Введение к работе
Во введении обосновывается актуальность темы и дается .
В.первой главе освещено состояние вопроса и сформулированы задачи диссертационной работы.Праведен обзор работ отечественных и зарубежных авторов,посвященных проблемам состояния воздушной среда и вентиляции автодорожных товнелей»построеняых у нас в стране и за рубежом с описанием схем вентиляции в них.
Обеспечение искусственного перемещения воздуха по всему о'бъему тоннеля с пелью поддержания нормируемых санитарно-гигиенических условий воздушной.среда является основной задачей, вентиляция.
Исследования советских ученых в области вентиляции тоннелей базируются, на доследованиях ,Г.Н. Абрамовича и получили дальнейшее развитие в работах М.Й.Дандурова,И,Н.Шаі,!ЄЛиеа и В.П.Волкова,А.Дандурова, В.Я.Цодикова,А,Х.Цолякова,А.М.Листова,М.В,Иевлева,А.С.Барского,В.И. ^лвичева,Л.В.Маковокого,И.Л.Ганеса,З.А.Кшковского,А.Г.Яі!шуля,В.В.Ско-бунова,С.Г.Гендлера,С.В.Мачарашвшш,А.Д,ВассермаНа и др.
Основополагающие работы, в области вентиляции подземных горных выработок были выполнена, известными отечественными учеными:Ф.А.Абрамо-вым,В.А.Еоко,В.}ЬВоррниньтл,И.Е.1^ел1-тком,Г.В.Калабиным,Ф.С«Клеба-Новнм,В.Б,Комаровшл,А.Й.Ксенофонтовой,И.И.МедвеД9внм,П.И.^устелеМі А.А.окотанскйМ,К.З.Ушаковым и др.
' . Важные научные исследования в области аэродинамики и вентиляции. автодорожных тоннелей были проведены рядом зарубежных ученых.Среди' них следует отметить работы Т.Бабн,Л.-Бутлера,Б.Даймана,Х.Охаши, Р.Шнтера,К.Пучера,Б.Пэрсал,та,О.Сингйтада й др. ''.'
Изучены многие вопроса, связанные о продольно-струйной системой вентиляции и создана методика ее расчета{известнн?. отдельные работы по исследованию продольно-поперечной и поперечной схем вентиляция , , решались некоторые проблемы ..связанные''о естественной вентиляцией. Однако ряд вощюсбв да настешщего времени остался неизучен. ;
Традшшотша погода расчета вентиляции не учитывают в полном объеме многих факторов и процессов,происходящих в тоннелях,таких как воздействие ветрового напора,поршневого афректа и других естественных факторов, влияющих на проветривание тоинедей,а также процессов взаимодей-, ствия струй и изменения давлений од/дшшетоннаяя, что приводит либо к повышенным конщ нтрашмм вредностей и ухудшению условий труда,либо к перерасходу капитальных и эксплуатационных затрат,
В первой главе дается подробное описание и анализ эйективносга работы каздой схемы вентиляцій тоннеля,
В нашей стране наиболее распространенной является щвдольно-шше-рэчная схема вентиляций,по которсл. проветривается 55% действующих тоннелей.Ь то же время остались надо изученными следующие вопроси:
выбор наиоолаа элективного типа продольно-поперечной схемы вентиляции /приточная,вытяжная или комбинированная/;
влияние естественных факторов на проветривание тоннелей,в особенности ветровых нагрузок;
выбор наиболее аффективного способа подачи приточного воздуха в тоннель при продольно-поперечной приточной схеме вентиляции /нижний, верхний или боковой/;
не разработана методика расчета воздуховодов равномерной раздачи с учето* специфики движения воздушных потоков в транспортной зоне тоннеля.
