Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Обоснование параметров вентиляторов-эжекторов для сквозного проветривания транспортных тоннелей в период их сооружения

ВАК РФ 25.00.20, Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

Автореферат диссертации по теме "Обоснование параметров вентиляторов-эжекторов для сквозного проветривания транспортных тоннелей в период их сооружения"

На правах рукописи

9 15-5/558

САВЕНКОВ Евгений Алексеевич

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ВЕНТИЛЯТОРОВ-ЭЖЕКТОРОВ ДЛЯ СКВОЗНОГО ПРОВЕТРИВАНИЯ ТРАНСПОРТНЫХ ТОННЕЛЕЙ В ПЕРИОД ИХ СООРУЖЕНИЯ

Специальность 25.00.20 - Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт- Петербург - 2015

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный».

Научный руководитель -

доктор технических наук, профессор

Гендлер Семен Григорьевич

Официальные оппоненты:

Алыменко Николай Иванович доктор технических наук, профессор, ФГБУН Горный институт УрО РАН, главный научный сотрудник

Кобылкин Сергей Сергеевич кандидат технических наук, доцент, ФГАОУ ВПО «Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», кафедра аэрологии, технологической безопасности и горноспасательного дела, доцент

Ведущая организация - ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет».

Защита состоится 29 сентября 2015 г., в 15 ч. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.224.06 при Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» по адресу: 199106, Санкт-Петербург, 21-я линия, д. 2, ауд. № 1171 А.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального минерально-сырьевого университета «Горный» и на сайте www.spmi.ru.

Автореферат разослан 29 июля 2015 года.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ (С^ГК СИДОРОВ диссертационного совета / Дмитрий Владимирович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В последнюю четверть века в России многократно возросли темпы строительства транспортных тоннелей. Эти работы охватывают не только железнодорожные тоннели, обеспечивающие грузовые и пассажирские перевозки, но и автодорожные тоннели, сооружаемые для разгрузки наземных магистралей от автотранспорта в таких городах как Москва, Санкт-Петербург, Уфа, Сочи.

Одним из главных условий, определяющих эффективность строительства и эксплуатации транспортных тоннелей, является обеспечение аэрологической безопасности, способы достижения которой в значительной степени зависят от технологии осуществления работ по проходке выработок. Если в начальный период выработки сооружаются тупиковыми забоями, то после завершения проходки во время выполнения строительно-монтажных работ, включающих возведение постоянной крепи, устройство дорожного полотна или укладку железнодорожных путей, монтаж конструкций проветривание должно осуществляться сквозной вентиляционной струей. Для поддержания необходимого уровня аэрологической безопасности в этот период, когда на количество воздуха, поступающего в выработки и направления его движения, значительное влияние оказывают естественные факторы, становится нецелесообразным применять трубную вентиляцию, использующую в качестве источников тяги высоконапорные вентиляторы местного проветривания. Альтернативой этому способу является проветривание строящихся выработок вентиляторами-эжекторами, устанавливаемыми или в самой выработке, или выносимыми за ее пределы и размещаемыми перед устьем.

В отечественной литературе вопросы, связанные с использованием вентиляторов - эжекторов для проветривания горных выработок калийных и бокситовых рудников рассматривались в работах Медведева И.И., Красноштейна А.Е., Мохирева H.H., Алыменко Н.И., Казакова Б.П., Алыменко Д.Н., Лискова М.Ю. и ряда др. Гораздо меньше публикаций в нашей стране было посвящено исследованиям вентиляторов этого типа для тоннельных выработок. Тут следует отметить работы Маевского И.Ю., Барского A.C., Гендлера С.Г., Вишневского Е.П.,

Волкова А.П. За рубежом особенности проветривания тоннелей с помощью вентиляторов-эжекторов рассматривались в работах Таббара М., Аби-Задена Д., Штурма П., Конрада С., Свитленда Я., Маклеа П. и др.

Если расчеты параметров вентиляторов-эжекторов, используемых в рудниках базируются на отечественных методах, то для определения параметров этих вентиляторов в транспортных тоннелях применяются в основном зарубежные методики, базирующиеся на данных экспериментальных работ, проведенных в эксплуатируемых автодорожных тоннелях.

Что же касается научно-обоснованных методов определения параметров вентиляторов-эжекторов, вынесенных за пределы тоннельных выработок, то в настоящее время они вообще отсутствуют.

