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Mar 10, 2023

Eine numerische Studie zur CO-Migration nach Sprengungen in großer Höhe

Wissenschaftliche Berichte Band 12,

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 14696 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Auf dem westlichen Plateau Chinas müssen Belüftungsprobleme, die durch niedrigen Luftdruck verursacht werden, überwunden werden. Und die CO-Migration nach Sprengungen in hochgelegenen Tunneln durch Schrägschächte ist zu einem wichtigen wissenschaftlichen Thema geworden. In dieser Studie wurde die Methode der Computational Fluid Dynamics (CFD) verwendet, um die Strömungsfeldeigenschaften an der Verbindung von geneigtem Schacht und Tunnel zu analysieren. Darüber hinaus wurden die Auswirkungen unterschiedlicher Lüfteröffnungsmodi und unterschiedlicher anfänglicher CO-Konzentrationsverteilungen auf die Belüftung diskutiert. Die Simulationsergebnisse zeigten, dass sich der Hauptunterschied im Ventilationswindfeld aufgrund der unterschiedlichen Ventilatoröffnungsmodi in der Position des Wirbelbereichs widerspiegelte. Unterdessen zeigten verschiedene anfängliche CO-Konzentrationsverteilungen unterschiedliche Migrationen, wenn zwischen dem linken und dem rechten Tunnel kein Unterschied im Luftvolumen bestand. Durch die Eliminierung von Wirbelzonen und die vollständige Nutzung des Hochgeschwindigkeitsluftstroms könnte die relative Belüftungseffizienz um mindestens 18 % verbessert werden. CO würde sich in der entgegengesetzten Richtung des Tunnels ansammeln, wenn nur einer der Ventilatoren eingeschaltet wäre. Daher wurde ein zweistufiges Lüftungskonzept vorgeschlagen und der Energieverbrauch um mindestens 33 % gesenkt. Diese Forschung kann Leitlinien für den Bau von Tunneln in großer Höhe mit mehreren Arbeitsflächen liefern, um die Belüftungseffizienz zu verbessern und den Energieverbrauch zu senken.

Westchina zeichnet sich durch seine Höhenlage, extreme Kälte und niedrigen Luftdruck aus. Unterdessen wird durch die Tunnelsprengung eine große Menge Kohlenmonoxid (CO) erzeugt. Hämoglobin (Hb) hat eine hohe Affinität zu CO, was die Fähigkeit des Blutes, Sauerstoff zu transportieren, erheblich verringert. In der rauen Umgebung des Hochlandplateaus ist es sogar noch tödlicher1. Um die Gesundheit der Arbeitnehmer am Arbeitsplatz zu gewährleisten und den reibungslosen Bau eines Höhentunnels zu gewährleisten, ist es notwendig, das CO-Ausbreitungsgesetz eines Höhentunnels eingehender zu untersuchen.

Beim Tunnelbau ist die Zwangsbelüftung nach wie vor die Hauptmethode zur Verdünnung giftiger Gase. De Souza und Katsabanis2 verwendeten ein Explosionsgasdiffusionsmodell, um die sichere Wiedereintrittszeit unter Berücksichtigung der Verdünnungsanforderungen gefährlicher Gase zu bestimmen. Um die Konzentration toxischer Gase schnellstmöglich unter den Konzentrationsgrenzwert zu senken und die Lüftungskosten zu senken, müssen die Strömungsfeldeigenschaften in einem Tunnel zur Optimierung der Lüftung untersucht werden. Parra et al.3 untersuchten drei verschiedene Arten von Lüftungssystemen und stellten fest, dass die Anordnung der Luftkanäle das Luftströmungsfeld direkt beeinflusst. Kurnia et al.4 führten ein neues intermittierendes Belüftungssystem ein, um Energie zu sparen. Allerdings gibt es in Tunneln einige Lüftungs-Totzonen, beispielsweise im Quergang eines Doppeltunnels, wo gefährliche Gase stärker konzentriert sind. Es wurde gezeigt, dass der Einsatz eines Strahlventilators dieses Problem lösen kann5. Darüber hinaus haben unterschiedliche Strahlventilatorparameter unterschiedliche Auswirkungen auf die Verbesserung der Belüftungseffizienz6,7,8,9,10. Darüber hinaus wird die Luftschleiertechnik sukzessive in der Tunnelbelüftung eingesetzt. Es ist in der Lage, Staub oder Strahldämpfe in einem bestimmten Bereich zu kontrollieren, die schnell über den Kanal abgesaugt werden11. Viele Forscher haben die Strömungsfeldeigenschaften und optimalen Parameter der Luftschleierlüftung untersucht12,13,14. Darüber hinaus ist es allgemein anerkannt, dass alle Lüftungskanäle in gewissem Maße undicht sind, und anhand der Kanaleffizienz können die Auswirkungen der Leckagerate auf Lüftungssysteme bewertet werden15,16. Wang et al.17 erstellten mit CFD ein dreidimensionales Modell zur Analyse der Leckagerate. Die Simulationsergebnisse zeigten, dass der Druck und die Leckagemenge einen Einfluss auf die Leckagerate entlang des Tunnels haben.