При работа традиционней продольно-поперечной приточной схемы; приточные струи "экранируют",создают эффект воздушных завес для,транзитной струи,образованной как естественными факторами,так и самими приточными струями.Таким образом,эта схема нуждается в ровериенотвованш Чтобы решить поставленную задачу,необходимо изучить закономерности развития струи в поперечном потоке.Аналогичные вопросы решались в ку) се гидродинамики рядом советских и зарубежных ученых.Здесь необходим упомянуть о теоретических работах Г.Н.Абрамовича,Т.А.Гирпювич.Е.А.Га ева.В.В.іЗлобина.Е.Б.Бруяцкого и экспер;. генгальных работах Ю.В.Иванов Х.Н.Суя,Г.С.ЩандороваД'.Ф.Кефера и др.
Изучение, закономерности развития струй в поперечном потоке возводи повысить зеррективность использования приточных струй для разбавления вредностей по всему сечению тоннеля за счет совершенствования методо расчета по определению углов подачи приточного воздуха.размеров приточных отверстий и шага между ними.
Таким образом,анализ состояния вопроса по эксплуатации автодорогой тоннелей,схемам и способам вентиляции определяет задача диссертациоі ной работы и приводит к следующим выводам:
существующие методы расчета вентиляции,не учитывайте в полной мере влияние естественных факторов ва вентиляцию тоннелей,требуют усовершенствованияj
продольна-поперечная схема вентиляции нуждается в совершенство-
вании как с точка зрения способов подачи свежего воздуха й тоннель, гак и с точки зрения наиболее эффективного использования приточных струй для равномерного разбавления вредностей по всему сечению тоннеля}
при экспериментальном исследовании процессов проветривания автодорожных тоннелей, а также изучена* различных способов подачи приточного воздуха, и взаимодействия струй в тоннеле целесообразно применить Метод з^эиближённого физического Моделирования;
существующий метод расчета воздуховодов равномерной раздачи не применим для тоннелей и в результате не обеспечивает равномерности раздачи воздуха по всей его длине.
Во второй глава, приведены теоретические исследования продольно-поперечной схемы вентиляция тоннелей о учетом естественных факторов и движения транспортних средств.
Исходя из принципа Далймбера-Лагранжа и уравнения Дарси-Вейсбаха для движения воздуха в канале, а такяэ из условия неразрывности потока, были получены раочетныэ зависимости для определешш расхода воздуха в тоннеле,вызванного поршневым эффектом движущегося автотранспорта в тоннелях с односторонним и двусторонним движением. В тоннелях с односторонним движением транспорта количество воздуха, участвующего в воздухообмене,вызванного движущимся транспортом,зависит от скорости,интенсивности и лобового сопротивления транспортам тамй от площади сечения и аэродинамического сопротивления тоннеля и определяется по формуле:
ЙЙ.)*н
при двустороннем, движении транспорта!
N
Lr=
сасема
Исходя из требований СНиП 11-44-78 по ограничению скоростей движе
ния воздуха в тоннеле,а.также используя зависимость для расчета пор
шневого эффекта в тоннелях о одаосторставм движением, били оценены об
ласти применения различных схем вентиляции в тоннелях с односторонним
и деуі/горонням движением,Сопоставлены с 300-ми эксплуатируемыми в ми
ре автодорожными, тоннелями и удовлетворительно /70^/0 ними согласу- .
ются: . - .
двустороннее движение
одностороннее движение учипло подпс щтршя
естественная продольная продольно-поперечная . поперечная
0+400
ЇООі-1050
1050*1500
1500+с
0+450
450+1150
1150+1600
1600+СЮ
0+500
500+1150
1150+1600
1600*00
0+500,
500+1150
1150+1600
1600+ОО
0+140/160/ ,
140+650/1100/,
650+1325/2210/
І325+00
Исходя из основного уравнения гидростатики для несжимаемой жидкости я закона Паскаля,получены теоретические зависимости-для расчета воздухообмена в тоннелях іїри продольно-поперечных схемах с учетом ветрового давления,поршневого эффекта,перепада плотностей воздуха,включая перепад высотных отмоток,справедливость которых подтверждена результатами натурных испытаний на Рлкогском автодорожном тоннеле.
