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Dec 14, 2023

Un estudio numérico sobre la migración de CO después de voladuras en alta

Informes científicos volumen 12,

Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 14696 (2022) Citar este artículo

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Detalles de métricas

En la meseta occidental de China, se deben superar los problemas de ventilación provocados por la baja presión atmosférica. Y la migración de CO2 después de la voladura en un túnel a gran altura mediante un eje inclinado se ha convertido en un problema científico importante. En este estudio, se utilizó el método de dinámica de fluidos computacional (CFD) para analizar las características del campo de flujo en la unión del eje inclinado y el túnel. Además, se discutieron los efectos de los diferentes modos de apertura del ventilador y las diferentes distribuciones iniciales de concentración de CO en la ventilación. Los resultados de la simulación mostraron que la principal diferencia en el campo de viento de ventilación se reflejó en la posición de la región del vórtice debido a los diferentes modos de apertura del ventilador. Mientras tanto, varias distribuciones iniciales de concentración de CO mostraron una migración diferente cuando no había diferencia de volumen de aire entre los túneles izquierdo y derecho. La eliminación de las zonas de vórtice y el uso completo del flujo de aire de alta velocidad podría mejorar la eficiencia relativa de la ventilación en al menos un 18 %. El CO se acumularía en la dirección opuesta del túnel si solo se encendiera uno de los ventiladores. Por lo tanto, se propuso un esquema de ventilación de dos etapas y el consumo de energía se redujo en al menos un 33%. Esta investigación puede brindar orientación sobre la construcción de túneles a gran altitud con múltiples caras de trabajo para mejorar la eficiencia de la ventilación y reducir el consumo de energía.

El oeste de China se distingue por su gran altura, su frío extremo y su baja presión atmosférica. Mientras tanto, la voladura del túnel generará una gran cantidad de monóxido de carbono (CO). La hemoglobina (Hb) tiene una alta afinidad por el CO, lo que reducirá significativamente la capacidad de la sangre para transportar oxígeno. Es aún más fatal en el duro entorno de la meseta montañosa1. Para garantizar la salud ocupacional de los trabajadores y asegurar la construcción sin problemas de un túnel de gran altura, es necesario estudiar más a fondo la ley de propagación de CO2 del túnel de gran altitud.

Durante la construcción del túnel, la ventilación forzada sigue siendo el principal modo de diluir los gases tóxicos. De Souza y Katsabanis2 utilizaron un modelo de difusión de gas de explosión para determinar el tiempo de reingreso seguro, teniendo en cuenta los requisitos de dilución de los gases peligrosos. Para reducir las concentraciones de gases tóxicos por debajo del límite de concentración lo antes posible y reducir los costos de ventilación, se deben estudiar las características del campo de flujo en un túnel para optimizar la ventilación. Parra et al.3 investigaron tres tipos diferentes de sistemas de ventilación y observaron que la disposición de los conductos de aire afectaba directamente al campo de flujo de aire. Kurnia et al.4 introdujeron un nuevo sistema de ventilación de aire intermitente para ahorrar energía. Sin embargo, existen algunas zonas muertas de ventilación en los túneles, como el pasillo transversal de un túnel doble, donde los gases peligrosos están más concentrados. Se ha demostrado que la aplicación de un jet fan puede solucionar este problema5. Además, los diferentes parámetros del jet fan tienen efectos diferentes en la mejora de la eficiencia de la ventilación6,7,8,9,10. Además, la tecnología de cortinas de aire se está implantando paulatinamente en la ventilación de túneles. Tiene la capacidad de controlar el polvo o los humos de voladura en un área específica, los cuales son expulsados ​​rápidamente a través del ducto11. Muchos investigadores han investigado las características del campo de flujo y los parámetros óptimos de la ventilación con cortina de aire12,13,14. Es más, se acepta ampliamente que todos los conductos de ventilación tienen fugas hasta cierto punto, y la eficiencia de los conductos se puede utilizar para evaluar los impactos de la tasa de fugas en los sistemas de ventilación15,16. Wang et al.17 establecieron un modelo tridimensional con CFD para analizar la tasa de fuga. Los resultados de la simulación revelaron que la presión y el volumen de fuga tienen un efecto sobre la tasa de fuga a lo largo del túnel.