Doch die zunehmende Höhe stellt die Tunnelbelüftung vor größere Herausforderungen. Die erforderlichen Luftvolumenströme, Versorgungsvolumen des Ventilators und Strömungsfeldeigenschaften in ebenen Gebieten gelten nicht mehr für Plateaugebiete. Erstens führt Sauerstoffmangel zu einer unzureichenden Verbrennung des Motors und erhöht die Freisetzung gefährlicher Gase. Im Allgemeinen ist der RDE-Test (Real Driving Emissions) die wichtigste Forschungsmethode zur Untersuchung von Abgasemissionen18. Ramos et al.19 führten Feldtests mit drei verschiedenen Kraftstoffen durch und untersuchten umfassend die Auswirkungen von Höhe, alternativen Kraftstoffen und Fahrbedingungen auf die Abgasemissionen. Die Ergebnisse zeigten, dass die Stickoxidemissionen (NOx) in großer Höhe etwa zehnmal höher waren als die in den europäischen Normen festgelegten Grenzwerte. Wang et al.20 beobachteten, dass die CO-, PN- und NOx-Emissionen alle mit der Höhe zunahmen, während die NOx-Emissionen abnahmen, wenn die Höhe 2990 m überstieg. Entsprechend dem CO-Höhenkoeffizienten kann der NOx-Höhenkoeffizient verwendet werden, um den Einfluss der Höhe auf die NOx-Emissionsfaktoren widerzuspiegeln. Dem Vergleich zufolge wird CO stärker von der Höhe beeinflusst21. Zweitens wird die Plateauumgebung einen großen Einfluss auf viele physiologische Systeme des menschlichen Körpers haben, indem sie die durchschnittliche Arbeitskapazität verringert und die Widerstandsfähigkeit gegenüber giftigen Gasen verringert. Arbeitnehmer sind anfälliger für Schwindel und sogar Vergiftungen22,23,24. Die bekannte Coburn-Forster-Kane-Gleichung (CFK) beschreibt eine funktionale Beziehung zwischen der CO-Konzentration in der Umwelt und der Carboxyhämoglobin-Konzentration (COHb) im menschlichen Körper und legt damit die theoretische solide Grundlage für die Untersuchung der CO-Konzentrationsgrenze25. Darüber hinaus wirkt sich ein Abfall der Luftdichte auf den normalen Betrieb des Ventilators im Plateaubereich aus26. Daher muss der Lüfter ausgetauscht werden, um den Belüftungsanforderungen der hochgelegenen Umgebung gerecht zu werden. Durch den Bau des Höhentunnels wird sich die Raum-Zeit-Entwicklung giftiger Gase oder Stäube ändern, was sich direkt auf die Belüftungsanordnung auswirkt. Die Eigenschaften des Rauchtransports bei Tunnelbränden in großer Höhe wurden gründlich untersucht und untersucht27,28,29, was möglicherweise Forschungsanstöße für die Belüftung von Tunneln in großer Höhe nach der Sprengung liefern könnte. Huang, Shen, Wang und Liao30 untersuchten das CO-Migrationsgesetz nach Sprengungen in einer Plateau-Mine mithilfe eines CFD-Modells und wiesen darauf hin, dass die Belüftungszeit, die zum Verdünnen von CO an einem Standort in geringer Höhe erforderlich ist, offensichtlich kürzer ist als in einem Bereich in großer Höhe. Feng et al.31 nutzten numerische Simulationen, um eine Reihe von CO-Konzentrationsfunktionen in verschiedenen Höhensituationen zu erstellen, die durch Felddaten verifiziert wurden.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass viele Wissenschaftler Untersuchungen zur Belüftung von Tunneln in großer Höhe durchgeführt und fruchtbare Ergebnisse erzielt haben. Allerdings bleibt die Optimierung der Lüftungsanordnung angesichts komplexerer Baubedingungen ein erhebliches Problem, das weiterer Untersuchungen bedarf. Um die Bauzeit zu verkürzen, wird der Schrägschacht häufig in einem langen Tunnel errichtet, um weitere Ortsbrustflächen hinzuzufügen. Und die Luftströme aus dem linken und dem rechten Tunnel werden an der Verbindungsstelle zwischen Tunnel und geneigtem Schacht zusammenlaufen. Sobald Wirbelzonen entstehen, nimmt die Belüftungseffizienz ab. Der Zweck dieser Studie besteht darin, die CO-Migration in Hochgebirgstunneln durch geneigte Schächte zu untersuchen und den Einfluss verschiedener Belüftungsanordnungen aufzudecken.

Bei Flüssigkeitsströmungen sollten die Massenerhaltung, die Impulserhaltung und die Energieerhaltung beachtet werden. Und wenn es eine Vielzahl von Arten gibt, sollte jede Art auch der Massenerhaltung entsprechen. Laminare Strömung und turbulente Strömung sind in der Form der allgemeinen Gleichung identisch, wobei die Variablen unterschiedliche Ausdrücke haben. Darüber hinaus muss die Turbulenz-Transport-Gleichung in die Turbulenzberechnung einbezogen werden. Die maßgebliche Gleichung der laminaren Strömung lautet wie folgt.

Massenerhaltungsgleichung oder Kontinuitätsgleichung31:

Impulserhaltungsgleichung:

Energieeinsparungsgleichung:

Artenmassenerhaltungsgleichung:

wobei \(\rho \) die Gasdichte in kg/m3 darstellt; \(t\) repräsentiert die Zeit, s; \(p\) stellt den Druck Pa dar; u = (vx, vy, vz) stellt den Geschwindigkeitsvektor m/s dar; τ stellt den Spannungstensor dar; T stellt die Temperatur dar, K; \(F=\left({F}_{x},{F}_{y}{,F}_{z}\right)\mathrm{ is}\) die Kraft, N; \(\omega \) ist der Gesamtwärmeübergangskoeffizient W/(m \(\mathrm{K}\)); \({c}_{p}\) stellt die spezifische Wärmekapazität dar, J/(kg \(\mathrm{K}\)); \({S}_{T}\) stellt den viskosen Dissipationsterm dar; \({c}_{s}\) stellt den Massenanteil dar; \({D}_{s}\) stellt den Diffusionskoeffizienten m2/s dar.

Das Standard-k-ε-Modell wurde für Strömungen mit vollständig entwickelter Turbulenz entwickelt, eignet sich jedoch nicht für stark verwirbelte Strömungen oder Strömungen entlang der gekrümmten Wandoberfläche. Yakhot und Orzag32 schlugen zunächst das RNG-k-ε-Modell vor, das zur Vorhersage komplexer turbulenter Strömungen mit hohen Dehnungsraten geeignet ist. Es wurde gut zur Schadstoffverteilung eingesetzt33,34,35,36. Die Gleichungen von k und ε lauten wie folgt:

wobei \(k\) die turbulente kinetische Energie darstellt, \({m}^{2}/{s}^{2}; {G}_{k}\) die Produktion aufgrund der Scherung mit mittlerer Geschwindigkeit darstellt; \(\varepsilon \) stellt die Dissipationsrate der turbulenten kinetischen Energie dar, \({m}^{2}/{s}^{3}; \mu \) und \({\mu }_{t}\) sind laminare und turbulente Viskosität, \(\mathrm{pa s}\), \({\mu }_{t}=\rho {C}_{\mu }{k}^{2}/\varepsilon \) ; \({C}_{1\varepsilon }\), \({C}_{2\varepsilon }\), \({C}_{\mu }\), \({\sigma }_{k }\) und \({\sigma }_{\varepsilon }\) sind Konstanten mit \({C}_{1\varepsilon }=1,42\), \({C}_{2\varepsilon }=1,68\ ), \({C}_{\mu }=0,0845\), \({\sigma }_{k}={ \sigma }_{\varepsilon }=0,7179; {R}_{\varepsilon }\) stellt einen zusätzlichen Begriff dar.

Unabhängig davon, ob es sich um das Standard-k-ε-Modell, das RNG-k-ε-Modell oder das realisierbare k-ε-Modell handelt, sind sie nur für vollständig entwickelte Turbulenzen wirksam, das heißt, die oben genannten drei Modelle sind alle Modelle mit hoher Reynolds-Zahl kann nur Strömungen im Kernbereich der Turbulenz lösen. Im Wandbereich sind die Strömungsverhältnisse sehr unterschiedlich. Insbesondere in der viskosen Unterschicht ist die Strömung nahezu laminar und der Pulsationseffekt der Turbulenz ist geringer als der der molekularen Viskosität. In diesem Bereich wird üblicherweise die Wandfunktion angewendet.