В этой связи, возникает необходимость как проверки используемых за рубежом методов расчета вентиляторов-эжекторов в условиях, характеризующих сквозное движение вентиляционной струи при сооружении транспортных тоннелей, так и разработка методики выбора параметров вентиляторов-эжекторов, расположенных за пределами выработок и используемых для инициирования движения по ним воздуха. Важность решения этих вопросов и определяет актуальность выполнения данных исследований.

Цель работы. Обеспечение аэрологической безопасности при сквозной схеме проветривания транспортных тоннелей в период их сооружения.

Идея работы. Для создания нормативных санитарно-гигиенических параметров воздушной среды при сквозном движении воздуха по транспортным тоннелям в период их сооружения и минимизации последствий аварийных ситуаций используется продольная схема вентиляции с источниками тяги, представляющими собой вентиляторы-эжекторы, размещенные или в самом тоннеле, или вынесенные за его пределы и формирующие свободную воздушную струю, направленную в сторону ближайшего портала.

Основные задачи работы:

- определение факторов, определяющих вентиляционных режим автодорожных и железнодорожных тоннелей при их сооружении;

- анализ отечественного и зарубежного опыта использования вентиляторов - эжекторов (струйных вентиляторов) для проветривания горных выработок;

- натурные исследования эффективности использования струйных вентиляторов для вентиляции транспортных тоннелей;

- осуществление физического моделирования продольной вентиляции транспортных выработок при расположении вентилятора-эжектора за их пределами перед порталами;

математическое моделирование аэродинамических процессов в транспортных выработках при воздействии на воздушную среду свободной воздушно струи, сформированной за пределами выработки;

- определение области применения способа проветривания, использующего в качестве источника тяги вентилятора - эжектора, вынесенного за пределы выработки и установленного перед ее порталом.

Научная новизна:

1. Установлены закономерности формирования поля скоростей воздушного потока, поступающего в транспортную выработку, в результате действия воздушной струи, сформированной перед порталом и направленной параллельно ее оси в выработку.

2. Предложены зависимости, определяющие безразмерную скорость воздушного потока в транспортной выработке, в функции чисел подобия, сформированных на основании использования теории размерностей и учитывающих геометрические и аэродинамические параметры транспортной выработки, величину естественной тяги, место установки и параметры вентиляторов-эжекторов.

Основные защищаемые положения:

1. Определение возможности использования вентиляторов-эжекторов, размещаемых в сооружаемых тоннельных выработках, для их проветривания при сквозном движении воздушной струи должна осуществляться на основе оценки соответствия фактических

значений реактивного импульса силы, учитывающих размещение вентиляторов относительно обнаженных поверхностей выработок и элементов крепи, с величинами реактивного импульса силы, вычисленных по типовым методикам, разработанным для условий эксплуатируемых автодорожных тоннелей.

2. Безразмерная скорость воздушного потока в тоннеле при использовании в качестве источника тяги вентилятора-эжектора, вынесенного за пределы тоннеля и расположенного перед порталом с корреляционным отношением, равным 0,94, описывается произведением степеней чисел подобия, зависящих от аэродинамического сопротивления тоннеля, его гидравлического диаметра и диаметра выходного отверстия вентилятора, а также его удаления относительно портала.

3. Оценка эффективности использования свободных струй, сформированных с помощью вентиляторов-эжекторов, установленных перед порталом, для проветривания тоннелей в период их сооружения при сквозном движении вентиляционной струи, должна осуществляться с учетом величины естественной тяги, ориентированной в направлении противоположном действию свободной струи, и количества воздуха, которое необходимо подавать в тоннель для обеспечения нормативных санитарно-гигиенических параметров воздушной струи.

Методы исследований. Работа выполнена на основе комплексного метода исследований, включающего анализ и обобщение литературных данных о проветривании горных выработок свободными струями, сформированными с помощью вентиляторов-эжекторов; экспериментальные исследования в натуральных и лабораторных условиях, статистическую обработку экспериментальных данных, математическое моделирование с использованием современных программных продуктов, обработка экспериментальных данных и результатов моделирования на основе статистических методов.

Достоверность результатов исследований обеспечивается применением современных методов исследований и аппаратуры, поддерживаемых соответствующим метрологическим обеспечением с верификацией качества проведения измерений, значительным объемом фактических результатов измерений, удовлетворительной сходимостью результатов физического и математического

моделирования, апробацией полученных результатов в периодической печати.

Практическая значимость работы. Разработанные в диссертационной работе научно-методические основы позволяют определять области применения вентиляторов-эжекторов для проветривания горных выработок с малым аэродинамическим сопротивлением при различных величинах естественной тяги.

