[发明专利]特长公路隧道开式循环通风的分风比数极大值确定方法

摘要

本发明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。

主权项

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)：Q_ηωc＝ω_c·Q_η   (1)；式中，Q_ηωc为除尘器临界有效风量，m³/s；Q_η为流入除尘器的未净化循环风流风量，m³/s；ω_c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)：Q_η＝k·e·Q_r   (2)；式中，k为循环率，无量纲数；e为分风比数，无量纲数；Q_r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，δ_1c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；L_s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e_c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，e_c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e_c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；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，Q_VI为隧道烟尘流量，m²/s；q_VI为烟尘基准排放量，m²/(veh·km)；f_a(VI)为考虑烟尘的车况系数，无量纲数；f_d为车密度系数，无量纲数；f_h(VI)为考虑烟尘的海拔高度系数，无量纲；f_iv(VI)为考虑烟尘的纵坡‑车速系数，无量纲数；n_D为柴油车车型类别数，无量纲数；N_m为相应车型的交通量，veh/h；f_m(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；Q_r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)：Q_s＝(1‑e)·Q_r   (13)；式中，Q_s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；Q_η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)：Q_η＝k·e·Q_r   (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)：Q_s1(VI)＝δ₁Q_s   (15)；式中，Q_s1(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)：Q_s1(VI)＝δ₁(1‑e)Q_r   (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)：Q_s2(VI)＝C·L_s   (17)；式中，Q_s2(VI)为隧道短道的并联风流中新增的烟尘流量，m²/s；L_s为隧道短道的长度，m；根据物理学基本原理，应用式(16)、式(17)和式(13)，得到隧道短道的并联风流的烟尘浓度计算如式(18)：式中，δ₂为并联风流的烟尘浓度，m^‑1；(Ⅴ)除尘器有效风量系数的确定：为了表征循环风流烟尘浓度对除尘器性能及其极限利用的影响，定义除尘器有效风量系数为流入除尘器未净化循环风流的烟尘浓度即上游风流的烟尘浓度与通风设计的烟尘容许浓度的比值，即式(19)所示：式中，ω为除尘器有效风量系数，无量纲数；δ₁为上游风流的烟尘浓度；δ为隧道通风设计的烟尘容许浓度，m^‑1；(Ⅵ)上游风流的临界烟尘浓度与除尘器临界有效风量系数确定：在满足通风设计要求的前提下，当δ₂＝δ时，应用式(18)并将之变形，将δ_1c替换δ₁，得到上游风流的临界烟尘浓度计算式如式(4)：式中，δ_1c为上游隧道的上游风流的临界烟尘浓度，m^‑1；在式(19)中，用δ_1c替换δ₁，用ω_c替换ω，则得到除尘器临界有效风量系数计算式如式(3)：式中，ω_c为除尘器临界有效风量系数，无量纲数。