净化效能偏低。
3.目前公路隧道控尘领域研究尚不深入和系统，但是，矿井中的控尘技术已经趋于完备。例如，中国专利公开(公告)号：cn112253210a，公开了一种煤矿综掘工作面用伞状气幕供风控尘装置，用于解决供风与除尘的重叠区域缺少新鲜气流，一定程度上，解决了有毒有害气体在该区域积聚的问题，此外，通过伞状气幕控尘装置形成的伞状气幕，阻隔迎头粉尘向后方扩散，进而，实现了区域控尘；
4.中国专利公开(公告)号：cn112483084a，公开了一种综采工作面全隔断式气幕控尘方法，通过狭缝式出风风机出风口朝向采煤机司机上方倾斜出风而形成气幕，将两个扇形气幕的上方封闭起来，从而完全阻挡煤尘进入司机工作区域，同时，部分被阻挡的煤尘会被风幕吹向采空区，减少工作面的煤尘浓度；
5.中国专利公开(公告)号：cn112879068a，公开了一种综掘面大涡集尘－旋流布风分域系统及分域通风控尘方法，通过在综掘机上布置分风器，通过侧向出风口配合巷道侧壁形成旋流布风区域，大涡集尘区域与旋流布风区域能随综掘机一起前移，为除迎头区域外的作业区提供大量新鲜无污染的空气，大大缓解了传统附壁风筒技术中常出现的瓦斯聚集问题。
6.很显然，上述方法主要目的在于缓解瓦斯聚集、阻挡煤尘向采煤机操作者扩散，并不能营造高度较高、跨度较大的隔尘空气幕，最关键的是所形成气幕的稳定性不强，阻尘效果以及除尘装置的除尘效率提升尚不显著。


技术实现要素：

7.针对上述提到的现有技术中的隧道施工中，掌子面的尘源较分散，产出粉尘的运移轨迹呈现出无序性，这导致安设于临近掌子面的除尘装置实时空气净化效能偏低的问题，本发明提供一种用于营造隔尘空气幕的参数设计方法及三通分风装置，是通过第二出风管射流形成空气幕来实现控尘的，目的是将近掌子面处的粉尘控制在控尘区，从而便于除尘装置快速、有效去除近掌子面处的粉尘，提升除尘装置的效率。
8.本发明解决其技术问题采用的技术方案是：一种用于营造隔尘空气幕的参数设计
方法，包括以下步骤：
9.s1、初始化确定第一出风口的风量q1、第二出风口的风量q2和第一出风口到掌子面的距离l；
10.s2、根据第一出风口的风量q1，计算出第一出风口处的动量，根据第二出风口的风量q2，计算出第二出风口营造的隔尘空气幕；
11.s3、根据第一出风口处的动量与第二出风口营造的隔尘空气幕，计算出隔尘空气幕能够挡住第一出风口处的动量到掌子面后产生的回流污风。
12.进一步地，步骤s2具体包括，根据q1＝πd12v1/4，调节第一出风口的直径d1，控制第一出风口的风速v1；根据q2＝πd22v2/4，调节第二出风口的直径d2，控制第二出风口的风速v2。
13.进一步地，第一出风口的风量q1满足函数表达式：
14.q1≤s
×v断
×
ω
×
δ；
15.其中s为掌子面断面积，v
断
为断面控制风速，ω为风量循环比，δ为折减系数。
16.进一步地，步骤s2计算出隔尘空气幕的函数表达式：
17.v/vm＝f[y/y
(v/2)
]；
[0018]
2r/d2＝f(as/d2)；
[0019]
其中y为射流截面上任一点到核心边界的距离，v为y点处的速度，vm为核心速度，y
(v/2)
为同截面上0.5vm点至轴心的距离，r为射流半宽度，d2为第二出风口的直径，a为紊流系数，s为出口至任一截面的距离。
[0020]
进一步地，隔尘空气幕能够挡住第一出风口处的动量到掌子面后产生的回流污风满足如下函数表达式：
[0021][0022]
其中ρ为空气密度。
[0023]
进一步地，第一出风口到掌子面的距离l在15-35m。
[0024]
进一步地，s1中还包括初始化确定汇入风量q0，汇入风量q0满足如下：q0＝q1 q2。
[0025]