Сценка йъфектившсти различных способов ' родольно-поперечной схемы вентиляции осуществляется при пошті коэч' г.ициента воздухообмена К, который определяется как отношение концентрации вредностей в уходящем из тоннеля воздухе к їлаксимашюіі концентрации вредностей в тоннеле. Чем выше этот кооффициент.тем селективнее работает система вентиляции
Так как при продольно-поперечной приточной схеме вентиляции Кс=1, а в случав витджной и комбинированной схем Kc Разработаны методики расчета воздуховодов равномерной раздачи в ав тодорожныи тоннель как с односторонним,так и с двусторонним движением транспорта.Предложенные методы расчета позволяют,во-первых,учесть,что на равномерность раздачи воздуха в тоннель существенное влияние оказывает изменение статического давления не только.по длине воздуховода,но и по длине тоішеля;во-вторих,наііти местоположение отверстия с максимальным сечением и.задаваясь его размерами,вычислить площади всех отверстий,а также средние скорости воздуха в них. Иїирина отверстий в произвольном сечении воздуховода определяется по известной формуле: **~щтж . /3/ Статическое давление в центре приточного отверстия,находящегося на расстоянии х от первого для тоннеля с двусторонним движением транспортр можно' записать в виде: кчщиН^Шь Ф-ftW-» >:> Дм тоннеля с односторонним движением транспорта: ^цыч^ы^. *UU,^^)(LU*f Гілощадь сечения первого отверстия: tf-'-U 1\U. \2 :ра(-г\Г=^ где лГ-,^,, ,LT max/ Следует отметить, что мпнталыюиу значению статического давления зоответствует максимальная плошадь сечения отверстия,а на соотноше-іив размеров площадей отверстий влияет не абсолютная величина стати-іеского давления, а разность между статическими Давлениями в этих от-зерстиях» По предложенному методу была составлена программа для расчета на ЭВМ лС-1035.Алгоритм программы предусматривает определенна местоположения отверстия с.минимальным статическим давлением,т.е. с максимальнім сечением,а затем,яри задании его площади из соображений Минималь-w необходимой скорости для равномерного заполнения приточной струей гечения рабочей зоны тоннеля и возможностей строительных конструкций, определение площади первого и далее по формулам /4/,/5/ и /3/ послв-ювательно площадей всех остальных отверстий.Методика апробирована на іействующих автодорожных тоннелях. Спредвленн допустимые и оптимальные расстояния между приточными от-зерстиями при продольно-поперечной приточной схеме вентиляции и их ко-шчестэо: допустимые расстояния,а следовательно,и допустимое количество приютных отверстий т определяется исходя из требований нормативных дс-<ументов,а также из условий избежания влияния работа соседних отверстий друг на друга.Количествс- отверстий т^^ <.Ь/5ЬЪ гпт-л >Лгр5 оптимальное расстояние между отверстиями определяется из условия, ігоба приточная струя.подходя к последующему приточному отверстие /по зЛеднему/,после взаимодействия со сносящим штоком полностью раскры-іась и заполняла все сечение тоннеля.Это расстояние /или количество іриточньїх отверстий/ определяется геометрическими размерами тоннеля і расстоянием от плоскости выпуска приточных струй до дальней рабочей зоны тоннеля.Для тоннелей с односторонним движением транспорта коли-іество приточных отверстий: иія тоннелей с двусторонним движением:. Предложен способ подачи.приточного воздуха в автодорожный тоннель зри продольно-поперечной схеме нентиляпди.повггшщий эффективность' заботы схемы за счет оптимального воздухораспрэделения, заключающийся з том,что приточный воздух подается год углами к оси тоннел. ,язмэня-эщимиоя.по его длине,при котором: 'т в тоннелях с односторонним движением транспортных средств достига-этея эффект дополнительного эжектированля наружного воздуха и поддер-каная поршневого эффекта при равномерности заполнения приточннми стру-тащ всего сечения то.