Aufgrund der Kompressibilität der Luft besteht ein nichtlinearer Zusammenhang zwischen Atmosphärendruck und Höhe. Gleichzeitig nimmt die Luftdichte ab. Unter Vernachlässigung der Auswirkungen von Breitengrad, Längengrad und Jahreszeit können der atmosphärische Druck und die Gasdichte, die mit der Höhe variieren, mit den folgenden Formeln berechnet werden30:

wobei \(P\) den atmosphärischen Druck in verschiedenen Höhen darstellt, Pa; \(H\) stellt die Höhe dar, m; \({\rho }_{0}\) stellt die Luftdichte unter Standardbedingungen dar, 1,293 kg/m3; \(T\) repräsentiert die Temperatur in verschiedenen Höhen, K.

Nach der Sprengung bildet sich im Tunnel eine Rauchwolke. Dabei entstehen zahlreiche gasförmige Produkte. Der Sprengrauch enthält eine Vielzahl von Bestandteilen, von denen die meisten giftig und gesundheitsschädlich sind. In dieser Arbeit wird das CO2 von Sprenggasen als Forschungsobjekt herangezogen. Man geht davon aus, dass CO im Wurfbereich gleichmäßig verteilt ist und die Massenkonzentration lässt sich wie folgt berechnen:

wobei \(C\) den Massenanteil von CO darstellt; \(m\) stellt die explosive Zündmenge dar, kg; \(q\) stellt das vom Sprengstoff erzeugte CO-Volumen pro Masseneinheit dar, 0,04 m3/kg; \({M}_{CO}\) stellt die Molmasse von CO dar, 28 g/mol; \({M}_{Luft}\) stellt die Molmasse der Luft dar, 29 g/mol; \({L}_{0}\) stellt die Wurfweite des Rauchs dar, m; \(A\) stellt die Querschnittsfläche des Tunnels dar, m2; \({C}_{m}\) stellt die Massenkonzentration von CO als Anfangswert dar, mg/m3; \({C}_{v}\) stellt die Teile pro Million CO dar.

Der Kangding-Tunnel ist eines der bedeutendsten Ingenieurprojekte der Sichuan-Xizang-Eisenbahnstrecke, die sich im Abschnitt zwischen Kangding und Huojiazhong befindet. Die Gesamtlänge des Tunnels beträgt 20.793 m und die Höhenlage 3700 m. Da es sich in einer halbtrockenen Klimazone des Plateaus befindet, mit langen und kalten Wintern, häufigen Kälte- und Frostkatastrophen und schweren Frost-Tau-Krankheiten, müssen beim Bau wirksame Wärmedämmmaßnahmen ergriffen werden. Aufgrund der extrem großen Höhe beträgt der Luftsauerstoffgehalt in der Tiefdruckumgebung nur etwa 60 % des Sauerstoffgehalts auf Meereshöhe. Mittlerweile ist der Sauerstoffgehalt im Tunnel geringer als draußen. Bauarbeiter und mechanische Geräte haben in einer sauerstoffarmen Umgebung erhebliche Einbußen bei der Arbeitseffizienz erlitten. Der Bau des Schrägschachts Nr. 2 im Kangding-Tunnel ist in zwei Phasen unterteilt: Die erste Phase ist der Bau des Schrägschachts und die zweite Phase ist der gleichzeitige Bau des linken und rechten Tunnels. In beiden Stufen wird eine Zwangsbelüftung eingesetzt, um schädliche Gase zu verdünnen. In diesem Artikel wird hauptsächlich die Belüftungsanordnung der zweiten Stufe untersucht.

Aufgrund der komplexen Arbeitsbedingungen während des eigentlichen Baus des Tunnels gibt es zahlreiche unvorhergesehene Aspekte in der realen Situation, die durch numerische Computersimulationen nicht vollständig berücksichtigt werden können. Dadurch können mehrere unwichtige Parameter übersehen werden, die keinen Einfluss auf die endgültigen Simulationsergebnisse haben. Für die numerische Berechnung werden folgende Annahmen vorgeschlagen: (1) Gas besteht aus einer großen Anzahl von Molekülen. Der Fließzustand eines einzelnen Moleküls wird durch räumliche Diskontinuität und zeitliche Zufälligkeit definiert. Das Gas zeichnet sich durch Kontinuität und Sicherheit in Raum und Zeit aus, wenn die Anzahl der Moleküle ein bestimmtes Niveau erreicht. Da die Simulationsforschung in dieser Arbeit auf Fluent basiert, sollte die Luft im Tunnel vor der Simulation als kontinuierliches Medium behandelt werden. (2) Da alle Flüssigkeiten komprimierbar sind, variiert ihre Dichte mit der Temperatur und dem Druck. Der Luftstrom im Tunnel hingegen ist eine Flüssigkeit mit niedriger Geschwindigkeit, die viskos und inkompressibel ist. (3) Im Tunnel hält das Luftströmungsfeld eine konstante Temperatur aufrecht und es findet keine Wärmeübertragung zwischen der Wand und der Umgebung statt. (4) Während der Diffusionsphase bestehen die Gase lediglich aus Luft und CO und es finden keine chemischen Reaktionen statt.

Zur Erstellung eines 3D-Modells wurde ANSYS 2020R2 (https://www.ansys.com/products/3d-design/ansys-spaceclaim) verwendet. Die Tunnelrichtung verläuft entlang der Z-Achse und die rechte Ortsbrust liegt in der X-Y-Ebene. Die Querschnittsgröße des Tunnels und des Schrägschachts beträgt 128 m2 bzw. 52 m2, für die Berechnung werden 170 m hinter jeder Ortsbrust ausgewählt. Der Abstand zwischen Luftkanal und Ortsbrust beträgt 35 m, der Durchmesser des Luftkanals beträgt 1,8 m. Der Winkel zwischen Schrägschacht und linkem Tunnel beträgt 45°. Angesichts der tatsächlichen Situation dieser numerischen Simulation dauert es lange, das strukturierte Gitter durch ICEM zu unterteilen. Obwohl die Effizienz der Berechnung durch die Verwendung des unstrukturierten Netzes erheblich gesteigert werden kann, ist die Qualität des Tetraedernetzes schlecht und die Lösung divergiert leicht. Aus diesem Grund wurde Fluent-Meshing zur Unterteilung des Netzes ausgewählt, was nicht nur die Netzqualität gewährleistet, sondern auch die Zeit bei der Rastergenerierung erheblich spart. Als Netztypen wurden Polyeder ausgewählt. Das physikalische Modell und das Netz des Tunnels sind in Abb. 1 dargestellt.