本发明解决其技术问题还采用的技术方案是：一种实现上述的用于营造隔尘空气幕的参数设计方法的三通分风装置，所述三通分风装置包括移动车体、送风管、第一出风管和第二出风管，所述送风管设置在移动车体一侧，所述送风管与所述第一出风管直接或间接相连通，所述送风管与第二出风管直接或间接相连通，所述第一出风管设置在移动车体另一侧，所述第一出风管的第一出风口置于移动车体外侧，所述第一出风口对应掌子面设置，所述第二出风管设置在移动车体底部，所述第二出风管的第二出风口置于移动车体外侧，所述第二出风口对应下方地面设置。
[0026]
本发明的有益效果：本发明提供了一种用于营造隔尘空气幕的参数设计方法及三通分风装置，是通过第二出风管射流形成空气幕来实现控尘的，相较于现有的控尘方法，更为简单有效，目的是将近掌子面处的粉尘控制在控尘区，从而便于除尘装置快速、有效去除近掌子面处的粉尘，提升除尘装置的效率。
附图说明
[0027]
图1是本发明的营造隔尘空气幕的参数设计方法的示意图；
[0028]
图2是本发明的三通分风装置的结构示意图。
[0029]
附图标记：1－移动车体，2－送风管，3－第一出风管，31－第一出风口，4－第二出风管，41－第二出风口，5－掌子面。
具体实施方式
[0030]
为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0031]
请参阅图1，本发明提供的一种用于营造隔尘空气幕的参数设计方法，包括以下步骤：
[0032]
s1、初始化确定第一出风口的风量q1、第二出风口的风量q2和第一出风口到掌子面的距离l；
[0033]
s2、根据第一出风口的风量q1，计算出第一出风口处的动量，根据第二出风口的风量q2，计算出第二出风口营造的隔尘空气幕；
[0034]
s3、根据第一出风口处的动量与第二出风口营造的隔尘空气幕，计算出隔尘空气幕能够挡住第一出风口处的动量到掌子面后产生的回流污风。
[0035]
本实施例中，步骤s2具体包括，根据q1＝πd12v1/4，调节第一出风口的直径d1，控制第一出风口的风速v1；根据q2＝πd22v2/4，调节第二出风口的直径d2，控制第二出风口的风速v2。若增大第一出风口的直径d1，第一出风口的风速v1必然减小，其动力在射流过程中会持续衰减，到达掌子面时，难以推动掌子面处的污风向隧道外移动；同理，若增大第二出风口的直径d2，第二出风口的风速v2必然减小，其射流动力持续衰减，所形成的空气幕较短；若减小第二出风口的直径d2，第二出风口的风速v2增大，射流距离长，所形成空气幕的高度达不到要求。在保证第一出风口到掌子面的距离l、风量q1和风量q2，选取两组d1、d2值，并在两组值之间设计多个模型，对每个模型进行流体动力学计算，优化两组d1、d2组合值。
[0036]
本实施例中，第一出风口的风量q1满足函数表达式：
[0037]
q1≤s
×v断
×
ω
×
δ；
[0038]
其中s为掌子面断面积，v
断
为断面控制风速，ω为风量循环比，δ为折减系数。为了防止第一出风口的风量q1动能折减，q1满足上述函数表达式。
[0039]
本实施例中，步骤s2计算出隔尘空气幕的函数表达式：
[0040]
v/vm＝f[y/y
(v/2)
]；
[0041]
2r/d2＝f(as/d2)；
[0042]
其中y为射流截面上任一点到核心边界的距离，v为y点处的速度，vm为核心速度，y
(v/2)
为同截面上0.5vm点至轴心的距离，r为射流半宽度，d2为第二出风口的直径，a为紊流系数，s为出口至任一截面的距离。d2和q2将会影响第二出风口的风速v2，在射流出第一出风管后，任意截面上无量纲速度分布具有相似性，可见于函数表达式v/vm＝f[y/y
(v/2)
]，因此第二出风口的风速v2会影响最终所营造空气幕的长度s以及y
(v/2)
。
[0043]
