高地温铁路隧道降温通风的控制方法.pdf

本发明公开了一种高地温铁路隧道降温通风的控制方法，本发明提供的方案，不仅为隧道机械通风降温方案提出了可靠的依据，同时采用本方案提出的机械通风降温方式，可达到减少风机配置和保护风机设备的目的：通过风机运行于无列车通行的情况替代现有隧道风机采用的连续通风方式，可有效消除风机在隧道内有列车通行的情况下被损坏的风险；相对于现有隧道采用的大功率机械通风，本方案可有效避免隧道内的机电设备被长时间闲置，即达到提高隧道内通风设备使用率的目的。同时，本方案提出了一种实现隧道通风降温过程中，风机消耗功率最低的通风控制方法，采用本方法，可有效降低隧道通风降温的功率消耗，达到节约铁路交通运行成本的目的。

1.高地温铁路隧道降温通风的控制方法，其特征在于，包括顺
序进行的以下步骤：
S1：每天均在无活塞风的情况下，运行设置于隧道中的风机，使
隧道内产生某一速度值的风流对隧道进行通风降温，并设定一天内该
风流的持续时间，若在风机运行N年后隧道内的温度降低至某一设定
值，则记录该通风降温条件下满足降温要求的通风周期t，所述N为大
于等于2的整数；
S2：计算通风周期t内风机的通风能耗e；
S3：得到通风周期矩阵和通风能耗矩阵：重复步骤S1和S2，记录
满足降温要求的m个通风降温条件下的通风周期矩阵
T＝(t₁、t₂，…，t_m)和每一周期的通风能耗矩阵
E＝(e₁、e₂，…，e_m)，且每个S1步骤中，风流的速度值和/或一天
内风流的持续时间数值不等；
S4：得到隧道的最终通风方案：将S3步骤得到的通风周期矩阵
T＝(t₁、t₂，…，t_m)和通风能耗矩阵E＝(e₁、e₂，…，e_m)相乘，
得到通风控制判别矩阵TE＝(t₁×e₁、t₂×e₂，…，t_m×e_m)，取TE中最小
元素对应的通风降温条件作为隧道的最终通风方案。
2.根据权利要求1所述的高地温铁路隧道降温通风的控制方法，
其特征在于，风流的速度值介于2米/秒至10米/秒之间，风流的持续
时间介于2小时/天至8小时/天之间。
3.根据权利要求1所述的高地温铁路隧道降温通风的控制方法，
其特征在于，所述控制方法采用计算机模拟进行，在计算机模拟之
前，向计算机中输入隧道地温曲线数据、洞外年气温变化曲线数据、
m个风流的速度值取值、m个风流的持续时间取值；
所述计算机模拟通过如下方式进行：将实地获取的隧道壁面与
空气的对流传热系数、围岩的传热系数输入计算机，以隧道地温曲
线数据作为隧道壁面的原始温度值，以洞外年气温变化曲线数据作
为隧道入口空气温度边界值，以隧道壁面与空气的对流传热系数、
各时间点的风流速度值作为空气与隧道壁面的冷热对流传热相对速
度、各时间点的隧道围岩温度值与空气温度值的差值为温度梯度求
出传热量，对N年内的传热量进行求和，得到N年内的机械通风传热
量，最后得到隧道壁面温度降。
4.根据权利要求3所述的高地温铁路隧道降温通风的控制方法，其
特征在于，还包括行车产生活塞风的传热换算，即隧道活塞风传热计
算，所述隧道活塞风传热计算为：将活塞风曲线数据输入计算机，各
时间点的隧道风速度值作为空气与隧道壁面的冷热对流传热相对速
度、各时间点的隧道壁面温度值与空气温度值的差值为温度梯度求出
活塞风传热量，对N年内的活塞风传热量进行求和，得到N年内的
隧道活塞风传热量，隧道活塞风传热量与机械通风传热量的和值作为
隧道岩壁的总传热量，最后得到隧道壁面的最终温度，所述最终温度
值为某一设定值的参考值。
5.根据权利要求3所述的高地温铁路隧道降温通风的控制方法，其特
征在于，所述获得隧道地温曲线数据、洞外年气温变化曲线数据和活
塞风曲线数据获得方式为如下方式：
所述隧道地温曲线数据为地勘钻孔资料拟定的隧道纵向地温曲
线数据；
所述洞外年气温变化曲线数据通过下式绘制和获得：
t f = t a + t m sin ( 2 π 8760 · τ 1 - π 2 ) ]]>
式中，t_a为当地年气流平均温度；t_m为气流温度振幅，τ1为洞外
年气温变化曲线上某点在当年所处的小时数；
所述活塞风曲线数据通过下式绘制和获得：
v = v m v = - v m v = 0 , ]]>
其中：v＝v_m情况为车辆行车方向与风机通风方向一致时；
v＝-v_m情况为车辆行车方向与风机通风方向相反时；
v＝0情况为隧道内无车辆时。
6.根据权利要求1所述的高地温铁路隧道降温通风的控制方法，其
特征在于，获得满足隧道降温条件的风机风速和通风时间通过如下方
式实现：由隧道纵向非稳态温度场围岩部分的控制方程(1)、隧道纵
向非稳态温度场风流部分的控制方程(2)组成隧道纵向三维非稳态
传热完整的数学描述：
1 a ∂ T ∂ τ = ∂ 2 T ∂ r 2 + 1 r ∂ T ∂ r + ∂ 2 T ∂ x 2 , ( r ≥ R , τ > 0 ) - - - ( 1 ) ]]>
