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Mar 10, 2023

Une étude numérique sur la migration du CO après dynamitage en haute

Rapports scientifiques volume 12,

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 14696 (2022) Citer cet article

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Sur le plateau occidental de la Chine, les problèmes de ventilation provoqués par la basse pression atmosphérique doivent être surmontés. Et la migration du CO après minage en tunnel de haute altitude par puits incliné est devenue un enjeu scientifique important. Dans cette étude, la méthode Computational Fluid Dynamics (CFD) a été utilisée pour analyser les caractéristiques du champ d'écoulement à la jonction du puits incliné et du tunnel. De plus, les effets des différents modes d'ouverture du ventilateur et des différentes distributions initiales de concentration de CO sur la ventilation ont été discutés. Les résultats de la simulation ont montré que la principale différence dans le champ de vent de ventilation se reflétait dans la position de la région du vortex en raison des différents modes d'ouverture du ventilateur. Pendant ce temps, diverses distributions initiales de concentration de CO ont montré une migration différente lorsqu'il n'y avait pas de différence de volume d'air entre les tunnels gauche et droit. L'élimination des zones de vortex et l'utilisation complète du flux d'air à grande vitesse pourraient améliorer l'efficacité relative de la ventilation d'au moins 18 %. Le CO s'accumulerait dans la direction opposée du tunnel si un seul des ventilateurs était allumé. Par conséquent, un système de ventilation à deux étages a été proposé et la consommation d'énergie a été réduite d'au moins 33 %. Cette recherche peut fournir des orientations sur la construction de tunnels à haute altitude avec plusieurs faces de travail pour améliorer l'efficacité de la ventilation et réduire la consommation d'énergie.

La Chine occidentale se distingue par sa haute altitude, son froid extrême et sa basse pression atmosphérique. Pendant ce temps, le dynamitage du tunnel générera une grande quantité de monoxyde de carbone (CO). L'hémoglobine (Hb) a une forte affinité pour le CO, ce qui réduira considérablement la capacité du sang à transporter l'oxygène. Elle est encore plus meurtrière dans l'environnement hostile des hauts plateaux1. Afin de garantir la santé au travail des travailleurs et d'assurer le bon déroulement de la construction d'un tunnel à haute altitude, il est nécessaire d'étudier plus en profondeur la loi de propagation du CO du tunnel à haute altitude.

Lors de la construction des tunnels, la ventilation forcée reste le principal mode de dilution des gaz toxiques. De Souza et Katsabanis2 ont utilisé un modèle de diffusion des gaz d'explosion pour déterminer le temps de rentrée en toute sécurité, en tenant compte des exigences de dilution des gaz dangereux. Pour réduire le plus rapidement possible les concentrations de gaz toxiques sous la limite de concentration et réduire les coûts de ventilation, les caractéristiques du champ d'écoulement dans un tunnel doivent être étudiées pour optimiser la ventilation. Parra et al.3 ont étudié trois types différents de systèmes de ventilation et ont observé que la disposition des conduits d'air affectait directement le champ de flux d'air. Kurnia et al.4 ont introduit un nouveau système de ventilation à air intermittent afin d'économiser de l'énergie. Cependant, certaines zones mortes de ventilation existent dans les tunnels, comme le couloir transversal d'un bi-tunnel, où les gaz dangereux sont plus concentrés. Il a été démontré que l'application d'un ventilateur à jet peut résoudre ce problème5. De plus, différents paramètres de ventilateur à jet ont des effets différents sur l'amélioration de l'efficacité de la ventilation6,7,8,9,10. De plus, la technologie des rideaux d'air est progressivement mise en œuvre dans la ventilation des tunnels. Il a la capacité de contrôler la poussière ou les fumées de dynamitage dans une zone spécifique, qui sont rapidement évacuées par le conduit11. De nombreux chercheurs ont étudié les caractéristiques du champ d'écoulement et les paramètres optimaux de la ventilation par rideau d'air12,13,14. De plus, il est largement admis que tous les conduits de ventilation fuient dans une certaine mesure, et l'efficacité des conduits peut être utilisée pour évaluer les impacts du taux de fuite sur les systèmes de ventilation15,16. Wang et al.17 ont établi un modèle tridimensionnel avec CFD pour analyser le taux de fuite. Les résultats de la simulation ont révélé que la pression et le volume de fuite ont un effet sur le taux de fuite le long du tunnel.