Pero el aumento de la altitud trae consigo mayores desafíos para la ventilación de túnel. El volumen de flujo de aire requerido, el volumen de suministro del ventilador y las características del campo de flujo en áreas planas ya no son aplicables a las áreas de meseta. En primer lugar, la falta de oxígeno agravará la combustión insuficiente del motor y aumentará la descarga de gases peligrosos. En general, la prueba Real Driving Emissions (RDE) es el principal método de investigación para estudiar las emisiones de escape18. Ramos et al.19 realizaron pruebas de campo con tres combustibles diferentes y estudiaron exhaustivamente los efectos de la altitud, los combustibles alternativos y las condiciones de manejo en las emisiones de escape. Los resultados indicaron que, a gran altura, las emisiones de óxido de nitrógeno (NOx) eran unas diez veces superiores a los límites establecidos por las normas europeas. Wang et al.20 observaron que las emisiones de CO, PN y NOx aumentaban con la altitud, mientras que las emisiones de NOx disminuían cuando la altitud superaba los 2990 m. En correspondencia con el coeficiente de altitud de CO, el coeficiente de altitud de NOx se puede utilizar para reflejar el impacto de la altitud en los factores de emisión de NOx. Según la comparación, el CO se ve más afectado por la altitud21. En segundo lugar, el entorno de la meseta ejercerá una gran influencia en muchos sistemas fisiológicos del cuerpo humano, reduciendo la capacidad laboral promedio y disminuyendo la resistencia a los gases tóxicos. Los trabajadores son más propensos a sufrir mareos e incluso intoxicaciones22,23,24. La conocida ecuación de Coburn-Forster-Kane (CFK) describe una relación funcional entre la concentración de CO en el ambiente y la concentración de carboxihemoglobina (COHb) en el cuerpo humano, sentando las bases teóricas sólidas para el estudio del límite de concentración de CO25. Además, una caída en la densidad del aire tendrá un efecto sobre el funcionamiento normal del ventilador en el área de la meseta26. Como consecuencia, el ventilador debe cambiarse para satisfacer las necesidades de ventilación del entorno de gran altitud. Bajo la construcción del túnel a gran altura, la evolución espacio-temporal de gases tóxicos o polvo cambiará, lo que afecta directamente el diseño de la ventilación. Las características del transporte de humo en incendios de túneles a gran altura se han investigado y estudiado minuciosamente27,28,29, lo que puede proporcionar ideas de investigación para la ventilación de túneles a gran altitud después de la voladura. Huang, Shen, Wang y Liao30 estudiaron la ley de migración de CO después de realizar voladuras en una mina de meseta usando un modelo CFD, y señalaron que el tiempo de ventilación requerido para diluir el CO en un lugar de baja altitud es obviamente menor que en un área de gran altitud. Feng et al.31 utilizaron simulaciones numéricas para establecer un conjunto de funciones de concentración de CO en diversas situaciones de altitud, que se verificaron a través de datos de campo.

En conclusión, muchos académicos han realizado investigaciones sobre la ventilación de túneles a gran altura y han logrado resultados fructíferos. Sin embargo, cómo optimizar el diseño de ventilación frente a condiciones de construcción más complejas sigue siendo un problema importante que requiere más estudio. Con el fin de acortar el período de construcción, el pozo inclinado a menudo se instala en un túnel largo para agregar más caras de trabajo. Y los flujos de aire de los túneles izquierdo y derecho convergerán en la unión del túnel y el eje inclinado. Una vez que se generan las zonas de vórtice, la eficiencia de ventilación disminuirá. El propósito de este estudio es explorar la migración de CO2 en túneles de gran altura mediante pozo inclinado y revelar la influencia de diferentes arreglos de ventilación.

En el flujo de fluidos, se debe seguir la conservación de la masa, la conservación del impulso y la conservación de la energía. Y si hay variedad de especies, cada especie también debe ajustarse a la conservación de la masa. El flujo laminar y el flujo turbulento son idénticos en la forma de la ecuación de gobierno general, con variables que poseen expresiones diferentes. Además, la ecuación de transporte de turbulencia debe incluirse en el cálculo de la turbulencia. La ecuación gobernante del flujo laminar es la siguiente.

Ecuación de conservación de masa o ecuación de continuidad31:

Ecuación de conservación del momento:

Ecuación de conservación de energía:

Ecuación de conservación de masa de especies:

donde \(\rho \) representa la densidad del gas, kg/m3; \(t\) representa el tiempo, s; \(p\) representa la presión, Pa; u = (vx, vy, vz) representa el vector de velocidad, m/s; τ representa el tensor de tensión; T representa la temperatura, K; \(F=\left({F}_{x},{F}_{y}{,F}_{z}\right)\mathrm{ es}\) la fuerza, N; \(\omega \) es el coeficiente de transferencia de calor total, W/(m \(\mathrm{K}\)); \({c}_{p}\) representa la capacidad calorífica específica, J/(kg \(\mathrm{K}\)); \({S}_{T}\) representa el término de disipación viscosa; \({c}_{s}\) representa la fracción de masa; \({D}_{s}\) representa el coeficiente de difusión, m2/s.

El modelo k–ε estándar se establece para el flujo con turbulencia completamente desarrollada, pero no es adecuado para un flujo con fuertes remolinos o flujo a lo largo de la superficie de la pared curva. Yakhot y Orzag32 propusieron por primera vez el modelo RNG k–ε, que es efectivo para predecir flujos turbulentos complejos con altas velocidades de deformación. Se ha aplicado bien en la dispersión de contaminantes33,34,35,36. Las ecuaciones de k y ε son las siguientes:

donde \(k\) representa la energía cinética turbulenta, \({m}^{2}/{s}^{2}; {G}_{k}\) representa la producción debida a la velocidad media de corte; \(\varepsilon \) representa la tasa de disipación de energía cinética turbulenta, \({m}^{2}/{s}^{3}; \mu \) y \({\mu }_{t}\) son la viscosidad laminar y turbulenta, \(\mathrm{pa s}\), \({\mu }_{t}=\rho {C}_{\mu }{k}^{2}/\varepsilon \) ; \({C}_{1\varepsilon }\), \({C}_{2\varepsilon }\), \({C}_{\mu }\), \({\sigma }_{k }\) y \({\sigma }_{\varepsilon }\) son constantes con \({C}_{1\varepsilon }=1.42\), \({C}_{2\varepsilon }=1.68\ ), \({C}_{\mu }=0.0845\), \({\sigma }_{k}={ \sigma }_{\varepsilon }=0.7179; {R}_{\varepsilon }\) representa un término adicional.

No importa si es el modelo k–ε estándar, el modelo k–ε RNG o el modelo k–ε realizable, solo son efectivos para turbulencias completamente desarrolladas, es decir, los tres modelos anteriores son todos modelos de números de Reynolds altos, que solo puede resolver flujos en la región central de turbulencia. Mientras que en la región de la pared, las situaciones de flujo varían mucho. Especialmente en la subcapa viscosa, el flujo es casi laminar y el efecto de pulsación de la turbulencia es menor que el de la viscosidad molecular. La función de pared se suele aplicar a esta zona.