Physisches Modell und Netz des Tunnels.

Die Randbedingungen und Anfangsbedingungen werden Lösungsbedingungen genannt. Die eindeutige Lösung des Strömungsfeldes existiert nur, wenn die Randbedingungen und Anfangsbedingungen bestimmt sind. Nachdem das Netz in die Fluent-Software importiert wurde, müssen die entsprechenden Randbedingungen wie folgt festgelegt werden: (1) Beide Einlässe wurden als Geschwindigkeitseinlass festgelegt und die Geschwindigkeitsgröße betrug 20 m/s. (2) Der Ausgang wurde als Druckausgang eingestellt. (3) Die Ortsbrust und die Innenwand des Tunnels sind beide feste Wände und wurden als Wandbegrenzung festgelegt.

Die Untersuchung des Einflusses eines stabilen Strömungsfeldes auf die Belüftungswirkung nach der Sprengung spielt eine wichtige Rolle bei der Festlegung des Belüftungsschemas für den Tunnelbau in großer Höhe, der Verbesserung der Belüftungseffizienz und der Reduzierung des Energieverbrauchs. Mithilfe einer stationären Simulation kann zunächst der Einfluss eines stabilen Strömungsfeldes auf die Tunnelbelüftung betrachtet werden. Die Werte aller Residuen sanken schnell auf weniger als \(1\times {10}^{-3}\), was auf eine Konvergenz der Berechnung hindeutet und bessere Anfangsbedingungen für die transiente Simulation bietet. Lösungsparameter in der numerischen Simulation sind in Tabelle 1 aufgeführt.

Wenn CFD zur Analyse von Strömungsfeldern und Gasdiffusion verwendet wird, wirkt sich eine schlechte Netzqualität direkt auf die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Simulation aus. Daher ist es notwendig, die Unabhängigkeit des Netzes zu testen. Mithilfe von Fluent-Meshing wurde das Modell in drei Gitter unterschiedlicher Qualität unterteilt, darunter Gitter niedriger Qualität (1.982.150 Zellen), Gitter mittlerer Qualität (3.075.091 Zellen) und Gitter hoher Qualität (3.472.652 Zellen). Die durchschnittliche Luftgeschwindigkeit wurde als Index für die Erkennung der Netzunabhängigkeit ausgewählt und Fluent wurde importiert, um die Geschwindigkeitsverteilung der drei Gitter zu berechnen. Abbildung 2 zeigt, dass die durchschnittliche Luftgeschwindigkeit der Gitter mittlerer Qualität und der Gitter hoher Qualität sehr nahe beieinander lag, was darauf hindeutet, dass die Netzunabhängigkeit erreicht wurde. In dieser Studie wurden Gitter mittlerer Qualität ausgewählt, um Recheneffizienz und Genauigkeit sicherzustellen.

Analyse der Netzunabhängigkeit.

Neben der Sicherstellung, dass die Berechnungsergebnisse unabhängig von der Vernetzung für die transiente Simulation sind, muss auch sichergestellt werden, dass der Zeitschritt keinen Einfluss auf die endgültigen Berechnungsergebnisse hat. Wenn der Zeitschritt zu groß ist, kann die Berechnungsabweichung erheblich sein, was dazu führt, dass das wahre physikalische Änderungsgesetz nicht angezeigt wird. Daher wurde der Abschnitt Z = 10 m ausgewählt und der durchschnittliche Massenanteil von CO in diesem Abschnitt berechnet. Es wurden drei verschiedene Arten von Zeitschritten gewählt: 0,2 s, 0,1 s und 0,05 s. Der durchschnittliche Massenanteil von CO in diesem Abschnitt innerhalb von 60 s ist in Abb. 3 dargestellt. Das Diagramm zeigt, dass die drei Kurven ziemlich nahe beieinander lagen, was darauf hindeutet, dass der Zeitschritt nur geringe Auswirkungen auf die Berechnungsergebnisse hatte. Für die Studie wurde der Zeitschritt auf 0,1 s eingestellt, um die Berechnungseffizienz sicherzustellen.

Überprüfung der Modellierungsmethode.

Da sich das Projekt noch in der Vorbereitungsphase befindet, können die entsprechenden Felddaten nicht erhoben werden. Diese Studie dient als Voruntersuchung, um entsprechende Hinweise und Anregungen für die praktische Konstruktion zu geben. Die Theorie des turbulenten Strahls wird seit dem letzten Jahrhundert umfassend untersucht und durch experimentelle Daten bestätigt37,38,39. Um die Genauigkeit des Modells weiter zu überprüfen, wurden die Simulationswerte der Luftgeschwindigkeit im voll entwickelten Strömungsbereich mit theoretischen Berechnungswerten verglichen, wie in Tabelle 2 dargestellt. Obwohl es einen gewissen Unterschied zwischen dem Simulationswert und dem empirischen Formelwert gab, Der Reduktionstrend war jedoch derselbe und der absolute Fehler schwankte ebenfalls um 1,8 m/s. Unter Berücksichtigung des Einflusses des Geschwindigkeitsgradienten, des Kürzungsfehlers und der Änderung gasphysikalischer Parameter in dieser numerischen Simulation ist die in dieser Studie verwendete Modellierungsmethode machbar. Die Axialgeschwindigkeit im voll entwickelten Strömungsbereich lässt sich wie folgt berechnen:

wobei \({v}_{m}\) die Axialgeschwindigkeit des turbulenten Strahls darstellt, m/s; \({v}_{0}\) stellt die Geschwindigkeit des Luftaustritts dar, m/s; \(\alpha \) stellt den Turbulenzkoeffizienten dar, 0,08 für runde Rohre; \(S\) stellt den Abstand von der Ventiduct-Mündung dar, m; \({d}_{0}\) stellt den Durchmesser des Kanals dar, m.

Im zweiten Bauabschnitt wird Frischluft durch einen Axialventilator in beide Richtungen von der Ventiduct-Mündung zur Ortsbrust gedrückt, um die schädlichen Gase zu verdünnen. Der verunreinigte Luftstrom wird schließlich aus dem Schrägschacht abgeleitet. Der Luftstrom und die Schadgasdiffusion unterscheiden sich jedoch von denen in einem Einzeltunnellüftungssystem, da der Luftstrom in zwei Richtungen am Übergangsbereich von Schrägschacht und Tunnel zusammenfließt. In dieser Arbeit wurden fünf Arbeitsbedingungen zur Analyse ausgewählt, um die Migration von CO in Hochgebirgstunneln durch Schrägschächte möglichst umfassend zu untersuchen. Fall 1: In beiden Richtungen des Tunnels werden Bohr- und Sprengarbeiten durchgeführt, und die Ventilatoren in beiden Richtungen arbeiten gleichzeitig. Fall 2: Nur der linke Tunnel führt Bohr- und Sprengarbeiten durch, die Ventilatoren in beiden Richtungen arbeiten jedoch gleichzeitig. Fall 3: Nur der rechte Tunnel führt Bohr- und Sprengarbeiten durch, die Ventilatoren in beiden Richtungen arbeiten jedoch gleichzeitig. Fall 4: Nur der linke Tunnel führt Bohr- und Sprengarbeiten durch und der Ventilator in dieser Richtung arbeitet. Fall 5: Nur der rechte Tunnel führt Bohr- und Sprengarbeiten durch und der Ventilator in dieser Richtung arbeitet.