本实施例中，隔尘空气幕能够挡住第一出风口处的动量到掌子面后产生的回流污
风满足如下函数表达式：
[0044][0045]
其中ρ为空气密度。在空气幕控尘监控时，优选将与送风管后端平齐的隧道断面设置为风流流量监测断面，监测从控尘区内流出的风流流量(隧道内的自然风流忽略不计)，以此评判空气幕控尘效果。
[0046]
本实施例中，若l增大，流体的质量m会逐渐增加，流体的速度v1逐渐减小，导致不能提供足够的动能使掌子面处的回流污风向隧道外运移；若l减小，掌子面处的回流污风在流经所营造的空气幕时，动能过大，所营造空气幕无法阻挡住回流污风，达不到控尘效果，因此第一出风口到掌子面的距离l在15-35m，同时l值越小，第一出风管在实施爆破工序时被炸裂的可能性越大，优选的第一出风口到掌子面的距离l在20m和25m。
[0047]
本实施例中，为了简单有效的进行控制，其s1中还包括初始化确定汇入风量q0，汇入风量q0满足如下：q0＝q1 q2。根据q1和q2的风量固定汇入总的风量q0。
[0048]
具体的上述计算流体动力学方法的边界条件设置及要求为：将第一出风管的第一出风口和第二出风管的第二出风口设置为速度入口，将隧道洞口设置为压力出口，隧道洞口出口处的压力为大气压，其他边界设置为固体壁面，隧道壁面采用无滑移固壁边界，其还可以考虑壁面函数粗糙度影响。
[0049]
请参阅图2，本发明还提供的一种实现上述的用于营造隔尘空气幕的参数设计方法的三通分风装置，所述三通分风装置包括移动车体1、送风管2、第一出风管3和第二出风管4，所述送风管2设置在移动车体1一侧，所述送风管2与所述第一出风管3直接或间接相连通，所述送风管2与第二出风管4直接或间接相连通，所述第一出风管3设置在移动车体1另一侧，所述第一出风管3的第一出风口31置于移动车体1外侧，所述第一出风口31对应掌子面5设置，第一出风管3用于推动掌子面处的污风、炮烟、粉尘等向隧道口运移，所述第二出风管4设置在移动车体1底部，所述第二出风管4的第二出风口41置于移动车体1外侧，所述第二出风口41对应下方地面设置，第二出风管4通过射流形成空气幕，用于阻挡从掌子面处流过的回流污风，达到控尘的目的，并将送风管2、第一出风管3和第二出风管4安装在移动车体1移动更加方便。
[0050]
具体实施例，例如对比不同工况下三通分风装置的控尘效果，根据监测断面的监测结果，将数值最小的即控尘效果最佳的工况运用到隧道施工现场中。
[0051]
现对该公路隧道详细情况加以说明：隧道全长3349m，宽14.8m，高7.49m，属长距离大断面公路隧道，为缩短工期，采取从隧道两端同时开挖的方式。具体的，隧道洞身开挖采取短台阶法，现有的通风方式为压入式通风，压入式风管布置在拱腰处，压入式风管距地面高度约4.5m，管径为1.4m，隧道洞口风机高效风量为1550m3/min。
[0052]
根据上述说明，初步建立长度为100m的隧道模型，入口采用速度入口，出口采用压力出口，出口压力为0pa，其他边界设置为固体壁面，隧道壁面采用无滑移固壁边界，考虑壁面函数粗糙度影响，取隧道壁面平均粗糙高度为0.1m，隧道壁面粗糙度常数为0.5，取百米漏风率为2％。当三通分风装置的第一出风口的风量q1为460m3/min，三通分风装置的第二出风口的风量q2为689m3/min，计算出汇入至送风管的风量q0大致为1149m3/min，第一出风管和第二出风管的管径d1、d2为1.4m，第一出风管的第一出风口到掌子面的距离l为25m时，根
据流体动力学的计算结果表明，控尘监测面所得数据为0kg/s。这表明，上述三通分风装置控尘效果为优选的。
[0053]
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。