Debido a la compresibilidad del aire, existe una relación no lineal entre la presión atmosférica y la altitud. Mientras tanto, la densidad del aire se reduce. Ignorando los efectos de la latitud, la longitud y la estación, la presión atmosférica y la densidad del gas que varían con la altitud se pueden calcular mediante las siguientes fórmulas30:

donde \(P\) representa la presión atmosférica a diferentes altitudes, Pa; \(H\) representa la altitud, m; \({\rho }_{0}\) representa la densidad del aire en condiciones estándar, 1,293 kg/m3; \(T\) representa la temperatura a diferentes altitudes, K.

Se formará un área de lanzamiento de humo en el túnel después de la voladura. En este proceso se producirá una gran cantidad de productos gaseosos. Los humos de voladura contienen una variedad de componentes, la mayoría de los cuales son tóxicos y dañinos para la salud humana. En este trabajo se toma como objeto de investigación el CO2 de los humos de voladura. Se supone que el CO se distribuye uniformemente en el área de lanzamiento y la concentración de masa se puede calcular de la siguiente manera:

donde \(C\) representa la fracción de masa de CO; \(m\) representa la cantidad de iniciación explosiva, kg; \(q\) representa el volumen de CO generado por explosivo por unidad de masa, 0,04 m3/kg; \({M}_{CO}\) representa la masa molar de CO, 28 g/mol; \({M}_{aire}\) representa la masa molar del aire, 29 g/mol; \({L}_{0}\) representa la longitud de lanzamiento del humo, m; \(A\) representa el área de la sección transversal del túnel, m2; \({C}_{m}\) representa la concentración másica de CO como valor inicial, mg/m3; \({C}_{v}\) representa las partes por millón de CO.

El túnel de Kangding es uno de los proyectos de ingeniería dominantes en el ferrocarril Sichuan-Xizang, que se encuentra en la sección entre Kangding y Huojiazhong. La longitud total del túnel es de 20.793 my la altitud es de 3700 m. Por estar ubicado en una zona de clima semiárido del altiplano, con un invierno largo y frío, frecuentes desastres por bajas temperaturas y heladas, y graves enfermedades por heladas y deshielos, se deben tomar medidas efectivas de aislamiento térmico en el proceso de construcción. Afectado por la altitud ultra alta, el contenido de oxígeno atmosférico en el entorno de baja presión es solo alrededor del 60% del nivel del mar. Mientras tanto, el contenido de oxígeno en el túnel es menor que el exterior. Los trabajadores de la construcción y los equipos mecánicos han sufrido pérdidas significativas en la eficiencia del trabajo en un entorno con deficiencia de oxígeno. La construcción del pozo inclinado 2# en el túnel de Kangding se divide en dos etapas: la primera etapa es la construcción del pozo inclinado y la segunda etapa es la construcción de los túneles izquierdo y derecho al mismo tiempo. La ventilación forzada se utiliza en ambas etapas para diluir los gases nocivos. Este artículo estudia principalmente el arreglo de ventilación de la segunda etapa.

Debido a las complejas condiciones de trabajo que existen durante la construcción real del túnel, existen numerosos aspectos imprevistos en la situación del mundo real que no pueden ser considerados completamente por simulación numérica por computadora. Como resultado, se pueden pasar por alto varios parámetros sin importancia que no tienen relación con los resultados finales de la simulación. En aras del cálculo numérico, se proponen las siguientes suposiciones: (1) el gas está formado por un gran número de moléculas. El estado de flujo de una sola molécula se define por la discontinuidad en el espacio y la aleatoriedad en el tiempo. El gas se caracteriza por la continuidad y certeza en el espacio y el tiempo cuando el número de moléculas alcanza un nivel específico. Debido a que la investigación de simulación en este trabajo se basa en Fluent, el aire en el túnel debe tratarse como un medio continuo antes de la simulación. (2) Debido a que todos los fluidos son comprimibles, su densidad varía con la temperatura y la presión. El flujo de aire en el túnel, por otro lado, es un fluido de baja velocidad que es viscoso e incompresible. (3) En el túnel, el campo de flujo de aire mantiene una temperatura constante y no hay transferencia de calor entre la pared y el medio ambiente. (4) Durante la fase de difusión, los gases son simplemente aire y CO, y no se producen reacciones químicas.

Se utilizó ANSYS 2020R2 (https://www.ansys.com/products/3d-design/ansys-spaceclaim) para establecer un modelo 3D. La dirección del túnel es a lo largo del eje Z y la cara de trabajo derecha se encuentra en el plano X-Y. El tamaño de la sección del túnel y el pozo inclinado son 128 m2 y 52 m2, y se seleccionan 170 m detrás de cada frente de trabajo para el cálculo. La distancia entre el conducto de aire y la superficie de trabajo es de 35 my el diámetro del conducto de aire es de 1,8 m. El ángulo formado por el eje inclinado y el túnel izquierdo es de 45°. Teniendo en cuenta la situación real de esta simulación numérica, lleva mucho tiempo dividir la cuadrícula estructurada por ICEM. Aunque la eficiencia del cálculo puede incrementarse sustancialmente usando la malla no estructurada, la calidad de la malla tetraédrica es mala y la solución diverge fácilmente. Por lo tanto, se seleccionó Fluent-Meshing para dividir la malla, lo que no solo asegura la calidad de la malla, sino que también ahorró mucho el tiempo de generación de la malla. Se seleccionaron poliedros como tipos de malla. El modelo físico y la malla del túnel son los que se muestran en la Fig. 1.