Gemäß Chinas nationalem Code „Sicherheitsvorschriften für Sprengungen“ sollte nach Sprengarbeiten für eine angemessene Belüftung gesorgt werden. Dem Baupersonal wird der Zutritt zur Sprengstelle erst dann gestattet, wenn sichergestellt ist, dass die Luftqualität der unterirdischen Sprengstelle zertifiziert ist, die Belüftung ausreichend ist und die Wartezeit mehr als 15 Minuten beträgt. Daher wird in dieser Arbeit hauptsächlich die Atemhöhe y = 1,5 m als Forschungsebene zur Analyse der Strömungsfeldverteilung und der CO-Konzentrationsverteilung im Tunnel verwendet.

Die Belüftung auf beiden Seiten ist nicht völlig symmetrisch, da der geneigte Schacht den Tunnel nicht vertikal schneidet. Daher sollte die Belüftung des linken und rechten Tunnels bei getrenntem Bau analysiert und mit der Belüftung bei gleichzeitigem Bau verglichen werden. Die Verteilung des Luftströmungsfeldes im Tunnel ist in Abb. 4a dargestellt.

Luftströmungsfeld der Tunnelregion.

Für die fünf oben aufgeführten Baubedingungen gibt es nur drei Lüftungsströmungsfelder. Zu Untersuchungs- und Diskussionszwecken kann jede Art von Belüftungsströmungsfeld in einen Tunnelbereich und einen geneigten Schachtbereich unterteilt werden, wie in Abb. 1 dargestellt.

Wie in Abb. 4b dargestellt, zeigten sich die typischen Eigenschaften von Wandstrahlen in der Nähe der Ortsbrust. Der Strömungsentwicklungsbereich weitete sich vom Auslass des Luftkanals aus allmählich aus und die Umgebungsluft wurde in die Strahlströmung hineingezogen. Bei der Kollision mit der Ortsbrust im Tunnel bewegte sich die Strahlströmung aufgrund der Verstopfung der Ortsbrust in die entgegengesetzte Richtung und bildete so einen Rückstaubereich. Aufgrund der Mitreißwirkung des Hochgeschwindigkeitsstrahls würde dieser die Luft mit niedriger Geschwindigkeit um ihn herum mitreißen, was zur Bildung eines Wirbelbereichs zwischen der Ventiduct-Mündung und der Arbeitsfläche führen würde. Auch der Rückfluss wäre in diesem Bereich betroffen. Durch die Wirbelbewegung der Partikel im Wirbelbereich würde die Diffusion der Schadstoffe behindert. Wenn der Abstand zwischen der Ortsbrust und der Ventiduct-Mündung 35 m überschritt, saugte die Jet-Strömung die Umgebungsluft nicht mehr an. Und der Gesamtluftstrom tendiert dazu, stabil zu sein, wenn der Abstand von der Ortsbrust zunimmt. Dies steht im Einklang mit der vorherigen Forschung40.

Um die Variation der flächendurchschnittlichen Windgeschwindigkeit mit der Entfernung direkter zu analysieren, wurden 17 Abschnitte gleichmäßig alle 10 m entlang des linken und rechten Tunnels erstellt. Die Flüssigkeitsviskosität wandelte kinetische Energie in innere Energie um, was zu einer allmählichen Abnahme der Windgeschwindigkeit mit der Entfernung führte, die in 70 m Entfernung von der Ortsbrust auf etwa 0,40 m/s abfiel, wie in Abb. 4c dargestellt. Die beiden durchschnittlichen Windgeschwindigkeitskurven waren im Wesentlichen identisch, was darauf hindeutet, dass die Simulation zuverlässig war.

Die größte Variation zwischen den drei Lüftungsströmungsfeldern besteht im geneigten Schachtbereich aufgrund der unterschiedlichen Öffnungsbedingungen der Ventilatoren im linken und rechten Tunnel.

Wenn die Ventilatoren des linken und rechten Tunnels gleichzeitig eingeschaltet werden, kann das Belüftungsströmungsfeld im geneigten Schachtbereich in vier Bereiche unterteilt werden: den Zusammenflussbereich, den Wirbelbereich, den Muti-Richtungsbereich und den stabilen Bereich. Das Strömungsfeld im geneigten Schachtbereich ist in Abb. 5a dargestellt, und es können folgende Schlussfolgerungen gezogen werden: (1) Aufgrund der geringen Geschwindigkeit des Strömungsfeldes bildete sich am Zusammenfluss von geneigtem Schacht und Schacht kein sichtbarer Wirbel Tunnel, aber es gab eine deutliche Trennlinie, als die linken und rechten entgegengesetzten Luftströme zusammenliefen. Es wurde im Diagramm durch rote Striche unterteilt. (2) Als sich der Luftstrom in Richtung des geneigten Schachts bewegte, trennte er sich von der Seitenwand und bildete eine dreieckige Wirbelzone mit niedriger Geschwindigkeit. (3) Das Luftvolumen war in beide Richtungen gleich, wenn die beiden Lüfter die gleiche Leistung aufrechterhielten. Allerdings war die Breite des Luftstroms, der vom linken Tunnel in den geneigten Schacht eindrang, etwas kleiner als der vom rechten Tunnel. Es wurde davon ausgegangen, dass der Winkel zwischen dem linken Tunnel und dem geneigten Schacht ein spitzer Winkel war, weshalb die Impulsänderung des linken Luftstroms in den geneigten Schacht größer war als die des rechten Luftstroms. Daher war der Energieverlust des linken Luftstroms größer als der des rechten Luftstroms. (4) Die Luftströmungsrate nahm zu, als sie vom Tunnel in den geneigten Schacht gelangte. Der Grund dafür war, dass die Fläche des geneigten Schachtabschnitts kleiner war als die des Tunnelabschnitts. Bei konstantem Luftstromvolumen verringerte sich die Querschnittsfläche und die Geschwindigkeit nahm zu. In Kombination mit Schlussfolgerung 2 war die Geschwindigkeitsanstiegsamplitude des linken Luftstroms größer als die des rechten Luftstroms, was mit dem Geschwindigkeitsverteilungsbild übereinstimmte. (5) Darüber hinaus war es erwähnenswert, dass sich auf der linken Seite des geneigten Schachts eine Lüftungs-Totzone mit einer Länge von etwa 24,6 m befand, wo der Hauptstrom von der Wand getrennt wurde und eine Wirbelzone zwischen dem Hauptstrom entstand Strömung und Wand aufgrund der Trägheitswirkung. Die Wirbelzone verstärkte die Turbulenz der Flüssigkeit. In der Zwischenzeit würde der Stoffaustausch zwischen der Wirbelregion und der Hauptstromregion weitergehen und die sich bewegenden Partikel des Wirbels würden vom Hauptstrom stromabwärts getragen, was die Turbulenzintensität des Hauptstroms in einem bestimmten Bereich des stromabwärtigen Bereichs intensiviert und die Turbulenz weiter erhöht Energieverlust. (6) Der ungünstige Druckgradient entstand als Folge der Grenzschichtablösung, was dazu führte, dass sich der Luftstrom auf die linke Seite des geneigten Schachts bewegte. Der Wirbelbereich verschwand, als der Luftstrom die linke Wand des geneigten Schachts erreichte. Als der Luftstrom durch die linke Wand des geneigten Schachts blockiert wurde, verlagerte er sich auf die rechte Seite und kreuzte sich erneut mit dem Hauptstrom entlang des geneigten Schachts, wodurch ein multidirektionaler Bereich mit einer Länge von etwa 52,4 m entstand.