ннвля,когда: оси приточных струй после участка разворота окз.зывак,тся вблизи оса тоннеля; ,' 10 ! - в тоннелях с двусторонним движением предлагаемый способ сникает аз-і Получена теоретические зависимости для расчета предложенного способа вентиляции.Дія этого: - известные закономерности эжешщонной способности струй при работе /Ц/ - получена теоретическая зависимость для определения общего количества воздуха,участвующего в воздухообмене при продольно-поперечной приточной схеме вентиляции с учетом эзшкции и поршневого эффекта от одностороннего движения автотранспорта; ^т ZL-h Li|i. ш.\ где (jL^i-fjirjlacI^ ; 'Ь p івЕнг/zntff' , . В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований вопросов поршневого эффекта и продольно-поперечной схемы вентиляции. Основвы положеная моделирования аэродинамических процессов базируются на теории подобия М.В;Кирпичева;рььйм*ой М.А.Михеевым и А.А.ІУХ-ианом.Большой вклад в теории и практику моделирования вентиляционных проц. :сов внесли В.В.Батурад,Е.Б»Кудрявцев,А.М,Дистов,П.И.!«!устель, В,НЛ'алнев,Г.лМгна,8.М.Эльтерыан,Л,9.Клячуо -*. др.Во ВНИИГСе был накоплен опыт в области физического моделирования процессор вентиляци| ИД.ГагіесомД.С.Клячко.Л.Б.Уошнскої.Д.Г.алкулем.И.Д.Дещинской и др. Под научным руководством М.Л.Ганеса и при содействия А.Г.Шясуля»р.В. Никольского была достроена аэродинамическая модель модуля автодорожно го тоннеля длиной 8 метров с иштациеЯ двішущщся макетами двииения. транспорта и-выделения вредностей /см,рис.1/. : В третьей тілаве приведена методика физического моделирования, процес Получен новый критерий моделирования движения' автотранспорта в тон- . із б/ критерием сравнения эффективности способов подачи приточного воздуха явился график распределения отношений максимальней, локальной концентрации вредностеі- к предельно-допустимой/ї/" /Сдокіпо длине тон-неля,полученный в результате перемножения ординат графиков[С; /Цр/на (Up/LniK) по длине; в/ коэфф-циент эжекции линейно зависит от отношения скорости сносящего, потока в тоннеле к скорости приточной струи; г/ эффективность вентиляция в рабочем режиме для всех способов подачи воздуха выше,чем в аварийном,т.к. в рабочем режиме оольиое влияние на формирование воздушных потоков в тоннеле будет оказывать поршневой эффект и дополнительная турбулизация воздушных потоков движущимся транспортом,что обеспечивает лучшее перемешивание воздушных масс; д/ справедливы расчетные зависимости /11/,/12/я/13/ для определения эффекта эжекции и воздухообмена при подаче приточного воздуха под углом к оси тоннеля; е/ при сильном поршневом эффекте приьчные струн в случав продольно-поперечной схемы вентиляции могут создавать дополнительной сопротивление движению основного потока воздуха.Чем меньше угол подачи воздуха,тем меньше величина этого сопротивления; ж/ при одинаковых соо^чошешшх количества воздуха,вызванного поршневым эффектом,к расходу вентяляцаооного воздуха коэффициент эжекции остается величиной постоянной и на зависит от расхода приточного воздуха; з/ в результата взаимодействия попутных приточных струи с основной транзитной струей воздуха в тоннеле координаты приточных струй зависят от отношения скорости сносящего потока к скорости приточной струи,от угла подачи приточной струи и от места удаления струи от приточного отверстия.Получена эмпирическая зависимость для расчета координат оси приточной струи в сносящем потоке в тоннеле: і-(йПй,,Ч>-< Таким ооразом.в результате теоретических и экспериментальных исследований разработана методика расчета оптимальных углов подачи приточного воздуха в тоннель с односторонним и двусторонним движением транспортных средств.