Modelo físico y malla del túnel.

Las condiciones de contorno y las condiciones iniciales se denominan condiciones de solución. La solución única del campo de flujo existe, solo cuando se determinan las condiciones de contorno y las condiciones iniciales. Después de importar la malla al software Fluent, las condiciones de contorno correspondientes deben establecerse de la siguiente manera: (1) ambas entradas se configuraron como entrada de velocidad y la magnitud de la velocidad fue de 20 m/s. (2) La salida se configuró como salida de presión. (3) El frente de trabajo y la pared interior del túnel son paredes fijas y se establecieron como el límite de la pared.

El estudio de la influencia del campo de flujo estable en el efecto de ventilación después de la voladura juega un papel importante en la determinación del esquema de ventilación para la construcción de túneles a gran altitud, mejorando la eficiencia de ventilación y reduciendo el consumo de energía. Primero se puede usar una simulación de estado estacionario para considerar la influencia de un campo de flujo estable en la ventilación del túnel. Los valores de todos los residuales disminuyeron rápidamente a menos de \(1\times {10}^{-3}\), lo que indica convergencia de cálculo y brinda mejores condiciones iniciales para la simulación transitoria. Los parámetros de solución en simulación numérica se muestran en la Tabla 1.

Cuando se usa CFD para analizar campos de flujo y difusión de gas, la mala calidad de la malla afectará directamente la precisión y confiabilidad de la simulación, por lo que es necesario probar la independencia de la malla. Se utilizó Fluent-Meshing para dividir el modelo en tres cuadrículas de calidad diferente, incluidas cuadrículas de baja calidad (1 982 150 celdas), cuadrículas de calidad media (3 075 091 celdas) y cuadrículas de alta calidad (3 472 652 celdas). La velocidad promedio del aire se seleccionó como el índice de detección de independencia de malla y se importó Fluent para calcular la distribución de velocidad de las tres cuadrículas. La Figura 2 muestra que la velocidad promedio del aire de las rejillas de calidad media y las rejillas de alta calidad fue muy similar, lo que indica que se logró la independencia de la malla. En este estudio, se seleccionaron grillas de calidad media para garantizar la eficiencia y precisión computacional.

Análisis de independencia de mallas.

Además de garantizar que los resultados del cálculo sean independientes del mallado para la simulación transitoria, también es necesario asegurarse de que el paso de tiempo no afecte los resultados finales del cálculo. Si el paso de tiempo es demasiado grande, la desviación del cálculo puede ser significativa, dando como resultado que no se muestre la verdadera ley de cambio físico. Por lo tanto, se seleccionó la sección Z = 10 m y se calculó la fracción de masa promedio de CO en esta sección. Se eligieron tres tipos diferentes de pasos de tiempo: 0,2 s, 0,1 s y 0,05 s. La fracción de masa promedio de CO en esta sección dentro de los 60 s se muestra en la Fig. 3. El diagrama muestra que las tres curvas estaban bastante cerca, lo que indica que el paso de tiempo tuvo poco efecto en los resultados del cálculo. Para el estudio, el paso de tiempo se fijó en 0,1 s para garantizar la eficiencia del cálculo.

Verificación del método de modelado.

Dado que el proyecto aún se encuentra en la etapa preparatoria, no se pueden obtener los datos de campo correspondientes. Este estudio sirve como investigación preliminar para proporcionar la orientación y las sugerencias correspondientes para la construcción práctica. La teoría del chorro turbulento es ampliamente estudiada y verificada por datos experimentales desde el siglo pasado37,38,39. Para verificar aún más la precisión del modelo, los valores de simulación de la velocidad del aire en la región de flujo completamente desarrollada se compararon con los valores de cálculo teórico, como se muestra en la Tabla 2. Aunque hubo cierta diferencia entre el valor de simulación y el valor de la fórmula empírica, pero la tendencia de reducción fue la misma, y ​​el error absoluto también fluctuó alrededor de 1,8 m/s. Teniendo en cuenta la influencia del gradiente de velocidad, el error de truncamiento y el cambio de los parámetros físicos del gas en esta simulación numérica, el método de modelado utilizado en este estudio es factible. La velocidad axial en la región de flujo completamente desarrollada se puede calcular de la siguiente manera:

donde \({v}_{m}\) representa la velocidad axial del chorro turbulento, m/s; \({v}_{0}\) representa la velocidad de salida del aire, m/s; \(\alpha \) representa el coeficiente de turbulencia, 0,08 para tubería redonda; \(S\) representa la distancia desde la boca del ventiducto, m; \({d}_{0}\) representa el diámetro del conducto, m.

En la segunda etapa de construcción, un ventilador axial impulsa aire fresco desde la boca del ventiducto hacia la cara de trabajo en ambas direcciones para diluir los gases nocivos. El flujo de aire contaminado finalmente se descarga desde el eje inclinado. Sin embargo, el flujo de aire y la difusión de gases nocivos son diferentes de los de un sistema de ventilación de un solo túnel debido a la confluencia del flujo de aire en dos direcciones en el área de unión del eje inclinado y el túnel. Este trabajo ha elegido cinco condiciones de trabajo para el análisis con el fin de estudiar la migración de CO en túneles de gran altura por eje inclinado de la forma más completa posible. Caso 1: Ambas direcciones del túnel realizan la construcción de perforación y voladura, y los ventiladores en ambas direcciones funcionan al mismo tiempo. Caso 2: Solo el túnel izquierdo realiza construcción de perforación y voladura, pero los ventiladores en ambas direcciones trabajan al mismo tiempo. Caso 3: Solo el túnel derecho realiza la construcción de perforación y voladura, pero los ventiladores en ambas direcciones trabajan al mismo tiempo. Caso 4: Solo el túnel de la izquierda lleva a cabo la construcción de perforación y voladura, y el ventilador en esta dirección funciona. Caso 5: Solo el túnel derecho lleva a cabo la construcción de perforación y voladura, y el ventilador en esta dirección funciona.