Реализация результатов работы. Результаты исследований использованы при разработке Рекомендаций АВОК «Определение параметров продольной системы вентиляции автодорожных тоннелей», которые утверждены и введены в действие 23 мая 2013 г.

Научные и практические результаты работы используются в учебном процессе при чтении лекций по аэрологии горных предприятий студентам Национального минерально-сырьевого университета «Горный».

Личный вклад автора:

- анализ факторов, определяющих вентиляционный режим транспортных тоннелей при их сооружении;

- разработка методики и проведение натурных исследований на действующих тоннелях, использующих вентиляторы-эжекторы;

- обоснование чисел подобия и осуществление физического моделирования проветривания тоннеля в период строительно-монтажных работ по продольной схеме;

- разработка математической модели и осуществление численного эксперимента для исследования аэродинамики воздушного потока в тоннеле при использовании в качестве источника тяги свободную струю, выходящую из вентилятора-эжектора;

- обработка и сопоставительный анализ данных физического и математического моделирования;

- определение рациональной области применения для проветривания тоннелей в период их сооружения вентиляторов-эжекторов, вынесенных за пределы тоннеля;

- разработка инженерной методики выбора параметров вентиляторов-эжекторов, установленных перед порталом тоннеля.

Апробация работы. Результаты исследований и основные положения диссертационной работы, как в целом, так и результаты отдельных этапов, обсуждались и были одобрены научной

общественностью на международных научно-практических конференциях «Аэрология и безопасность горных предприятий» и «Промышленная безопасность предприятий минерально-сырьевого комплекса в XXI веке» (СПб, 2012 г, 2014 г.), на 6thInternational Conference «Tunnel safety and Ventilation - New Developments in Tunnel Safety 2012 (Graz University of Technology), а также на заседаниях технического совета в ОАО НИИПИ «Ленметрогипротранс» и семинарах кафедры безопасности производств ФГБОУ ВПО «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный».

Публикации. Основные результаты диссертационной работы содержаться в 4 научных трудах в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения, изложенных на 113 страницах машинописного текста, содержит 57 рисунков, 10 таблиц, список литературы из 98 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приведена общая характеристика работы, её актуальность, цель, идея, задачи, научная новизна, сформулированы основные защищаемые положения, практическая значимость и личный вклад автора.

В первой главе диссертационной работы рассмотрены требования, предъявляемые к санитарно-гигиеническим параметрам воздуха при сооружении горных выработок, а также существующие схемы вентиляции горных выработок различного назначения при их сооружении и эксплуатации, как с использованием «традиционных» схем вентиляции, так и на основе применения вентиляторов-эжекторов. Дана оценка влияния естественных факторов на параметры воздушной среды при сооружении горных выработок.

Во второй главе диссертационной работы дан анализ методик расчета систем вентиляции сооружаемых и эксплуатируемых горных выработок с помощью вентиляторов-эжекторов. Приведены результаты натурных исследований продольной схемы проветривания автодорожного тоннеля на основе струйных вентиляторов.

В третьей главе изложены результаты физического моделирования продольной схемы вентиляции при сооружении транспортных тоннелей с помощью вентиляторов-эжекторов, установленных перед их порталами.

В четвертой главе представлены результаты математического моделирования сквозной системы вентиляции с использованием вынесенного за пределы тоннеля вентилятора-эжектора, исследовано влияние естественной тяги на количество воздуха, поступающего в тоннель.

В пятой главе изложена инженерная методика выбора параметров вентиляторов-эжекторов, используемых для проветривания тоннелей в период их сооружения, дано технико-экономическое обоснование эффективности предлагаемого способа проветривания.

Заключение содержит основные выводы и результаты исследования в соответствии с поставленными задачами.

Основные результаты исследований отражены при доказательстве следующих защищаемых положений:

1. Определение возможности использования вентиляторов-эжекторов, размещаемых в сооружаемых тоннельных выработках, для их проветривания при сквозном движении воздушной струи должна осуществляться на основе оценки соответствия фактических значений реактивного импульса силы, учитывающих размещение вентиляторов относительно обнаженных поверхностей выработок и элементов крепи, с величинами реактивного импульса силы, вычисленными по типовым методикам, разработанным для условий эксплуатируемых автодорожных тоннелей.

Эффективность работы вентиляторов-эжекторов струйных вентиляторов характеризуется реактивным импульсом силы Р, теоретическое значение, которого измеряется в ньютонах и определяется как произведение плотности воздуха, расхода воздуха, выходящего из вентилятора Оо, и скорости воздушного потока У0 (Р=р-Оо'У0).