Luftströmungsfeld des geneigten Schachtbereichs.

Wenn nur der Ventilator des linken Tunnels eingeschaltet war, ist das Strömungsfeld im geneigten Schachtbereich in Abb. 5b dargestellt, und es können folgende Schlussfolgerungen gezogen werden: (1) Die Abschnittsbreite des Tunnels war größer als die des geneigter Schaft. Wenn sich der Luftstrom im linken Tunnel zum geneigten Schacht bewegte, würde ein Teil des Luftstroms daher von der Wand des rechten Tunnels blockiert werden und im rechten Tunnel einen Wirbelbereich erzeugen. (2) Ähnlich wie bei gleichzeitigem Einschalten des linken und rechten Lüfters würde sich auf der linken Seite des geneigten Schachts eine Lüftungs-Totzone bilden. (3) Da das Luftvolumen eines einzelnen Lüfters geringer war als das von zwei Lüftern, wurde die Luftgeschwindigkeitszunahme nach dem Eintritt des Luftstroms in den geneigten Schacht stark verringert, und der Gesamtluftstrom war tendenziell schneller stabil. Allerdings war auch der ungünstige Druckgradient gering, wodurch der Wirbelbereich länger wurde als in Abb. 5a dargestellt.

Wenn nur der Ventilator des rechten Tunnels eingeschaltet war, ist das Strömungsfeld im geneigten Schachtbereich in Abb. 5c dargestellt, und es können folgende Schlussfolgerungen gezogen werden: (1) Ähnlich dem Fall, wenn nur der Ventilator des linken Tunnels eingeschaltet war Wenn die Luftströmung eingeschaltet war, wurde ein Teil des Luftstroms von der Wand des linken Tunnels blockiert und erzeugte einen Wirbelbereich im linken Tunnel, wenn der Luftstrom im rechten Tunnel zum geneigten Schacht wanderte. (2) Der Winkel zwischen dem rechten Tunnel und dem geneigten Schacht war stumpf. Dadurch gelangte der Luftstrom gleichmäßiger in den geneigten Schacht. Da es außerdem keine Trennung zwischen Luftstrom und Wand gab, gab es im geneigten Schacht keinen wahrnehmbaren Wirbelbereich. (3) Der gesamte Luftstrom im geneigten Schacht blieb stabil, ohne Anzeichen einer Geschwindigkeitsgradientenschichtung.

Die Verteilung des Luftströmungsfeldes hat einen erheblichen Einfluss auf die Verteilung des CO-Konzentrationsfeldes. Der Migrationsprozess ist jedoch dynamisch und komplex. Es ist schwierig, das CO-Verteilungsgesetz über die Zeit allein durch die Analyse des Luftströmungsfelds zu ermitteln. Daher ist eine weitere Diskussion des CO-Konzentrationsfeldes erforderlich.

Die CO-Verteilung über die Zeit von Fall 1 ist in Abb. 6 dargestellt. Folgende Schlussfolgerungen können gezogen werden: (1) Nach einer Belüftung von 150 s wanderte das CO in Richtung des Ausgangs des geneigten Schachts und zeigte den Kopplungseffekt von Migration und Diffusion . Währenddessen verformte sich die CO-Zone unter der Wirkung der Luftströmung allmählich und verlängerte sich kontinuierlich im Tunnelbereich, in dem ein CO-Konzentrationspeak festgestellt werden konnte. Außerdem gelangte ein Teil des CO im linken Tunnel zunächst in den geneigten Schacht und dehnte sich dann zu einem schmalen Streifen aus, wobei die erweiterte Länge größer war als die des rechten Tunnels. (2) Nach 300-sekündiger Belüftung wurde das CO in der Nähe der Ortsbrust wirksam verdünnt. Unter der Wirkung des Strömungsfeldes im Zusammenflussbereich konnte eine klare Grenze zwischen den Luftmassen gefunden werden. Beachten Sie, dass das CO noch nicht in die dreieckige Wirbelzone diffundiert war. Darüber hinaus vermischte sich der Luftstrom in beide Richtungen im Wirbelbereich des geneigten Schachtes vollständig und bildete einen Konzentrationspeak. Das CO diffundierte nach und nach in die Lüftungstotzone auf der linken Seite des Schrägschachts. Darüber hinaus zeigte sich, dass das CO im Mehrrichtungsbereich der geneigten Welle eine wellenförmige Form aufweist. Und das CO wurde mit zunehmender Belüftungsentfernung allmählich gleichmäßiger verteilt. (3) Nach einer Belüftung von 450 s hatte der Spitzenwert des CO-Massenanteils den Auslass des Schrägschachts erreicht. Aufgrund des Einflusses der Lüftungstotzone auf der linken Seite des Schrägschachtes trat der Konzentrationspeak jedoch auch in diesem Bereich auf. (4) Nach einer Belüftung von 600 s bliebe das CO in der dreieckigen Wirbelzone und der Belüftungstotzone auf der linken Seite des geneigten Schachts und der Konzentrationspeak würde in der dreieckigen Wirbelzone auftreten. (5) Nach einer Belüftung von 750 s und 900 s betrug der Spitzenwert des CO-Massenanteils 157 mg/m3 bzw. 51 mg/m3, was nicht der Grenzkonzentrationsnorm von 30 mg/m3 entsprach. Dies könnte durch den kombinierten Effekt der großen Höhe und der Wirbelzone verursacht werden. Allerdings ist es Bauarbeitern gestattet, die Ortsbrust für einen begrenzten Zeitraum zu besichtigen. Die obigen Schlussfolgerungen stimmen mit der Analyse des Luftströmungsfelds überein.