De acuerdo con el código nacional de China, "Normas de seguridad para voladuras", se debe llevar a cabo una ventilación adecuada después de la construcción de voladuras. El personal de construcción está autorizado a acceder al sitio de la voladura después de asegurarse de que la calidad del aire del sitio de la voladura subterránea esté certificada, la ventilación sea suficiente y el tiempo de espera sea superior a 15 min. Por lo tanto, este artículo toma principalmente la altura de respiración y = 1,5 m como plano de investigación para analizar la distribución del campo de flujo y la distribución de la concentración de CO en el túnel.

La ventilación en ambos lados no es completamente simétrica porque el eje inclinado no cruza el túnel verticalmente. Por lo tanto, la ventilación de los túneles izquierdo y derecho cuando se construyen por separado debe ser analizada y comparada con la ventilación de construcción simultánea. La distribución del campo de flujo de aire en el túnel se muestra en la Fig. 4a.

Campo de flujo de aire de la región del túnel.

Solo hay tres campos de flujo de ventilación para las cinco condiciones de construcción enumeradas anteriormente. Para estudio y discusión, cualquier tipo de campo de flujo de ventilación se puede dividir en región de túnel y región de eje inclinado, como se muestra en la Fig. 1.

Como se muestra en la Fig. 4b, las características típicas de los chorros de pared se muestran cerca de la cara de trabajo. La región de desarrollo del flujo se expandió gradualmente desde la salida del conducto de aire y el aire circundante fue atraído hacia el flujo del chorro. Al chocar con el frente de trabajo en el túnel, el flujo del chorro se movió en la dirección opuesta debido a la obstrucción del frente de trabajo, creando así un área de reflujo. Debido al efecto de arrastre del chorro de alta velocidad, arrastraría el aire de baja velocidad a su alrededor, lo que daría como resultado la formación de un área de vórtice entre la boca del conducto de ventilación y la cara de trabajo. Y el flujo inverso también se vería afectado en esta zona. Debido al movimiento giratorio de las partículas en la región del vórtice, se dificultaría la difusión de los contaminantes. Cuando la distancia entre la cara de trabajo y la boca del conducto de ventilación excedía los 35 m, el flujo del chorro ya no aspiraba el aire circundante. Y el flujo de aire general tiende a ser estable a medida que aumenta la distancia desde la cara de trabajo. Esto está de acuerdo con la investigación previa40.

Para analizar la variación de la velocidad del viento promedio del área con la distancia de manera más directa, se obtuvieron 17 secciones uniformes cada 10 m a lo largo de los túneles izquierdo y derecho. La viscosidad del fluido convirtió la energía cinética en energía interna, lo que resultó en una disminución gradual de la velocidad del viento con la distancia, que cayó a alrededor de 0,40 m/s a 70 m de la cara de trabajo, como se muestra en la Fig. 4c. Las dos curvas de velocidad promedio del viento eran esencialmente idénticas, lo que indica que la simulación era confiable.

La mayor variación entre los tres campos de flujo de ventilación se encuentra en la región del eje inclinado, debido a las variadas condiciones de apertura de los ventiladores en los túneles izquierdo y derecho.

Cuando los ventiladores del túnel izquierdo y derecho se encienden al mismo tiempo, el campo de flujo de ventilación en el área del eje inclinado se puede dividir en 4 regiones: la región de confluencia, la región de vórtice, la región de dirección múltiple y la región estable. El campo de flujo en el área del eje inclinado se muestra en la Fig. 5a, y se pueden sacar las siguientes conclusiones: (1) Debido a la baja velocidad del campo de flujo, no se formó un vórtice visible en la confluencia del eje inclinado y el túnel, pero había una línea divisoria obvia cuando los flujos de aire opuestos izquierdo y derecho convergieron. Estaba dividido por guiones rojos en el diagrama. (2) A medida que el flujo de aire se movía hacia el eje inclinado, se separaba de la pared lateral y formaba una zona de vórtice triangular de baja velocidad. (3) El volumen de aire era igual en ambas direcciones cuando los dos ventiladores mantenían la misma potencia. Sin embargo, el ancho del flujo de aire que ingresaba al pozo inclinado desde el túnel izquierdo era ligeramente menor que el del túnel derecho. Se consideró que el ángulo entre el túnel izquierdo y el pozo inclinado era un ángulo agudo, por lo que el cambio de impulso del flujo de aire izquierdo hacia el pozo inclinado fue mayor que el del flujo de aire derecho. Por lo tanto, la pérdida de energía del flujo de aire izquierdo fue mayor que la del flujo de aire derecho. (4) La tasa de flujo de aire aumentó a medida que ingresaba al pozo inclinado desde el túnel. La razón fue que el área de la sección del eje inclinado era más pequeña que la de la sección del túnel. Cuando el volumen del flujo de aire se mantuvo constante, el área de la sección disminuyó y la velocidad aumentó. Combinado con la conclusión 2, la amplitud del aumento de la velocidad del flujo de aire izquierdo fue mayor que la del flujo de aire derecho, lo cual fue consistente con la imagen de distribución de velocidad. (5) Además, cabe señalar que había una zona muerta de ventilación con una longitud de unos 24,6 m en el lado izquierdo del pozo inclinado, donde la corriente principal se separaba de la pared, formando una zona de vórtice entre la corriente principal corriente y la pared debido a la acción de la inercia. La zona de vórtice aumentó la turbulencia del fluido. Mientras tanto, el intercambio de masa entre la región del vórtice y la región principal continuaría, y las partículas en movimiento del vórtice serían transportadas corriente abajo por la corriente principal, lo que intensificó la intensidad de la turbulencia de la corriente principal dentro de un cierto rango de corriente abajo y aumentó aún más la pérdida de energía. (6) El gradiente de presión adverso ocurrió como resultado de la separación de la capa límite, lo que provocó que el flujo de aire se moviera hacia el lado izquierdo del eje inclinado. El área del vórtice desapareció cuando el flujo de aire alcanzó la pared izquierda del eje inclinado. Cuando el flujo de aire fue bloqueado por la pared izquierda del pozo inclinado, se desplazó hacia el lado derecho y se cruzó nuevamente con la corriente principal a lo largo del pozo inclinado, formando un área multidireccional con una longitud de aproximadamente 52,4 m.