При расположении вентиляторов-эжекторов

непосредственно в тоннеле фактический импульс рассчитывается по

величине теоретического импульса с учетом понижающих коэффициентов, учитывающих его снижение вследствие отличия средней скорости воздушного потока VB в тоннеле от нулевого значения, имевшего место при заводских испытаниях, эффекта трения о поверхность обделки при различном расположении вентиляторов в сечении тоннеля, размещение вентиляторов по длине тоннеля на расстоянии меньшем, чем 10 гидравлических диаметров тоннеля, угла выхода воздушного потока из вентилятора относительно оси тоннеля.

Возможность использования вентиляторов-эжекторов при сквозном проветривании тоннелей в период их сооружения будет зависеть о того, насколько снижается эффективность их работы в условиях, отличных от условий, характеризующих эксплуатационный период, то есть в какой степени размещение вентиляторов-эжекторов в строящихся горных выработках может привести к снижению величины фактического импульса вентиляторов.

Для оценки эффективности работы вентиляторов-эжекторов при их размещении в сечении тоннеля, отличающимся от типового размещения, для которого установлены значения понижающих коэффициентов, в условиях тоннеля №1 центральной автомагистрали г. Сочи «Дублер Курортного проспекта» были проведены натурные исследования. Проветривание тоннеля, протяженностью 1461 м, осуществлялось с помощью 10 струйных нереверсивных вентиляторов JR-12-30/4 компании «Zitron». В отличие от типового размещения, когда вентиляторы-эжекторы устанавливаются у свода тоннеля, в условиях тоннеля №1 между вентиляторами были смонтированы осветительные приборы.

Эффективность работы вентиляторов-эжекторов

устанавливалась по величине повышения средней скорости воздушного потока в тоннеле при работе 2, 4, 6, 8 и 10 вентиляторов по сравнению со скоростью, определяемой только естественной тягой. Средняя скорость воздушного потока вычислялась по измеренной скорости воздуха в точке и коэффициенту расхода воздуха, который был установлен для контрольного сечения при работе двух вентиляторов и составил 1,28. Для измерения скорости воздуха использовался термоанемометр «Testo 425», который для проведения измерений по высоте тоннеля закреплялся на

специальной штанге. При выключенных вентиляторах средняя скорость воздуха в тоннеле, т.е. скорость естественного воздушного потока, составила 1,47 м/с. Значение естественной тяги при этом было равно 10,7 Па.

Результаты инструментальных измерений, характеризующих скорости воздуха при различном числе включенных вентиляторов, представлены на рисунке 1 (сплошная кривая). Анализ этих данных позволяет сделать вывод о том, что при увеличении количества работающих струйных вентиляторов средняя скорость воздуха в тоннеле возрастает по логарифмической зависимости, причем с увеличением количества вентиляторов-эжекторов с 2 до 10 средняя скорость воздуха повышается более, чем на 70 %.

В соответствии с типовой методикой были рассчитаны понижающие коэффициенты на паспортную величину номинального импульса силы, составляющего 1255 Н. Суммарное значение этих коэффициентов составило 0,84. С учетом этой величины был вычислен импульс силы и определена расчетная скорость воздушного потока, которая должна была бы обеспечиваться при работе различного числа струйных вентиляторов (рисунок 1). Отклонение расчетных данных от результатов инструментальных замеров составило в среднем 16 %, повышаясь с увеличением числа работающих струйных вентиляторов от 10% до 22%. Основной причиной такого отклонения являются дополнительные потери на трение при взаимодействии воздушной струи, выходящей из вентиляторов, с поверхностью осветительных приборов.

Для получения фактического значения понижающего коэффициента, характеризующего рассматриваемые условия расположения струйных вентиляторов в сечении тоннеля, была выполнена серия расчетов, которые позволили подобрать суммарную величину понижающего коэффициента, обеспечивающую наилучшее совпадение расчетных и экспериментальных данных, равную 0,53.

2. Безразмерная скорость воздушного потока в тоннеле при использовании в качестве источника тяги вентилятора-эжектора, вынесенного за пределы тоннеля и расположенного перед порталом с корреляционным отношением, равным 0,94, описывается произведением степеней чисел подобия, зависящих

от аэродинамического сопротивления тоннеля, его гидравлического диаметра и диаметра выходного отверстия вентилятора, а также его удаления относительно портала.