CO-Verteilung von Fall 1.

Aufgrund des tatsächlichen Zeitplans für den Tunnelbau kommt es vor, dass in einem bestimmten Zeitraum nur eine Richtung der Tunnelbrust ausgehoben wird. Wenn das Strömungsfeld unverändert bleibt, erzeugen unterschiedliche Anfangsverteilungen von CO unterschiedliche Variationen im Konzentrationsfeld.

Die CO-Verteilung über die Zeit von Fall 2 ist in Abb. 7 dargestellt. Die folgenden Schlussfolgerungen können gezogen werden: (1) Im Zusammenfluss-, Wirbel- und Mehrrichtungsbereich des geneigten Schachts wurde CO auf der linken Seite des Schachts verteilt geneigter Schaft. Dies deutete darauf hin, dass der Luftstrom aus dem rechten Tunnel die Diffusion von CO in den rechten Tunnel wirksam verhindern konnte. (2) Nach einer Belüftung von 450 s und 600 s trat die Spitzenkonzentration immer in der Belüftungstotzone auf der linken Seite des geneigten Schachts auf. CO würde sich in diesem Bereich über längere Zeit ansammeln. Da der Hochgeschwindigkeitsluftstrom auf der rechten Seite des geneigten Schachts nicht vollständig genutzt wurde, wurde die Belüftungseffizienz des gesamten Bereichs verringert. (3) Nach 750 s langer Belüftung trat der Konzentrationspeak im dreieckigen Wirbelbereich auf. Und nach 900-sekündiger Belüftung betrug die Spitzenkonzentration 28 mg/m3, was den sicheren Konzentrationsstandard von 30 mg/m3 erreichte. (4) Der Wert war keine einfache Mehrfachbeziehung im Vergleich zum Spitzenwert der Konzentration nach vollständiger Vermischung des Luftstroms in beide Richtungen. Dies wurde hauptsächlich durch die Wirbelregion und die Geschwindigkeitsgradientenverteilung beeinflusst.

CO-Verteilung von Fall 2.

Die CO-Verteilung im Zeitverlauf von Fall 3 ist in Abb. 8 dargestellt. Daraus lassen sich folgende Schlussfolgerungen ziehen: (1) Nach 150 s Belüftung war der Konzentrationspeak des rechten Tunnels größer als der von Fall 2. Dies war größtenteils darauf zurückzuführen Dies ist darauf zurückzuführen, dass der Luftstrom aus dem rechten Tunnel über einen großen Bereich in den geneigten Schacht eindrang, was zu einer langsamen Strömungsgeschwindigkeit führte und die CO-Konzentration im Tunnelbereich höher war. (2) Ähnlich wie in Fall 2 konnte der Luftstrom aus dem linken Tunnel wirksam verhindern, dass CO in den linken Tunnel und in die Lüftungstotzone auf der linken Seite des Schrägschachts diffundiert. Der Unterschied bestand darin, dass in der multidirektionalen Zone das CO allmählich gleichmäßig im geneigten Schacht verteilt wurde. (3) Nach einer Belüftung von 450 s und 600 s waren die Konzentrationsspitzen kleiner als in Fall 2. Dies war auf die hohe Luftströmungsgeschwindigkeit auf der rechten Seite des geneigten Schachts zurückzuführen. (4) Obwohl die Spitzenkonzentration nach 750-sekündiger Belüftung im Dreieckswirbelbereich auftrat und der Wert etwas höher war als im Fall 2, betrug die Spitzenkonzentration nach 900-sekündiger Belüftung 23 mg/m3 und war damit deutlich niedriger als bei Fall 2 und erreichte auch den Sicherheitskonzentrationsstandard von 30 mg/m3. Das Verhältnis des Spitzenkonzentrationsdifferenzwerts zum größeren Konzentrationswert wurde zur Berechnung der Änderung der Belüftungseffizienz verwendet. Es zeigte sich, dass die Gesamtlüftungseffizienz im Vergleich zu Fall 2 um 18 % gesteigert wurde.

CO-Verteilung von Fall 3.

Beträgt die Ausbruchstrecke des Tunnels weniger als 200 m, ist das gesamte Baupersonal im Tunnelbereich zu evakuieren. Wenn nur eine Ortsbrust für den Aushub vorhanden ist, wird zur Energieeinsparung nur der Ventilator in dieser Richtung eingeschaltet, während die Ventilatoren in der Gegenrichtung nicht eingeschaltet sind. Die zeitliche CO-Verteilung des Falles 4 ist in Abb. 9 dargestellt. Daraus lassen sich folgende Schlussfolgerungen ziehen: (1) Nach einer Belüftung von 150 s und 300 s wurde der geneigte Schachtabschnitt vollständig zur Belüftung genutzt. Aufgrund der Trägheit würde sich CO zunächst in der Nähe der rechten Wand des geneigten Schachts befinden und dann in die tote Belüftungszone auf der linken Seite des geneigten Schachts diffundieren. (2) Nach einer Belüftung von 450 s trat ein großer Bereich mit hoher Konzentration auf, und die Spitzenkonzentration war größer als in den vorherigen drei Fällen, was darauf zurückzuführen ist, dass die durchschnittliche Windgeschwindigkeit des geneigten Schachtabschnitts unter dem Betrieb von a kleiner wurde einzelner Lüfter. In der Zwischenzeit würde CO allmählich beginnen, sich in den richtigen Tunnel zu bewegen. (3) Aufgrund der geringen Windgeschwindigkeit verteilte sich CO schräg entlang der Seitenwand in der Nähe des geneigten Schachts, und der Diffusionsbereich im rechten Tunnel änderte sich nicht wesentlich.

CO-Verteilung von Fall 4.

Die CO-Verteilung im Zeitverlauf von Fall 5 ist in Abb. 10 dargestellt. Daraus lassen sich folgende Schlussfolgerungen ziehen: (1) Nach 300 s Belüftung war CO in den linken Tunnel diffundiert. Es wurde davon ausgegangen, dass die Geschwindigkeitsverteilung relativ durchschnittlich war, wenn der Wind nur aus dem rechten Tunnel kam. Bei der Wanderung zum geneigten Schacht würde sich CO nicht in einem schmalen Streifen verteilen, wodurch mehr CO in den linken Tunnel diffundieren würde. (2) Aufgrund der Bildung eines Wirbelbereichs im linken Tunnel würde sich im linken Tunnel ein offensichtlicher Konzentrationsspitzenbereich bilden. (3) Nach einer Belüftung von 750 s und 900 s betrug der Spitzenwert des CO-Massenanteils 219 mg/m3 und 193 mg/m3, was nicht der Grenzkonzentrationsnorm von 30 mg/m3 entsprach. (4) Im Vergleich zu Fall 4 war die maximale CO-Konzentration höher, der Verteilungsbereich größer und die Belüftungszeit länger. Um diesen Zustand zu lindern und die Lüftungseffizienz zu steigern, sollten Sie die Installation eines Strahlventilators oder eines Luftschleiers in Betracht ziehen.