ρAc p ( ∂ T f ∂ τ + v ∂ T f ∂ x ) = h U ( T b - T f ) + q s , ( τ > 0 ) - - - ( 2 ) ]]>
采用有限差分法建立三维非稳态传热完整的异步长显示差分方
程，如下：
围岩节点的温度的近似表达公式：
T i , j n + 1 = T i , j n ( 1 - 2 F 0 - 2 a Δ τ ( Δ x ) 2 ) + T i , j + 1 n ( F 0 + a Δ τ 2 r j ( Δ r ) ) + T i , j - 1 n ( F 0 - a Δ τ 2 r j ( Δ r ) ) + a Δ τ ( Δ x ) 2 ( T i + 1 , j n + T i - 1 , j n ) - - - ( 3 ) ]]>
对流边界节点1的温度T_j,n+1的近似表达公式：
T i , 1 n + 1 = 2 F 0 ( 1 + Δ r 4 R + Δ r ) T i , 2 n + a Δ τ ( Δ x ) 2 ( T i - 1 , 1 n + T i + 1 , 1 n ) + 8 h R Δ τ c p ρ Δ r ( 4 R + Δ r ) T f i n + [ 1 - ( F 0 R + a Δ τ 2 Δr 2 ) 8 4 R + Δ r - 2 a Δ τ ( Δ x ) 2 - 8 h R Δ τ c p ρ Δ r ( 4 R + Δ r ) ] T i , 1 n - - - ( 4 ) ]]>
隧道纵向风流近似温度的表达式：
T f i n + 1 = ( h u U ( T i , 1 n + T i , 1 n + 1 ) 2 ρAc p + q s ρAc p - v T f i + 1 n - T f i - 1 n 2 Δ x + T f i n Δ τ - hUT f i n 2 ρAc p ) / ( 1 Δ τ + h U 2 ρAc p ) - - - ( 5 ) ]]>
为使差分方程解稳定，方程(3)、方程(4)的计算时间步长Δτ
与隧道纵向空间步长Δx应分别满足方程(6)和方程(7)：
Δ τ ≤ ( Δ x · Δ r ) 2 2 a ( ( Δ x ) 2 + ( Δ r ) 2 ) - - - ( 6 ) ]]>
Δ τ ≤ 4 R + Δ r 2 a ( Δ r ) 2 ( 4 R + Δ r ) + 2 a ( Δ x ) 2 ( 4 R + Δ r ) + 2 a Δ r ( Δ r ) 2 + 8 h R c p ρ Δ r - - - ( 7 ) ]]>
以上各式中，τ为设定的时间长度，r_j为隧道内第j个径向点的
径向距离，R为隧道开挖半径，T为围岩内的温度，r为围岩内任
意一点沿隧道的径向距离，x为围岩内任意一点沿隧道纵向的距离，
ρ为气流的密度，A为隧道的横断面积，T_f为隧道气流温度，T_b为隧
道壁面温度，v为风流速度，q_s为隧道内设备产生的热量，h为对流
换热系数，U为隧道横断面周长；(i，j)为沿隧道轴线方向第i个、
径向第j个网格节点，为围岩节点(i,j)在n时刻的温度(℃)；Δr为
隧道横断面径向距离步长；Δx为隧道纵向距离步长；Δτ为时间步长；
a为围岩的导热系数；F_o为傅里叶准数；c_p气流的定压比热；为n
时刻隧道内i节点的风温；
按隧道内温度预测的一个通风周期为一年，将隧道内纵向地温曲
线数值作为计算开始时刻隧道围岩纵向温度初始值，洞外年气温变化
曲线数值作为一个通风周期内隧道入口风流温度初始值，活塞风变化
曲线作为每天隧道内行车影响风流速度，按每天的通风时间及相应的
风流速度，代入以上差分方程，按方程(6)和方程(7)确定的时间
步长Δτ和空间步长Δx，对差分方程(3)、方程(4)、方程(5)进行
求解，得到不同年份隧道围岩及风流温度沿纵向的分布，进行隧道内
温度预测，得到该风速下满足降温要求的通风周期t；
所述获得隧道地温曲线数据、洞外年气温变化曲线数据和活塞风
曲线数据获得方式为如下方式：
所述隧道地温曲线数据为地勘钻孔资料拟定的隧道纵向地温曲
线数据；
所述洞外年气温变化曲线数据通过下式绘制和获得：
t f = t a + t m sin ( 2 π 8760 · τ 1 - π 2 ) ]]>
式中，t_a为当地年气流平均温度；t_m为气流温度振幅，τ1为洞外
年气温变化曲线上某点在当年所处的小时数；
所述活塞风曲线数据通过下式绘制和获得：
v = v m v = - v m v = 0 , ]]>
其中v＝v_m情况为车辆行车方向与风机通风方向一致时；
v＝-v_m情况为车辆行车方向与风机通风方向相反时；
v＝0情况为隧道内无车辆时。
7.根据权利要求6所述的高地温铁路隧道降温通风的控制方法，其
特征在于，对差分方程(3)、方程(4)、方程(5)进行求解采用软
件MATLAB进行。