Анализ факторов, оказывающих влияние на движение воздуха по тоннелю при использовании в качестве источника тяги вентилятора-эжектора, вынесенного за пределы выработки, показал, что определяющими факторами (переменными) являются: внутренний диаметр выходного отверстия вентилятора dB, скорость воздушного потока на выходе из него v„, расстояние от места установки вентилятора до портала LHap, гидравлический диаметр тоннеля DT, аэродинамическое сопротивление тоннеля RT, плотность воздуха р (рисунок 2).

Следует отметить, что величина аэродинамического сопротивления связана с длиной тоннеля, что позволяет при осуществлении физического моделирования использовать модель постоянной длины, изменяя только ее аэродинамическое сопротивление, например, шибером. Увеличение аэродинамического сопротивления модели в результате установки шибера, по сути дела, эквивалентно увеличению длины модели. Таким образом, повышение аэродинамического сопротивления модели приводит к такому же эффекту с точки зрения воздействия на расход воздуха, что и увеличение ее длины.

Для осуществления физического моделирования на основании теории размерностей были определены числа подобия: один комплекс RTd4B /р и три симплекса (U/v„); (DV dB); (L„ap/ dB), определяющих безразмерную скорость воздушного потока в тоннеле, диаметр тоннеля и расстояние от места установки струйного вентилятора до портала тоннеля.

Безразмерная скорость воздуха в тоннеле U/vB в функции чисел подобия (безразмерных переменных) Z|=RTd4B/p; Ъ?= DT/dB; Zi = LHap/ dB может быть представлена в виде:

u/v.^z^kjr.fcy

(1)

Выполненные оценки показали, что для условий реальных тоннелей, имеющих протяженность 1000 - 3000 м, внутренний диаметр 7,5 - 8,4 м и коэффициент аэродинамического сопротивления 0,004 - 0,005 Н с2 /м4, при использовании для

создания свободной воздушной струи вентиляторов-эжекторов с диаметром 1,6 - 2 м и их удалении от портала тоннеля, равном 10 -60 м, значения чисел подобия, изменяются в следующих интервалах Z,= (0,013-0,07), Z2 = (3 - 5), Z3 = (5-30).

Физическая модель тоннеля представляла собой трубу, выполненную из оргстекла, и имеющую длину 1,5 м и сечения 0,0066 м2 (рисунок За). Коэффициент аэродинамического сопротивления трения, определённый для аналогичной трубы В.А. Плескуновым составил 0,0043 Н с2/м4. При этих условиях параметры Ъ\, Z2 и Z-, для модели при диаметрах выходного отверстия вентиляторов 0,027 м, 0,03 м и 0,035 м будут составлять соответственно 0,012 - 0,050; 2,66 - 3,35; 1,48 - 22,22, т.е. попадают в интервалы изменения этих величин для реальных тоннелей. В качестве вентиляторов - эжекторов, планируемых для применения в реальных условиях, при проведении модельных экспериментов использовались импеллеры (рисунок 36).

Скорость воздушного потока на выходе из импеллера изменялась при различном числе оборотов рабочего колеса в диапазоне 8-40 м/с и регулировалось с помощью частотного преобразователя.

Собственно, процесс физического моделирования включал установку импеллера на различных расстояниях от портала тоннеля, параллельно его оси, подачу по направлению к порталу воздушной струи и измерение скорости воздуха на выходе из модели тоннеля. Данные измерений были обработаны в безразмерных числах подобия Z|, Z2 и Zj и представлены в виде графической зависимости безразмерной скорости воздушного потока от параметра Y = Zf • Z™ • Z". Коэффициенты x, m, n подбирались таким образом, чтобы обеспечить наилучшую аппроксимацию экспериментальных данных аналитической зависимостью. На основе вариантных расчетов было показано, что зависимость безразмерной скорости воздушного потока в тоннеле от параметра Y с корреляционным соотношением, составляющим 0,94 и статистической надежностью, соответствующей вероятности 0,95, имеет вид степенной функции (рисунок 4).

После преобразования зависимости, представленной на рисунке 4 с учетом численных значений степеней чисел Z¡, Z2 и Zj,

формула для вычисления скорости воздушного потока при установке вентилятора-эжектора перед порталом тоннеля и подачи воздушной струи в его сечение будет иметь вид:

U / VB = 0,31 ■ ■ Z;1• Z3"°'26 (2)

Использование зависимости (2) дает возможность рассчитывать скорость воздушного потока в тоннеле при использовании в качестве источника тяги вентиляторов-эжекторов, установленных перед порталом тоннеля.