CO-Verteilung von Fall 5.

Bevor in die entgegengesetzte Richtung zum Bauen zurückgekehrt wird, sollte zunächst der Ventilator zur Belüftung eingeschaltet werden. Am Beispiel von Fall 4 bewegte sich CO nach 600 Sekunden Belüftung gerade vom linken Tunnel in den rechten Tunnel, wie in Abb. 9 dargestellt. In diesem Moment wurden die Ventilatoren in beiden Richtungen gleichzeitig zur Belüftung aktiviert, um die Diffusion von CO zu verhindern in die andere Richtung. In den nächsten 300 s wurde die Belüftungswirkung simuliert und mit Fall 2 verglichen.

Die CO-Verteilung über die Zeit eines zweistufigen Belüftungsschemas ist in Abb. 11 dargestellt. Nach einer Belüftung von 750 s und 900 s betrug der Spitzenwert des CO-Massenanteils 59,6 mg/m3 bzw. 20 mg/m3 und lag damit niedriger als die von Fall 2 und erreichte auch den Sicherheitskonzentrationsstandard von 30 mg/m3. Unter der Annahme, dass die Leistung aller Ventilatoren gleich ist, wird das Produkt aus Leistung und Lüftungszeit zur Darstellung des Energieverbrauchs herangezogen. Und das Verhältnis des Energieverbrauchsdifferenzwerts zum größeren Energieverbrauchswert wird zur Berechnung der Energieverbrauchsänderung verwendet. Im Vergleich zu Fall 2 konnte die Lüftungseffizienz um 28,5 % gesteigert und der Energieverbrauch um mindestens 33 % gesenkt werden.

CO-Verteilung eines zweistufigen Lüftungsschemas.

Daher wurde beim Bau einer einzelnen Ortsbrust ein zweistufiges Belüftungskonzept vorgeschlagen. Schalten Sie zunächst den Ventilator in Richtung der Ortsbrust ein. Und dann schalten Sie die Lüfter gleichzeitig in beide Richtungen ein. Dieses Lüftungskonzept hat das Potenzial, den Energieverbrauch zu senken.

Die Eigenschaften des Luftströmungsfelds und des CO-Konzentrationsfelds in einem Hochgebirgstunnel mit geneigtem Schacht wurden hauptsächlich durch ein dreidimensionales numerisches Modell analysiert. Es wurden die Auswirkungen unterschiedlicher Ventilatoröffnungsmodi und unterschiedlicher anfänglicher CO-Konzentrationsverteilungen auf die Belüftung diskutiert. Außerdem wurde ein neues optimiertes Lüftungsschema vorgeschlagen, um die Lüftungseffizienz zu verbessern und den Energieverbrauch zu senken. Im Folgenden sind die wichtigsten Schlussfolgerungen aufgeführt.

Der Hauptunterschied im Belüftungswindfeld spiegelte sich in der Position der Wirbelregion wider, die in direktem Zusammenhang mit der Belüftungseffizienz stand. Die Wirbelregion führte dazu, dass CO über einen längeren Zeitraum verblieb und der Energieverbrauch stieg.

Verschiedene anfängliche CO-Konzentrationsverteilungen zeigten unterschiedliche Migrationen, wenn zwei Abbauflächen gleichzeitig im Bau waren. Beim Bau einer einzelnen Ortsbrust konnte die CO-Konzentration nach 15-minütiger Belüftung den sicheren Wert erreichen. Durch die Eliminierung von Wirbelzonen und die vollständige Nutzung des Hochgeschwindigkeitsluftstroms des geneigten Schachts könnte die relative Belüftungseffizienz um mindestens 18 % verbessert werden.

Die Verteilung der CO-Konzentration würde sich aufgrund unterschiedlicher Ventilatoröffnungsmodi ändern. Da sich nur eine der Arbeitsflächen im Bau befand und der Ventilator in dieser Richtung eingeschaltet war, diffundierte das CO in die andere Richtung in den Tunnel und bildete einen Bereich mit hohen Konzentrationsspitzen.

Das zweistufige Belüftungsschema sollte übernommen werden, wenn nur eine der Abbauflächen im Bau war. Die Lüftungseffizienz wurde um 28,5 % gesteigert und der Energieverbrauch um mindestens 33 % gesenkt.

Die Auswirkungen von Höhe, Lüftungstechnik, Bauweise und Luftkanalanordnung auf die Lüftung sollten für die zukünftige Studie vollständig untersucht werden. Gleichzeitig wurde in dieser Arbeit vor allem die numerische Simulation als Forschungsmethode genutzt. Die Sinnhaftigkeit der numerischen Simulation soll in den nächsten Schritten, etwa durch Vor-Ort-Überwachung, Modellversuche usw., genauer nachgewiesen werden.

Die während der aktuellen Studie generierten und/oder analysierten Datensätze sind nicht öffentlich verfügbar, können aber auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor angefordert werden.

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Diese Arbeit wurde von der National Natural Science Foundation of China unterstützt (Grant-Nr.: 52168055; 51478118); Guangxi Natural Science Foundation (Fördernummer: 2018GXNSFDA138009).

Hochschule für Bauingenieurwesen und Architektur, Guangxi-Universität, 100 University Road, Nanning, 530004, Guangxi, China

Bo Wu, Rui Zhao, Guowang Meng, Shixiang Xu, Weixing Qiu und Huihao Chen

Fakultät für Bau- und Architekturingenieurwesen, East China University of Technology, Nanchang, 330013, Jiangxi, China

Bo Wu

School of Architectural Engineering, Guangzhou City Construction College, Guangzhou, 510925, Guangdong, China

Bo Wu

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BW: Datenkuration, Methodik, Supervision. RZ: Konzeptualisierung, Methodik, Software, formale Analyse, Schreiben – Originalentwurf. GM: Konzeptualisierung. SX, WQ und HC: Untersuchung.

Korrespondenz mit Rui Zhao.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Wu, B., Zhao, R., Meng, G. et al. Eine numerische Studie zur CO-Migration nach Sprengungen in einem Hochgebirgstunnel durch einen geneigten Schacht. Sci Rep 12, 14696 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-18995-y

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Eingegangen: 18. Mai 2022

Angenommen: 23. August 2022

Veröffentlicht: 29. August 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-18995-y

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