高地温铁路隧道降温通风的控制方法

技术领域

本发明涉及长度大于铁路隧道降温技术手段领域，特别是涉及一种高地温铁路隧道降温通风的控制方法。

背景技术

当隧道原始岩温达35℃左右，相对湿度达80％以上时，隧道中的高地温问题已非常严重；在长期运营中，若不能有效进行有效降温，还将恶化运营环境。因此，高地温隧道的高温热害对隧道长期运营环境保证的影响是亟需解决的技术问题。

对隧道内进行通风是一种有效降温方法，《铁路隧道运营通风设计规范》(TB10068-2010)中规定：长度大于15Km的客货共线电气化铁路隧道应设置机械通风。目前电气化铁路运营通风往往在“天窗时间”内采用纵向通风方式进行换气，其通过安装于隧道内的风机使隧道内形成气流进行换气。而在实际操作中，针对高地温特长隧道(如隧道长度大于20Km)，该段“天窗时间”时间段内由风机产生的机械风往往不能将隧道内风流的温度降到规定的范围内(28℃以下)，致使隧道内运营环境达不到规范要求。

针对上述隧道的降温问题，现有技术中的解决方案是：提高天窗时间内的通风换气次数；对隧道采用连续通风的方式。以上第一种解决方案的实现依赖于隧道内较多的机电设备，这样，必然会造成用于隧道降温的机电设备投入成本高和维护成本大、同时在多数情况下这些机电设备被闲置，不利于铁路附件的设备利用率；第二种方式在火车经过隧道时，特别是列车的行驶方向与风机所产生气流的方向相反时，隧道内火车的高速行驶产生的活塞风将对风机寿命产生极大影响，甚至会直接损坏风机。

发明内容

针对上述现有技术中隧道通风降温控制方法存在不足的问题，本发明提供了一种高地温铁路隧道降温通风的控制方法，通过本方法提出了的风机开启方案，可解决高地温隧道因通风能力不足造成的不能有效降温、通风能力太大造成的机电设备闲置、连续通风造成的风机损坏等问题，实现将隧道内温度降到规定的范围内，并达到减少风机配置和保护风机设备的目的。

针对上述问题，本发明提供的高地温铁路隧道降温通风的控制方法通过以下技术要点来达到目的：高地温铁路隧道降温通风的控制方法，包括顺序进行的以下步骤：

S1：每天均在无活塞风的情况下，运行设置于隧道中的风机，使隧道内产生某一速度值的风流对隧道进行通风降温，并设定一天内该风流的持续时间，若在风机运行N年后隧道内的温度降低至某一设定值，则记录该通风降温条件下满足降温要求的通风周期t，所述N为大于等于2的整数；