3. Оценка эффективности использования свободных струй, сформированных с помощью вентиляторов-эжекторов, установленных перед порталом, для проветривания тоннелей в период их сооружения при сквозном движении вентиляционной струи, должна осуществляться с учетом величины естественной тяги, ориентированной в направлении противоположном действию свободной струи, и количества воздуха, которое необходимо подавать в тоннель для обеспечения нормативных санитарно-гигиенических параметров воздушной струи.

Для подтверждения результатов физического моделирования продольной схемы вентиляции в период сооружения тоннелей, а также для учета влияния на движение воздуха по тоннелю естественной тяги hB, действующей в направлении противоположном движению воздуха, осуществлено математическое моделирование аэродинамических процессов при воздействии свободной струи, продуцируемой вентилятором -эжектором, установленным перед порталом, на воздушный поток в тоннеле.

Математическое моделирование осуществлялось с помощью технологии вычислительной гидро-газодинамики (computational fluid dynamics - CFD), реализуемой на основе программного комплекса Ansys CFX.

Математическая формулировка задачи была представлена в виде осредненных по Рейнольдсу нерегулярных уравнений Навье-Стокса, которые дополнены k-е-моделью турбулентности, записанной в виде системы двух нелинейных диффузионных уравнений.

Исходные данные для математического моделирования принимались в соответствие со значениями, приведенными в таблице 1.

Таблица 1 - Численные значения геометрических и физических параметров _____

Параметр Ьуст, м Ь, м <3В, м Ув, м/с Ьв, Па

Численное 10; 25; 150; 320; 740; 1,0; 35,6; 0; 10;

значение 40 1100; 2730 1,6 32,8 20

Результаты вычислений для каждого варианта, из их общего числа, равного 64, были представлены, в виде полей скоростей и давлений в воздушном потоке на входе в тоннель и при его движении по тоннелю. На рисунке 5 показано распределение скоростей на участке, прилегающем к порталу, при установки вентилятора-эжектора диаметром 1,0 м со скоростью воздуха на выходе из вентилятора 35,6 м/с на расстоянии Ьуст =10 м от сечения портала.

Анализ результатов математического моделирования показал, что приближение вентилятора-эжектора к порталу тоннеля приводит к снижению эффективности его работы, что связано с образованием зоны рециркуляции потока вблизи портала (рисунок 5).

Длина рециркуляционной зоны сокращается при удалении вентилятора-эжектора от портального сечения, стремясь к нулевому значению при расстоянии, превышающем 25 метров. Полная же стабилизация и выравнивание потока воздуха происходит на расстоянии 100-120 метров от портала тоннеля с входящей струей.

Результаты математического моделирования при отсутствии естественной тяги, представлены в форме, имеющей вид, аналогичный зависимости (2) (рисунок 6):

и/ув=о,4з-г^60-г^56-г^06 (3)

Их сравнение с данными физического моделирования (рисунок 4) свидетельствует о том, что расхождение между ними не превышает 15%.

Влияние естественной тяги на скорость воздуха в тоннеле при интерпретации результатов математического моделирования было учтено числом подобия определяемого величиной

естественной тяги и скоростью воздуха на выходе из вентилятора, 2^= ьв/р-ув2 (рисунок 7).

Зависимость относительно безразмерной скорости воздушного потока в тоннеле, описывающая результаты математического моделирования с корреляционным соотношением, составляющим 0,93, может быть представлена в виде:

и/уа =0,087 -гг°-93-г2-4-0 г3•г4-°-47 (4)

Эффективность использования вентиляторов-эжекторов для проветривания тоннелей в период их сооружения при сквозной вентиляционной струе определяется с одной стороны потребным количеством воздуха для поддержания в тоннеле нормативных санитарно-гигиенических условий или обеспечения критической скорости воздуха в случае пожара, а с другой величиной естественной тяги, направленной против действия свободной струи. Выбор вентиляторов-эжекторов, обеспечивающих требуемую скорость воздуха в тоннеле, выполняется на основе формулы (4) в зависимости от геометрических параметров тоннелей и величины естественной тяги. Результаты расчетов скорости воздушного потока в тоннеле при установке на расстоянии 20 м от портала тоннеля вентилятора-эжектора с диаметром выходного отверстия 1,6 м, формирующего свободную струю с начальной скоростью 35 м/с, представлены на рисунке 8.