Чтобы оігределигь оптимальные углы, необходимо:первоначально задаваясь средним по длине тслпеля углом подачи приточного воздуха, определить суммарный воздухообмен в тоннеле с учетом эаекции по формулам /11/или/12/ для режима аварийной остановки транспорта,или/13/ для рабочего режима,а далее,учитывая,чтоlfvtH= (L"L8an +1-^)/^ определить углы-'/по зависимости /15/,из учета заполнения приточными струями всего сечения тоннеля/ подучи воздуха по длине тоннеля и в ко- ' нечном итоге пронер гь их соответствие в среднем углу, заданному налог первоначшіьно.В случае несоответствия задаться другим средним углом повторить расчет, подобрать оптдаальные углы.По этой методике рэзраг.о- 14 таны программы для расчета на ЭВМ, В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований влияния ветрового напора на проветривание тоннелей,проведенных на аэродинамической трубе Ленинградского кораблестроительного института.Для , этой цели в рабочую площадку аэродинамической трубы длиной 2300мм с ди-" амотром сопел 1750мм помещался экран,на котором.крепилась модель тоннеля' и прилегающей к нему местности,выполненная в масштабе 1:100 /см.рис.2/, Ветровые нагрузки могут їгак способствовать,так и противодействовать проветриванию тоннеля.Ставилась задача снизить нежелательное противодей-. ствие ветровых нагрузок проветриванию тоннеля. Ветровые нагрузки рассчитывают на основании данных о скорости ветра І'мги его направлении^ по формуле: где Ср-коэффициент ветрового давлення.В случае подводных автодорожных тоннелей его называют коэффициентом геометрии тоннеля и окружающего пространства. В случае горных тоннелей - коэффициентом формы горной гряды. Таким образом,на аэродинамической трубе экспериментально определялся коэффициент С .характеризующийся рельефом местности и оформлением.портала* . ІІо результатам экспериментальных исследований было выявлено,что: - коэффициент ветрового давления (L подводного тоннеля оказался меньше -.коэффициент Ср оказался для конкретного тоннеля близок к І.т.к.уклон подъездной дороги к тоннелю незначителен и верхняя отметка парапета над тоннелем находится выше уровня основного дорожного полотна,что отчасти препятствует проскальзыванию ветрового потока; ветровой поток попадает в тоннель за счет ветрового давления на обдуваемый /входящий/ портал и за счет эжектяровання у выходного портала; здания и сооружения,расположению над тоннелем,не оказала существенного влияния на аэродинамику потоков в конкретном тоннеле вследствие их значительного удаления.от порталов и гэкоторого смещения относительно проезжей части. Для уменьшения влияния ветровых нагрузок на проветривание тоннеля предлагались различные способы и конструкций ветровой защиты,однако,как показали экспериментальные исследования на аэродинамической трубе,не..', удалось достичь ожидаемой высокой эффективности их работы. В результате экспериментального сравнения четырех конструкций ветровой защиты был сделан вивод.Что наиболее эффективней из'них является' Конструкция рассекателя потока ЛИ,выполненная в виде 2 плоскостей,установленных под углом одна л другой;вершина рассекателя-расположена на-. йгречу ветровому потоку.Применение этой, конструкции позволило снизить коэффициент ветрового давления до зйачения С =0,782. ,. Эпюра давлений,полученная в ходе экспериментальных исследований етой кдуо/грукДйи,показала,что ветровой поток,проходящий в этом,случае по.тоннели'', принимается к верхней и боковым стенкам тоннеля.Визуальные наблюде- ния выявили,что часть воздуха у задуваемого портала эжектпруется снизу за конструкцией и уходит поверх тоннеля.У выходного порт'.яа воздух ажен-тируется сверху над топалем и создает подобие воздушной завесы для воз-дула, выходящего дз тоннеля* Следует отметать,что полученные результата справедливы для конкретного подводного..