S2：计算通风周期t内风机的通风能耗e；

S3：得到通风周期矩阵和通风能耗矩阵：重复步骤S1和S2，记录满足降温要求的m个通风降温条件下的通风周期矩阵T＝(t₁、t₂，…，t_m)和每一周期的通风能耗矩阵E＝(e₁、e₂，…，e_m)，且每个S1步骤中，风流的速度值和/或一天内风流的持续时间数值不等；

S4：得到隧道的最终通风方案：将S3步骤得到的通风周期矩阵T＝(t₁、t₂，…，t_m)和通风能耗矩阵E＝(e₁、e₂，…，e_m)相乘，得到通风控制判别矩阵TE＝(t₁×e₁、t₂×e₂，…，t_m×e_m)，取TE中最小元素对应的通风降温条件作为隧道的最终通风方案。

以上方案旨在实现在无活塞风的情况下，找到满足隧道降温要求机械通风方案的最小功耗。以上方案可在隧道实地实践：设定风机通风每天运行的时间及在该时间内的风速后，验证风机运行一段时间后，隧道内的温度是否降低到了预定值，若满足降温要求，则记录满足降温要求的风机的总运行天数、每天的运行时间及运行时的功率，以上功率与运行时间的乘积作为通风控制判别矩阵的值，以上通风控制判别矩阵中的最小值对应的风机运行参数，即为满足隧道通风降温条件的最终通风方案。

由于以上机械通风向隧道中引入的空气温度受季节的影响，为利于风机运行参数判定的准确性，故将风机运行N年后隧道内的温度降低至某一设定值设定为风机运行参数判定周期，这样，优选以上通风周期矩阵T以年记，则通风能耗矩阵中的参数代表一年的时间中某一风机参数所消耗的总能量。

通过以上方案，不仅为隧道机械通风降温方案提出了可靠的依据，同时采用本方案提出的机械通风降温方式，可达到减少风机配置和保护风机设备的目的：通过风机运行于无列车通行的情况替代现有隧道风机采用的连续通风方式，可有效消除风机在隧道内有列车通行的情况下被损坏的风险；相对于现有隧道采用的大功率机械通风，本方案可有效避免隧道内的机电设备被长时间闲置，即达到提高隧道内通风设备使用率的目的。同时，本方案提出了一种实现隧道通风降温过程中，风机消耗功率最低的通风控制方法，采用本方法，可有效降低隧道通风降温的功率消耗，达到节约铁路交通运行成本的目的。

作为以上控制方法进一步的技术方案：

结合现有我国铁路运行的天窗时间及各地的降温要求，为便于取得满足隧道降温要求的风机运行参数，风流的速度值介于2米/秒至10米/秒之间，风流的持续时间介于2小时/天至8小时/天之间。

铁路隧道具有以下特点：在隧道的纵向深度上，隧道壁面各点温度值不等、风机引入的机械风原始温度受季节气候影响、在隧道纵向长度上，隧道壁面各点与机械风的传热速度不等，故为缩短最优通风方案获取的周期，可通过计算机运算的方式，所述控制方法采用计算机模拟进行，在计算机模拟之前，向计算机中输入隧道地温曲线数据、洞外年气温变化曲线数据、m个风流的速度值取值、m个风流的持续时间取值；

所述计算机模拟通过如下方式进行：将实地获取的隧道壁面与空气的对流传热系数、围岩的传热系数输入计算机，以隧道地温曲线数据作为隧道壁面的原始温度值，以洞外年气温变化曲线数据作为隧道入口空气温度边界值，以隧道壁面与空气的对流传热系数、各时间点的风流速度值作为空气与隧道壁面的冷热对流传热相对速度、各时间点的隧道围岩温度值与空气温度值的差值为温度梯度求出传热量，对N年内的传热量进行求和，得到N年内的机械通风传热量，最后得到隧道壁面温度降。

以上方法中，若机械风的风流速度大于一定值，则隧道壁面与空气的传热量大于围岩向隧道壁面的传热量，这样即可使得隧道内温度下降，采用计算机模拟进行，可将隧道壁面划分为多个点，以针对每个点在通风过程中，建立各点温度随时间的变化关系，通过计算机的运算，在短时间内获得满足降温要求的风机参数。