Campo de flujo de aire de la región del eje inclinado.

Cuando solo se encendió el ventilador del túnel izquierdo, el campo de flujo en el área del eje inclinado se muestra en la Fig. 5b, y se pueden sacar las siguientes conclusiones: (1) El ancho de la sección del túnel era mayor que el del túnel. eje inclinado. Como resultado, cuando el flujo de aire en el túnel izquierdo se movía hacia el eje inclinado, parte del flujo de aire sería bloqueado por la pared del túnel derecho y crearía un área de vórtice en el túnel derecho. (2) Similar al caso cuando los ventiladores izquierdo y derecho se encendieron al mismo tiempo, se formaría una zona muerta de ventilación en el lado izquierdo del eje inclinado. (3) Debido a que el volumen de aire de un solo ventilador era menor que el de dos ventiladores, el incremento de la velocidad del aire después de que el flujo de aire ingresara al eje inclinado se redujo considerablemente y el flujo de aire general tendió a estabilizarse más rápido. Sin embargo, el gradiente de presión adverso también fue pequeño, lo que hizo que la región del vórtice fuera más larga que la que se muestra en la Fig. 5a.

Cuando solo se encendió el ventilador del túnel derecho, el campo de flujo en el área del eje inclinado se muestra en la Fig. 5c, y se pueden sacar las siguientes conclusiones: (1) Similar al caso cuando solo se encendió el ventilador del túnel izquierdo. estaba encendido, parte del flujo de aire sería bloqueado por la pared del túnel izquierdo y crearía un área de vórtice en el túnel izquierdo cuando el flujo de aire en el túnel derecho se moviera hacia el eje inclinado. (2) El ángulo formado por el túnel derecho y el eje inclinado era obtuso. Como resultado, el flujo de aire entró en el eje inclinado más suavemente. Además, debido a que no había separación entre el flujo de aire y la pared, no había un área de vórtice perceptible en el eje inclinado. (3) El flujo de aire general en el eje inclinado se mantuvo estable, sin evidencia de estratificación de gradiente de velocidad.

La distribución del campo de flujo de aire tiene un impacto significativo en la distribución del campo de concentración de CO. Sin embargo, el proceso de migración es dinámico y complejo. Es difícil establecer la ley de distribución de CO a lo largo del tiempo analizando solo el campo de flujo de aire. Por lo tanto, se requiere una discusión más detallada del campo de concentración de CO.

La distribución de CO en el tiempo del caso 1 se muestra en la Fig. 6. Se pueden sacar las siguientes conclusiones: (1) Después de ventilar durante 150 s, el CO migró hacia la salida del eje inclinado y presentó el efecto de acoplamiento de migración y difusión. . Mientras tanto, la zona de CO se deformaba gradualmente bajo el efecto del flujo de aire y se alargaba continuamente en la región del túnel, en la que se podía encontrar un pico de concentración de CO. Además, parte del CO en el túnel de la izquierda entró primero en el pozo inclinado y luego se extendió en una franja delgada, siendo la longitud extendida mayor que la del túnel de la derecha. (2) Después de ventilar durante 300 s, el CO se diluyó de manera efectiva cerca de la cara de trabajo. Se pudo encontrar un límite claro entre las masas de aire bajo el efecto del campo de flujo en la región de confluencia. Tenga en cuenta que el CO aún no se había difundido en la zona de vórtice triangular. Además, el flujo de aire en ambas direcciones se mezcló por completo en la región de vórtice del eje inclinado, formando un pico de concentración. El CO se difundió gradualmente en la zona muerta de ventilación en el lado izquierdo del eje inclinado. Además, se demostró que el CO tenía una forma ondulada en la región multidireccional del eje inclinado. Y el CO se distribuyó gradualmente de manera uniforme con el aumento de la distancia de ventilación. (3) Después de ventilar durante 450 s, el valor máximo de la fracción de masa de CO había llegado a la salida del eje inclinado. Sin embargo, debido a la influencia de la zona muerta de ventilación en el lado izquierdo del pozo inclinado, el pico de concentración también apareció en esta área. (4) Después de ventilar durante 600 s, el CO permanecería en la zona de vórtice triangular y la zona muerta de ventilación en el lado izquierdo del eje inclinado, y el pico de concentración aparecería en la zona de vórtice triangular. (5) Después de ventilar durante 750 s y 900 s, el valor máximo de la fracción de masa de CO fue de 157 mg/m3 y 51 mg/m3, que no cumplió con el estándar de concentración límite de 30 mg/m3. Esto podría deberse al efecto combinado de la gran altitud y la zona de vórtices. Sin embargo, a los trabajadores de la construcción se les permite inspeccionar la superficie de trabajo durante un período de tiempo limitado. Las conclusiones anteriores son consistentes con el análisis del campo de flujo de aire.