С помощью зависимостей, представленных на рисунке 8, представляется возможным установить критическое значение естественной тяги, при которой выбранный тип вентилятора-эжектора позволяет обеспечить требуемый вентиляционный режим.

Основными определяемыми параметрами вентиляторов-эжекторов являются: удаление места установки вентилятора-эжектора от портала тоннеля Цдт, диаметр выходного отверстия вентилятора с1вент. и скорость воздушного потока на выходе из вентилятора Увент.-

Первый этап определения параметров вентиляторов-эжекторов состоит в определении исходных данных: требований к скорости в тоннеле ит; протяженности тоннеля Ьт, его площади сечения Рт и периметра Рт; высотного превышения одного портала над другим АН; аэродинамических характеристик тоннеля; температуры 1а, относительной влажности фа и давления Ра

О 2 4 6 8 10

Рисунок I - Средняя скорость воздушного потока в тоннеле при работе различного числа струйных вентиляторов (точки - данные инструментальных измерений; пунктирная линия - результаты расчета при суммарной величине понижающего коэффициента 0,84; сплошная линия - результаты расчета при суммарной величине понижающего

коэффициента 0,53)

J

а) б)

Рисунок 3 - Внешний вид экспериментальной установки (а-модель тоннеля; б-импеллер)

Грани цыс вободно й струи \

| портала

Сечение портала тоннеля

Рисунок 2 - Схема размещения вентилятора-эжектора перед порталом тоннеля

О 5 10 15 20 25

V. =7.1.1 7,3,7 7,0,6 ф м ¿1 ¿-2 ¿3

Рисунок 4 - График зависимости безразмерной скорости потока от параметра Уф„. (для физического моделирования)

Рисунок 5 -Векторы скоростей на участке, прилегающем к порталу

Рисунок 7 - График зависимости безразмерной скорости воздушного потока от параметра У (для математического моделирования с учетом

естественной тяги)

90 Ье.Па

Рисунок 6 - Зависимость безразмерной скорости воздушного потока в тоннеле от параметра Ум м. (для математического моделирования при отсутствии естественной тяги)

хгз0-1 20

Рисунок 8 - Критические значения естественной тяги, при которых в тоннеле не обеспечивается необходимый вентиляционный режим (У1, У2, УЗ - длина тоннеля)

атмосферного воздуха у порталов тоннеля и в самом тоннеле (1т, Фт, Рт).

На втором этапе по заданным термодинамическим характеристикам атмосферного и тоннельного воздуха рассчитывается величина естественной тяги Ье.

Третий этап предполагает вычисление для принятых исходных данных и найденном значении естественной тяги необходимой скорости воздуха Ув на выходе из вентилятора-эжектора, имеющего диаметр выходного отверстия с1в и отстоящего от портала тоннеля на расстояние, равное Ьуст.

Формула для расчета Ув получена в результате преобразования зависимости (4) относительно безразмерной скорости воздуха в тоннеле при работе вентилятора-эжектора, установленного на расстояние ЬуСТ., от портала и имеет следующий вид:

V, С 1"*уст. ¿в > (5)

где

С= 62,6• ит°'58'(Ье/рв)0'24• (0,75/Рт2 + ат/ рв'Ьт-Рт/ Рт3)а48-( Рт/ Рт)2'07-

Процедура выбора параметров вентилятора-эжектора имеет следующую последовательность:

1. Задаются диаметр выходного отверстия вентилятора Ов и его удаление от портала тоннеля Ьуст.

2. По формуле (5) для принятых исходных данных определяется Ув.

3. По значениям с!в и V,, подбирается тип вентилятора-эжектора.

4. В том случае, если полученные параметры не соответствуют не одному из изготовляемых в настоящее время типу вентилятора-эжектора, расчет Ув повторяется снова при других значениях с1в и Ьуст. Вычисления осуществляются до тех пор, пока рассчитанные значения параметров не будут соответствовать параметров одного из производимых вентиляторов-эжекторов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные научные выводы и практические результаты выполненных исследований:

1. Аэрологическая безопасность транспортных тоннелей в период их сооружения или реконструкции при одновременном повышении эффективности использования горнотранспортного оборудования может быть обеспечена за счет организации сквозной схемы проветривания, использующей в качестве источника тяги вентилятор-эжектор, вынесенный за пределы тоннеля и расположенный с возможностью подачи воздушной струи непосредственно в сечение портала.

2. При выборе аэродинамических параметров струйных вентиляторов, расчетные результаты, полученные на основе типовых методик, необходимо корректировать с учетом данных натурных замеров, осуществленных в условиях, максимально соответствующих фактическому размещению вентиляторов относительно конструктивных элементов обустройств тоннеля.