由于影响隧道温度的三个主要因素分别为：围岩温度、风机机械通风传热、列车运行活塞风传热，故将活塞风传热考虑于总传热中，可获得更接近于真实值的风机参数模拟值，故：还包括行车产生活塞风的传热换算，即隧道活塞风传热计算，所述隧道活塞风传热计算为：将活塞风曲线数据输入计算机，各时间点的隧道风速度值作为空气与隧道壁面的冷热对流传热相对速度、各时间点的隧道壁面温度值与空气温度值的差值为温度梯度求出活塞风传热量，对N年内的活塞风传热量进行求和，得到N年内的隧道活塞风传热量，隧道活塞风传热量与机械通风传热量的和值作为隧道岩壁的总传热量，最后得到隧道壁面的最终温度，所述最终温度值为某一设定值的参考值。

所述获得隧道地温曲线数据、洞外年气温变化曲线数据和活塞风曲线数据获得方式为如下方式：

所述隧道地温曲线数据为地勘钻孔资料拟定的隧道纵向地温曲线数据；

所述洞外年气温变化曲线数据通过下式绘制和获得：

式中，t_a为当地年气流平均温度；t_m为气流温度振幅，τ1为洞外年气温变化曲线上某点在当年所处的小时数；

所述活塞风曲线数据通过下式绘制和获得：

其中：v＝v_m情况为车辆行车方向与风机通风方向一致时；

v＝-v_m情况为车辆行车方向与风机通风方向相反时；

v＝0情况为隧道内无车辆时。

由于隧道长度较长，在进行隧道围岩温降换算时，沿着隧道的径向方向，风温及围岩温度均会线性变化，故建立起完整的数学描述，便于更方便的获到更为准确的风机风速及通风时间，作为另一种获得满足隧道降温条件的风机风速和通风时间的具体实现方式，获得满足隧道降温条件的风机风速和通风时间通过如下方式实现：由隧道纵向非稳态温度场围岩部分的控制方程(1)、隧道纵向非稳态温度场风流部分的控制方程(2)组成隧道纵向三维非稳态传热完整的数学描述：

采用有限差分法建立三维非稳态传热完整的异步长显示差分方程，如下：

围岩节点的温度的近似表达公式：

对流边界节点1的温度T_j,n+1的近似表达公式：

隧道纵向风流近似温度的表达式：

为使差分方程解稳定，方程(3)、方程(4)的计算时间步长Δτ与隧道纵向空间步长Δx应分别满足方程(6)和方程(7)：

以上各式中，τ为设定的时间长度，r_j为隧道内第j个径向点的径向距离，R为隧道开挖半径，T为围岩内的温度，r为围岩内任意一点沿隧道的径向距离，x为围岩内任意一点沿隧道纵向的距离，ρ为气流的密度，A为隧道的横断面积，T_f为隧道气流温度，T_b为隧道壁面温度，v为风流速度，q_s为隧道内设备产生的热量，h为对流换热系数，U为隧道横断面周长；(i，j)为沿隧道轴线方向第i个、径向第j个网格节点，为围岩节点(i,j)在n时刻的温度(℃)；Δr为隧道横断面径向距离步长；Δx为隧道纵向距离步长；Δτ为时间步长；a为围岩的导热系数；F_o为傅里叶准数；c_p气流的定压比热；为n时刻隧道内i节点的风温；

按隧道内温度预测的一个通风周期为一年，将隧道内纵向地温曲线数值作为计算开始时刻隧道围岩纵向温度初始值，洞外年气温变化曲线数值作为一个通风周期内隧道入口风流温度初始值，活塞风变化曲线作为每天隧道内行车影响风流速度，按每天的通风时间及相应的风流速度，代入以上差分方程，按方程(6)和方程(7)确定的时间步长Δτ和空间步长Δx，对差分方程(3)、方程(4)、方程(5)进行求解，得到不同年份隧道围岩及风流温度沿纵向的分布，进行隧道内温度预测，得到该风速下满足降温要求的通风周期t；