Distribución de CO del caso 1.

Debido al cronograma real de construcción del túnel, existe una situación en la que solo se excava una dirección del frente de trabajo del túnel en un cierto período de tiempo. Si el campo de flujo permanece sin cambios, distintas distribuciones iniciales de CO generarán diferentes variaciones en el campo de concentración.

La distribución de CO a lo largo del tiempo del caso 2 se muestra en la Fig. 7. Se pueden sacar las siguientes conclusiones: (1) En la región de confluencia, vórtice y multidireccional del eje inclinado, el CO se distribuyó en el lado izquierdo del eje inclinado. eje inclinado. Esto indicó que el flujo de aire del túnel derecho pudo evitar de manera efectiva que el CO se difundiera al túnel derecho. (2) Después de ventilar durante 450 s y 600 s, la concentración máxima siempre aparecía en la zona muerta de ventilación del lado izquierdo del eje inclinado. El CO se acumularía en esta área durante mucho tiempo. Debido a que el flujo de aire de alta velocidad en el lado derecho del eje inclinado no se utilizó por completo, se redujo la eficiencia de ventilación de toda el área. (3) Después de la ventilación durante 750 s, el pico de concentración apareció en el área del vórtice triangular. Y después de la ventilación durante 900 s, la concentración máxima fue de 28 mg/m3, que alcanzó el estándar de concentración segura de 30 mg/m3. (4) El valor no era una relación múltiple simple en comparación con el valor máximo de concentración después de mezclar completamente el flujo de aire en ambas direcciones. Esto estuvo influenciado principalmente por la región del vórtice y la distribución del gradiente de velocidad.

Distribución de CO del caso 2.

La distribución de CO a lo largo del tiempo del caso 3 se muestra en la Fig. 8. Se pueden sacar las siguientes conclusiones: (1) Después de ventilar durante 150 s, el pico de concentración del túnel derecho fue mayor que el del caso 2. Esto se debió principalmente al hecho de que el flujo de aire del túnel derecho entró en el eje inclinado a través de una gran región, lo que resultó en una velocidad de flujo lenta, y la concentración de CO fue mayor en la región del túnel. (2) De manera similar al caso 2, el flujo de aire del túnel izquierdo pudo evitar de manera efectiva que el CO se difundiera hacia el túnel izquierdo y la zona muerta de ventilación en el lado izquierdo del eje inclinado. La diferencia fue que en la zona multidireccional, el CO se distribuyó gradualmente de manera uniforme en el eje inclinado. (3) Después de ventilar durante 450 s y 600 s, los picos de concentración fueron más pequeños que los del caso 2. Esto se debió a la alta velocidad del flujo de aire en el lado derecho del eje inclinado. (4) Aunque la concentración máxima apareció en la región del vórtice triangular después de ventilar durante 750 s y el valor fue ligeramente mayor que en el caso 2, la concentración máxima fue de 23 mg/m3 después de ventilar durante 900 s, que fue significativamente menor que la de caso 2 y también alcanzó el estándar de concentración de seguridad de 30 mg/m3. La relación entre el valor de diferencia de concentración máxima y el valor de concentración mayor se utilizó para calcular el cambio de eficiencia de ventilación. Mostró que la eficiencia general de la ventilación aumentó un 18 % en comparación con el caso 2.

Distribución de CO del caso 3.

Si la distancia de excavación del túnel es inferior a 200 m, todo el personal de construcción en el área del túnel debe ser evacuado. Cuando solo hay una cara de trabajo para la excavación, solo el ventilador en esta dirección se enciende para ahorrar energía, mientras que los ventiladores en la dirección opuesta no lo hacen. La distribución de CO a lo largo del tiempo del caso 4 se muestra en la Fig. 9. Se pueden sacar las siguientes conclusiones: (1) Después de ventilar durante 150 s y 300 s, la sección del eje inclinado se utilizó por completo para la ventilación. Debido a la inercia, el CO primero estaría cerca de la pared derecha del pozo inclinado y luego se difundiría hacia la zona de ventilación muerta en el lado izquierdo del pozo inclinado. (2) Después de ventilar durante 450 s, aparecería una gran área de alta concentración, y la concentración máxima fue mayor que en los tres casos anteriores, lo que se debe a que la velocidad promedio del viento de la sección del eje inclinado se hizo más pequeña bajo la operación de un solo ventilador Mientras tanto, CO comenzaría gradualmente a moverse hacia el túnel correcto. (3) Debido a la baja velocidad del viento, el CO se distribuyó oblicuamente a lo largo de la pared lateral cerca del eje inclinado y el rango de difusión en el túnel derecho no cambió mucho.

Distribución de CO del caso 4.

La distribución de CO a lo largo del tiempo del caso 5 se muestra en la Fig. 10. Se pueden sacar las siguientes conclusiones: (1) Después de ventilar durante 300 s, el CO se había difundido hacia el túnel izquierdo. Se consideró que cuando el viento provenía únicamente del túnel derecho, la distribución de velocidades era relativamente media. El CO no se distribuiría en una franja delgada durante la migración al eje inclinado, lo que provocaría que más CO se difundiera hacia el túnel izquierdo. (2) Debido a la formación de una región de vórtice en el túnel izquierdo, se formaría una región de pico de concentración obvia en el túnel izquierdo. (3) Después de ventilar durante 750 s y 900 s, el valor máximo de la fracción de masa de CO fue de 219 mg/m3 y 193 mg/m3, que no cumplió con el estándar de concentración límite de 30 mg/m3. (4) En comparación con el caso 4, la concentración máxima de CO fue mayor, el rango de distribución fue más amplio y el tiempo de ventilación fue más prolongado. Para mejorar esta condición y aumentar la eficiencia de la ventilación, considere instalar un ventilador de chorro o una cortina de aire.