тоннеля И требуют дополнительных исследований применительно к другим тоннелям. Была выдвинута гипотеза,что небольшие изменения конструкции порталов могли бы привести к снижению влияния ветровых яагрузок на проветривание тоннеля.а совместно о конструкцией ветровой защиты а к определенному эффекту. Изменялась форма верха портала /над въездом в тоннель - наличие а отсутствие парапета/.Снятие парапета над порталом позволило значительно снизить коэффициент ветрового давления,г.к.часть ветрового потока проскальзывает над тоннелем, а не- затормаживается у парапета /парапзт мола» рассматривать как загекатель у тройника на проход/.Наибольший эффект был достигнут при снятии парапета и установке рассекателя потока ЛГИ. Итоговое значение коэффициента ветрового давленая QfJ в этом случае получалось равным 0,58,т.е.удалось почти в 2 раза снизить ветровое давление в тоннеле. . В пятой глава приводятся результаты натурных исследований систем вентиляции на девствующих тоннелях.С целья> проверки выдвинутых гяяотез,получанных теоретических зависимостей,а также сопоставления результатов лабораторных исследований бшш проведены натурные испытания на Рикотс-ком автодорожном тоннеле /Грузия/ и на Сусамырском тоннеле /Кыргызстан/. Результаты этих исследований показали,что; величина коэффициента ветрового давления в горных юннелях.как правило, больше 1,в то время как в подземных /подводных/ -меньше 1,т.к.склон горн задерживает ветровой ноток,который устремляется в тоннель.Аэродинамическая картина течении вблизи портала очень сложная и во многом определяется рельефом местности.На Ракотском тоннеле С =1,4;на Сусашреком Ср.4.7! справедливы полученные теоретические расчетные зависимости для расчета продольно-поперечной приточной,вытяжной и комбинированной схем вентиляции с учетом естественных факторов; по параметру распределения концентраций вредностей по длине Ракотско-го тоннеля был сделан вывод,что в рабочем режиме продольно-поперечная приточная схема предпочтительнее вытяжной и комбинированной схем; по коэффициенту качества,характеризующему распределен з концентраций вредностей по сечению тоннеля,сделан вывод,что наибольшая равномерность разбавления вредностей достигается при приточной схеме /верхняя раздача, воздуха/,что подтверждает хорошую эффективность ее работы.При витяяноп схеме повышенные концентрации монно ожидать в иикней и верхней зонах тоннеля,при комбинированной - в верхней зоно. В шестой главе приведена катоди-"...1 рьсчзта продольно-поперечно!', cxst.'u вентиляция и дано твхпйко-эконошческое обоснование диссертационных решений. Расчет производится по следующему плану: 1.Расчет требуемого количества воздуха для разбавления вредностей в тоннеле. . 2.Расчет естественной тяги. 3.Обоснование необходимости механической вентиляции и выбор схемы.. 4.Расчет схемы /продольно-поперечной приточной/ вентиляции. Б.Корректировочная оценка влияния ветровых нагрузок при выбранной схеме. Описываются алгоритмы программы для расчета на ЭВМ.
/4/
2f?
/5/
/6/ /7/
родинамическое сопротивление тоннеля при равномерности заполнения при
точными струшш всего сечения тоннеля»
вентиляторов-эжекторов в подэешшх выработках, выявленные Й.И.Медведе-
ъш и Т.Е.іукенюк,и работе системы Саккардо распространены на процес
сы продольно-поперечной вентиляции тоннелей в случав остановки транс
портами этом энергия приточных струй- используется для эжектирования
дополнительного объема воздуха:
сов вентиляции автодорожных тоннелей а рписанй аэродинамическая модел
тоннеля. ':.,-' .
1,т.к. часть ветрового потока проходит над подводным тоннелем;Похожие диссертации на Совершенствование воздухообмена и разработка метода расчета продольно-поперечной приточной схемы вентиляции автодорожных тоннелей с учетом естественных факторов