所述获得隧道地温曲线数据、洞外年气温变化曲线数据和活塞风曲线数据获得方式为如下方式：

所述隧道地温曲线数据为地勘钻孔资料拟定的隧道纵向地温曲线数据；

所述洞外年气温变化曲线数据通过下式绘制和获得：

式中，t_a为当地年气流平均温度；t_m为气流温度振幅，τ1为洞外年气温变化曲线上某点在当年所处的小时数；

所述活塞风曲线数据通过下式绘制和获得：

其中v＝v_m情况为车辆行车方向与风机通风方向一致时；

v＝-v_m情况为车辆行车方向与风机通风方向相反时；

v＝0情况为隧道内无车辆时。

作为可大大缩短求解时间的具体实现方式，可采用计算机辅助验算，即可通过对差分方程(3)、方程(4)、方程(5)进行求解采用软件MATLAB进行的方式。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供的方案，不仅为隧道机械通风降温方案提出了可靠的依据，同时采用本方案提出的机械通风降温方式，可达到减少风机配置和保护风机设备的目的：通过风机运行于无列车通行的情况替代现有隧道风机采用的连续通风方式，可有效消除风机在隧道内有列车通行的情况下被损坏的风险；相对于现有隧道采用的大功率机械通风，本方案可有效避免隧道内的机电设备被长时间闲置，即达到提高隧道内通风设备使用率的目的。同时，本方案提出了一种实现隧道通风降温过程中，风机消耗功率最低的通风控制方法，采用本方法，可有效降低隧道通风降温的功率消耗，达到节约铁路交通运行成本的目的。

附图说明

图1是本发明所述的高地温铁路隧道降温通风的控制方法一个具体实施例的实现流程模型；

图2是本发明所述的高地温铁路隧道降温通风的控制方法一个具体实施例的流程图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明，但是本发明的结构不仅限于以下实施例。

实施例1：

如图2所示，高地温铁路隧道降温通风的控制方法，包括顺序进行的以下步骤：

S1：每天均在无活塞风的情况下，运行设置于隧道中的风机，使隧道内产生某一速度值的风流对隧道进行通风降温，并设定一天内该风流的持续时间，若在风机运行N年后隧道内的温度降低至某一设定值，则记录该通风降温条件下满足降温要求的通风周期t，所述N为大于等于2的整数；

S2：计算通风周期t内风机的通风能耗e；

S3：得到通风周期矩阵和通风能耗矩阵：重复步骤S1和S2，记录满足降温要求的m个通风降温条件下的通风周期矩阵T＝(t₁、t₂，…，t_m)和每一周期的通风能耗矩阵E＝(e₁、e₂，…，e_m)，且每个S1步骤中，风流的速度值和/或一天内风流的持续时间数值不等；

S4：得到隧道的最终通风方案：将S3步骤得到的通风周期矩阵T＝(t₁、t₂，…，t_m)和通风能耗矩阵E＝(e₁、e₂，…，e_m)相乘，得到通风控制判别矩阵TE＝(t₁×e₁、t₂×e₂，…，t_m×e_m)，取TE中最小元素对应的通风降温条件作为隧道的最终通风方案。

以上方案旨在实现在无活塞风的情况下，找到满足隧道降温要求机械通风方案的最小功耗。以上方案可在隧道实地实践：设定风机通风每天运行的时间及在该时间内的风速后，验证风机运行一段时间后，隧道内的温度是否降低到了预定值，若满足降温要求，则记录满足降温要求的风机的总运行天数、每天的运行时间及运行时的功率，以上功率与运行时间的乘积作为通风控制判别矩阵的值，以上通风控制判别矩阵中的最小值对应的风机运行参数，即为满足隧道通风降温条件的最终通风方案。

由于以上机械通风向隧道中引入的空气温度受季节的影响，为利于风机运行参数判定的准确性，故将风机运行N年后隧道内的温度降低至某一设定值设定为风机运行参数判定周期，这样，优选以上通风周期矩阵T以年记，则通风能耗矩阵中的参数代表一年的时间中某一风机参数所消耗的总能量。

通过以上方案，不仅为隧道机械通风降温方案提出了可靠的依据，同时采用本方案提出的机械通风降温方式，可达到减少风机配置和保护风机设备的目的：通过风机运行于无列车通行的情况替代现有隧道风机采用的连续通风方式，可有效消除风机在隧道内有列车通行的情况下被损坏的风险；相对于现有隧道采用的大功率机械通风，本方案可有效避免隧道内的机电设备被长时间闲置，即达到提高隧道内通风设备使用率的目的。同时，本方案提出了一种实现隧道通风降温过程中，风机消耗功率最低的通风控制方法，采用本方法，可有效降低隧道通风降温的功率消耗，达到节约铁路交通运行成本的目的。

本实施例中，所述N与t取值相等。

实施例2：

本实施例在实施例1的基础上作进一步限定：作为以上控制方法进一步的技术方案：

结合现有我国铁路运行的天窗时间及各地的降温要求，为便于取得满足隧道降温要求的风机运行参数，风流的速度值介于2米/秒至10米/秒之间，风流的持续时间介于2小时/天至8小时/天之间。