Distribución de CO del caso 5.

Antes de volver a entrar en la dirección opuesta para la construcción, primero se debe encender el ventilador para ventilación. Tomando el caso 4 como ejemplo, el CO acaba de moverse del túnel izquierdo al túnel derecho después de ventilar durante 600 s, como se muestra en la Fig. 9. En este momento, los ventiladores en ambas direcciones se activaron simultáneamente para que la ventilación detuviera la difusión del CO. en la otra dirección. En los siguientes 300 s, se simuló el efecto de la ventilación y se comparó con el caso 2.

La distribución de CO a lo largo del tiempo del esquema de ventilación de dos etapas se muestra en la Fig. 11. Después de ventilar durante 750 s y 900 s, el valor máximo de la fracción de masa de CO fue de 59,6 mg/m3 y 20 mg/m3, que fue menor que la del caso 2 y también alcanzó el estándar de concentración de seguridad de 30 mg/m3. Suponiendo que la potencia de todos los ventiladores es la misma, se utiliza el producto de la potencia por el tiempo de ventilación para representar el consumo de energía. Y la relación entre el valor de diferencia de consumo de energía y el valor de consumo de energía más grande se usa para calcular el cambio de consumo de energía. La eficiencia de la ventilación se incrementó en un 28,5 % y el consumo de energía se redujo en al menos un 33 % en comparación con el caso 2.

Distribución de CO del esquema de ventilación de dos etapas.

Por lo tanto, se propuso un esquema de ventilación de dos etapas al construir una sola cara de trabajo. En primer lugar, encienda el ventilador en la dirección del frente de trabajo de excavación. Y luego, encienda los ventiladores en ambas direcciones al mismo tiempo. Este esquema de ventilación tiene el potencial de reducir el consumo de energía.

Las características del campo de flujo de aire y del campo de concentración de CO en un túnel de gran altura por eje inclinado se analizaron principalmente a través de un modelo numérico tridimensional. Se discutieron los efectos de los diferentes modos de apertura del ventilador y las diferentes distribuciones iniciales de concentración de CO en la ventilación. Y se propuso un nuevo esquema de ventilación optimizado para mejorar la eficiencia de ventilación y reducir el consumo de energía. Las siguientes son las principales conclusiones.

La principal diferencia en el campo de viento de la ventilación se reflejó en la posición de la región del vórtice, que estaba directamente relacionada con la eficiencia de la ventilación. La región del vórtice provocó que el CO permaneciera durante un período prolongado de tiempo y aumentara el consumo de energía.

Varias distribuciones iniciales de concentración de CO mostraron una migración diferente cuando dos caras de trabajo estaban en construcción al mismo tiempo. La concentración de CO podría alcanzar el nivel seguro después de ventilar durante 15 min cuando se construyó una sola cara de trabajo. La eliminación de las zonas de vórtice y el uso completo del flujo de aire de alta velocidad del eje inclinado podría mejorar la eficiencia relativa de la ventilación en al menos un 18 %.

La distribución de la concentración de CO se alteraría como resultado de diferentes modos de apertura del ventilador. Solo una de las caras de trabajo estaba en construcción y el ventilador en esta dirección estaba encendido, el CO se difundiría hacia el túnel en la otra dirección, formando un área de pico de alta concentración.

El esquema de ventilación de dos etapas debe adoptarse cuando solo una de las caras de trabajo estaba en construcción. La eficiencia de la ventilación se incrementó en un 28,5 % y el consumo de energía se redujo en al menos un 33 %.

Los impactos de la altitud, la técnica de ventilación, el método de construcción y la disposición de los conductos de aire en la ventilación deben estudiarse completamente para el estudio futuro. Al mismo tiempo, este trabajo utilizó principalmente la simulación numérica como método de investigación. La razonabilidad de la simulación numérica debe probarse con mayor precisión en los siguientes pasos, como el monitoreo en el sitio, la prueba del modelo, etc.

Los conjuntos de datos generados y/o analizados durante el estudio actual no están disponibles públicamente, pero están disponibles a través del autor correspondiente a pedido razonable.

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Este trabajo fue apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (Números de subvención: 52168055; 51478118); Fundación de Ciencias Naturales de Guangxi (Concesión n.º: 2018GXNSFDA138009).

Facultad de Ingeniería Civil y Arquitectura, Universidad de Guangxi, 100 University Road, Nanning, 530004, Guangxi, China

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

Escuela de Ingeniería Civil y Arquitectónica, Universidad Tecnológica de China Oriental, Nanchang, 330013, Jiangxi, China

bo-wu

Escuela de Ingeniería Arquitectónica, Facultad de Construcción de la Ciudad de Guangzhou, Guangzhou, 510925, Guangdong, China

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BW: Curaduría de datos, Metodología, Supervisión. RZ: Conceptualización, Metodología, Software, Análisis formal, Redacción—borrador original. GM: Conceptualización. SX, WQ y HC: Investigación.

Correspondencia a Rui Zhao.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Wu, B., Zhao, R., Meng, G. et al. Estudio numérico de la migración de CO2 tras voladuras en túnel de gran altura por pozo inclinado. Informe científico 12, 14696 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-18995-y

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Recibido: 18 mayo 2022

Aceptado: 23 de agosto de 2022

Publicado: 29 de agosto de 2022

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

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