3. Для приближенного физического подобия аэродинамических процессов в реальных тоннелях и их моделях при сквозной схеме их проветривания, определяемого равенством безразмерных скоростей воздушного потока в тоннелях и осуществляемого с помощью вентиляторов-эжекторов, установленных на поверхности перед порталом тоннелей, достаточно обеспечить равенство пяти безразмерных чисел подобия, два из которых представляют собой соответственно произведение полного аэродинамического сопротивления тоннеля на отношение четвертой степени гидравлического диаметра вентилятора к плотности воздуха и отношение значения естественной тяги к квадрату скорости воздуха на выходе из вентилятора и плотности воздуха, а другие равны отношениям средних скоростей воздуха в тоннеле и на выходе из вентилятора, расстояния удаления вентиляторов от портала к диаметрам их выходных отверстий, гидравлических диаметров тоннелей к гидравлическим диаметрам выходного отверстия вентиляторов.

4. Результаты математического моделирования показывают, что использование вентилятора-эжектора, вынесенного за пределы горной выработки, с помощью которого формируется свободная

воздушная струя, направленная в ее устье, позволяет обеспечить устойчивую вентиляцию выработки без использования дополнительных вентиляторов.

5. Достоверность данных, полученных при экспериментальных исследованиях с точностью до 15% подтверждается сопоставлением с результатами математического моделирования, выполненного для того же диапазона изменения чисел подобия.

6. Область использования способа организации сквозной вентиляции при сооружении транспортных тоннелей устанавливается по соотношению между величиной потребного для проветривания количества воздуха и значением естественной тяги, ориентированной в направлении обратном планируемому направлению движения воздуха. При этом должны быть учтены как конструктивные параметры вентилятора-эжектора и расстояние его установки относительно порталов тоннелей, так и сопоставительный анализ стоимостных затрат на проветривание тоннеля при сквозной схеме, предполагающей использования в качестве источников тяги вентиляторов-эжекторов, и схемах проветривания при размещении вентиляторов внутри тоннеля, в том числе в специально сооруженном вентиляционном шлюзе.

7. Расчетный экономический эффект от применения предлагаемого способа для проветривания транспортного тоннеля, по своим характеристикам аналогичному железнодорожному и автодорожному тоннелям первого комплекса на совмещенной дороге Адлер-Горноклиматический курорт «Альпика-Сервис», по сравнению с традиционными способами вентиляции, использующими реверсивные вентиляторы местного проветривания с трубопроводами и вентиляционный шлюз в центральной части тоннелей, составил около 8 млн. рублей без учета эксплуатационных затрат.

8. Применения предлагаемого способа для проветривания горных выработок с малым аэродинамическим сопротивлением и сквозной вентиляционной струей позволяет избежать необходимости размещения вентиляционных установок непосредственно в самой выработке, что повышает мобильность строительно-монтажных работ.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

В изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России:

1. Гендлер С.Г. Особенности обеспечения аэродинамической безопасности при сооружении и эксплуатации подземных сооружений транспортного назначения / С.Г. Гендлер, Е.А. Савенков // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2015. - №4. - Специальный выпуск № 17. - С. 3-9.

2. Гендлер С.Г. Методика выбора параметров струйных вентиляторов для проветривания транспортных тоннелей / С.Г. Гендлер, Е.А. Савенков // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2015. - №4. - Специальный выпуск № 17.-С. 9-15.

3. Гендлер С.Г. Физическое моделирование продольной схемы проветривания тоннелей с помощью вентиляторов-эжекторов, установленных на поверхности перед порталом / С.Г. Гендлер, Е.А. Савенков // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2015. - №4. - Специальный выпуск № 17. - С. 15-22.

4. Савенков Е.А. Математическое моделирование вентиляции выработок, осуществляемой свободными струями, созданными вентиляторами, расположенными перед их устьем / Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2015. - №4. -Специальный выпуск № 17. - С. 22-29.

В других изданиях:

5. Gendler S.G. Usage pattern of jet fans for ventilation of railway tunnel / S.G. Gendler, V.A. Sokolov, E.A. Savenkov // 6lh International Conference «Tunnel safety and Ventilation - New Developments in Tunnel Safety. 23- 25 April 2012. Graz University of Technology. - P. 116- 123.

РИЦ Горного университета. 21.07.2015. 3.653. Т.100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2

2015674765

2015674765