实施例3：

本实施例在实施例1的基础上作进一步限定：铁路隧道具有以下特点：在隧道的纵向深度上，隧道壁面各点温度值不等、风机引入的机械风原始温度受季节气候影响、在隧道纵向长度上，隧道壁面各点与机械风的传热速度不等，故为缩短最优通风方案获取的周期，可通过计算机运算的方式，所述控制方法采用计算机模拟进行，在计算机模拟之前，向计算机中输入隧道地温曲线数据、洞外年气温变化曲线数据、m个风流的速度值取值、m个风流的持续时间取值；

所述计算机模拟通过如下方式进行：将实地获取的隧道壁面与空气的对流传热系数、围岩的传热系数输入计算机，以隧道地温曲线数据作为隧道壁面的原始温度值，以洞外年气温变化曲线数据作为隧道入口空气温度边界值，以隧道壁面与空气的对流传热系数、各时间点的风流速度值作为空气与隧道壁面的冷热对流传热相对速度、各时间点的隧道围岩温度值与空气温度值的差值为温度梯度求出传热量，对N年内的传热量进行求和，得到N年内的机械通风传热量，最后得到隧道壁面温度降。

以上方法中，若机械风的风流速度大于一定值，则隧道壁面与空气的传热量大于围岩向隧道壁面的传热量，这样即可使得隧道内温度下降，采用计算机模拟进行，可将隧道壁面划分为多个点，以针对每个点在通风过程中，建立各点温度随时间的变化关系，通过计算机的运算，在短时间内获得满足降温要求的风机参数。

进一步的，由于影响隧道温度的三个主要因素分别为：围岩温度、风机机械通风传热、列车运行活塞风传热，故将活塞风传热考虑于总传热中，可获得更接近于真实值的风机参数模拟值，故：还包括行车产生活塞风的传热换算，即隧道活塞风传热计算，所述隧道活塞风传热计算为：将活塞风曲线数据输入计算机，各时间点的隧道风速度值作为空气与隧道壁面的冷热对流传热相对速度、各时间点的隧道壁面温度值与空气温度值的差值为温度梯度求出活塞风传热量，对N年内的活塞风传热量进行求和，得到N年内的隧道活塞风传热量，隧道活塞风传热量与机械通风传热量的和值作为隧道岩壁的总传热量，最后得到隧道壁面的最终温度，所述最终温度值为某一设定值的参考值。

所述获得隧道地温曲线数据、洞外年气温变化曲线数据和活塞风曲线数据获得方式为如下方式：

所述隧道地温曲线数据为地勘钻孔资料拟定的隧道纵向地温曲线数据；

所述洞外年气温变化曲线数据通过下式绘制和获得：

式中，t_a为当地年气流平均温度；t_m为气流温度振幅，τ1为洞外年气温变化曲线上某点在当年所处的小时数；

所述活塞风曲线数据通过下式绘制和获得：

其中：v＝v_m情况为车辆行车方向与风机通风方向一致时；

v＝-v_m情况为车辆行车方向与风机通风方向相反时；

v＝0情况为隧道内无车辆时。

实施例4：

本实施例在实施例1的基础上作进一步限定：由于隧道长度较长，在进行隧道围岩温降换算时，沿着隧道的径向方向，风温及围岩温度均会线性变化，故建立起完整的数学描述，便于更方便的获到更为准确的风机风速及通风时间，作为另一种获得满足隧道降温条件的风机风速和通风时间的具体实现方式，获得满足隧道降温条件的风机风速和通风时间通过如下方式实现：由隧道纵向非稳态温度场围岩部分的控制方程(1)、隧道纵向非稳态温度场风流部分的控制方程(2)组成隧道纵向三维非稳态传热完整的数学描述：

采用有限差分法建立三维非稳态传热完整的异步长显示差分方程，如下：

围岩节点的温度的近似表达公式：

对流边界节点1的温度T_j,n+1的近似表达公式：

隧道纵向风流近似温度的表达式：

为使差分方程解稳定，方程(3)、方程(4)的计算时间步长Δτ与隧道纵向空间步长Δx应分别满足方程(6)和方程(7)：

以上各式中，τ为设定的时间长度，r_j为隧道内第j个径向点的径向距离，R为隧道开挖半径，T为围岩内的温度，r为围岩内任意一点沿隧道的径向距离，x为围岩内任意一点沿隧道纵向的距离，ρ为气流的密度，A为隧道的横断面积，T_f为隧道气流温度，T_b为隧道壁面温度，v为风流速度，q_s为隧道内设备产生的热量，h为对流换热系数，U为隧道横断面周长；(i，j)为沿隧道轴线方向第i个、径向第j个网格节点，为围岩节点(i,j)在n时刻的温度(℃)；Δr为隧道横断面径向距离步长；Δx为隧道纵向距离步长；Δτ为时间步长；a为围岩的导热系数；F_o为傅里叶准数；c_p气流的定压比热；为n时刻隧道内i节点的风温；

按隧道内温度预测的一个通风周期为一年，将隧道内纵向地温曲线数值作为计算开始时刻隧道围岩纵向温度初始值，洞外年气温变化曲线数值作为一个通风周期内隧道入口风流温度初始值，活塞风变化曲线作为每天隧道内行车影响风流速度，按每天的通风时间及相应的风流速度，代入以上差分方程，按方程(6)和方程(7)确定的时间步长Δτ和空间步长Δx，对差分方程(3)、方程(4)、方程(5)进行求解，得到不同年份隧道围岩及风流温度沿纵向的分布，进行隧道内温度预测，得到该风速下满足降温要求的通风周期t；

所述获得隧道地温曲线数据、洞外年气温变化曲线数据和活塞风曲线数据获得方式为如下方式：

所述隧道地温曲线数据为地勘钻孔资料拟定的隧道纵向地温曲线数据；

所述洞外年气温变化曲线数据通过下式绘制和获得：

式中，t_a为当地年气流平均温度；t_m为气流温度振幅，τ1为洞外年气温变化曲线上某点在当年所处的小时数；

所述活塞风曲线数据通过下式绘制和获得：

其中v＝v_m情况为车辆行车方向与风机通风方向一致时；

v＝-v_m情况为车辆行车方向与风机通风方向相反时；

v＝0情况为隧道内无车辆时。

作为可大大缩短求解时间的具体实现方式，可采用计算机辅助验算，即可通过对差分方程(3)、方程(4)、方程(5)进行求解采用软件MATLAB进行的方式。

如图1，本实施例中，隧道通风方式及风机运行参数即为通风模型，隧道地温曲线数据、洞外年气温变化曲线数据和活塞风曲线数据即为需要确定的参数，导热模块、对流-导热模块即为围岩、隧道壁面的导热模型，通风过程中，得到隧道温度场分布，评价分析模块，即用于评价风机运行参数的可行性及隧道内风流温度、能耗分析等，输出模块用于输出本控制方法最终确定的机械通风的运行模式。

实施例5：

为便于理解，本实施例提供了一种具体的得到风机最优参数的实现方式：本方式针对一个高温断裂带温度达70℃、长度达34.5km、双向行车17对/天的高地温隧道的通风风速及风机的开启时间的具体计算结果：

按照客货车行车平均速度按90km/h计算，每天隧道内的行车时间约为13小时。考虑前期隧道内双向行车，双向频繁活塞风对轴流风机性能影响严重，一旦风机工作进入不稳定区驼峰区，将产生踹震，严重时风机将损坏；对射流风机而言，开启情况下双向频繁行车，也会导致其损坏。由此每天不受行车影响的通风时间仅11小时，即660分钟。

本方案中，记录满足降温要求的5个通风降温条件，根据隧道内行车组织，按风速为2.4m/s每天通风时间分别取360分钟、540分钟；按风速3.5m/s每天通风时间分别取270分钟、360分钟；按风速4.1m/s每天通风时间取270分钟，对应构成5种隧道内通风风速的温度预测，得到不同风速下满足将隧道内温度降到28℃的通风周期矩阵为T＝(10,5,4,3,2)，该通风周期矩阵中的各个数字均代表多少年；同时通过记录每周期内的通风能耗矩阵(1502340，2253510，1662210，2216280，2016990)，该通风能耗矩阵中，各个数值代表不同通风条件下风机每年消耗的电能，单位为千瓦；通风控制判别矩阵为(15023400,11267550,6648840,6648840,4033980)，由此判定按风速为4.1m/s每天开启轴流风机及射流风机270分钟通风是满足降温通风的最优选择。

该选择在2年内即能将隧道内的温度降到28℃，且能保证轴流及射流风机在隧道行车间隔时间开启，有效地保护了风机，通风能耗也最小。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的技术方案下得出的其他实施方式，均应包含在本发明的保护范围内。