Mais l'augmentation de l'altitude pose de plus grands défis à la ventilation des tunnels. Le volume de débit d'air requis, le volume d'alimentation du ventilateur et les caractéristiques du champ d'écoulement dans les zones planes ne s'appliquent plus aux zones de plateau. Tout d'abord, la privation d'oxygène aggravera une combustion insuffisante du moteur et augmentera le rejet de gaz dangereux. En général, le test Real Driving Emissions (RDE) est la principale méthode de recherche pour étudier les émissions de gaz d'échappement18. Ramos et al.19 ont mené des essais sur le terrain avec trois carburants différents et ont étudié de manière approfondie les effets de l'altitude, des carburants alternatifs et des conditions de conduite sur les émissions de gaz d'échappement. Les résultats ont indiqué qu'à haute altitude, les émissions d'oxydes d'azote (NOx) étaient environ dix fois supérieures aux limites fixées par les normes européennes. Wang et al.20 ont observé que les émissions de CO, de PN et de NOx augmentaient toutes avec l'altitude, tandis que les émissions de NOx diminuaient lorsque l'altitude dépassait 2990 m. Correspondant au coefficient d'altitude CO, le coefficient d'altitude NOx peut être utilisé pour refléter l'impact de l'altitude sur les facteurs d'émission de NOx. Selon la comparaison, le CO est plus significativement affecté par l'altitude21. Deuxièmement, l'environnement du plateau exercera une grande influence sur de nombreux systèmes physiologiques du corps humain, réduisant la capacité de travail moyenne et abaissant la résistance aux gaz toxiques. Les travailleurs sont plus sujets aux étourdissements et même aux empoisonnements22,23,24. L'équation bien connue de Coburn-Forster-Kane (CFK) décrit une relation fonctionnelle entre la concentration de CO dans l'environnement et la concentration de carboxyhémoglobine (COHb) dans le corps humain, jetant les bases théoriques solides pour l'étude de la limite de concentration de CO25. De plus, une baisse de la densité de l'air aura un effet sur le fonctionnement normal du ventilateur dans la zone de plateau26. En conséquence, le ventilateur doit être changé pour répondre aux besoins de ventilation de l'environnement à haute altitude. Sous la construction du tunnel à haute altitude, l'évolution spatio-temporelle des gaz toxiques ou des poussières va changer, ce qui affecte directement la disposition de la ventilation. Les caractéristiques du transport de la fumée dans les incendies de tunnel à haute altitude ont été étudiées et étudiées en profondeur27,28,29, ce qui peut fournir des idées de recherche pour la ventilation des tunnels à haute altitude après le dynamitage. Huang, Shen, Wang et Liao30 ont étudié la loi de migration du CO après dynamitage dans une mine de plateau à l'aide d'un modèle CFD, soulignant que le temps de ventilation nécessaire pour diluer le CO en basse altitude est évidemment inférieur à celui en haute altitude. Feng et al.31 ont utilisé des simulations numériques pour établir un ensemble de fonctions de concentration de CO dans diverses situations d'altitude, qui ont été vérifiées à l'aide de données de terrain.

En conclusion, de nombreux chercheurs ont mené des recherches sur la ventilation des tunnels à haute altitude et obtenu des résultats fructueux. Cependant, comment optimiser la disposition de la ventilation face à des conditions de construction plus complexes reste un problème important qui nécessite une étude plus approfondie. Afin de raccourcir la période de construction, le puits incliné est souvent mis en place dans un long tunnel pour ajouter plus de faces de travail. Et les flux d'air des tunnels gauche et droit convergeront à la jonction du tunnel et du puits incliné. Une fois les zones de vortex générées, l'efficacité de la ventilation diminuera. L'objectif de cette étude est d'explorer la migration du CO dans les tunnels d'altitude par puits incliné et de révéler l'influence des différents aménagements de ventilation.

En écoulement fluide, la conservation de la masse, la conservation de la quantité de mouvement et la conservation de l'énergie doivent être suivies. Et s'il existe une variété d'espèces, chaque espèce doit également se conformer à la conservation de la masse. L'écoulement laminaire et l'écoulement turbulent sont identiques sous la forme de l'équation générale gouvernante, avec des variables possédant des expressions différentes. De plus, l'équation turbulence-transport doit être incluse dans le calcul de la turbulence. L'équation déterminante du flux laminaire est la suivante.

Équation de conservation de masse ou équation de continuité31 :

Équation de conservation de la quantité de mouvement :

Équation de conservation de l'énergie :

Équation de conservation de la masse des espèces :

où \(\rho \) représente la densité du gaz, kg/m3 ; \(t\) représente le temps, s ; \(p\) représente la pression, Pa ; u = (vx, vy, vz) représente le vecteur vitesse, m/s ; τ représente le tenseur des contraintes ; T représente la température, K ; \(F=\left({F}_{x},{F}_{y}{,F}_{z}\right)\mathrm{ est}\) la force, N ; \(\omega \) est le coefficient de transfert de chaleur total, W/(m \(\mathrm{K}\)); \({c}_{p}\) représente la capacité thermique spécifique, J/(kg \(\mathrm{K}\)) ; \({S}_{T}\) représente le terme de dissipation visqueuse ; \({c}_{s}\) représente la fraction massique ; \({D}_{s}\) représente le coefficient de diffusion, m2/s.

Le modèle standard k – ε est établi pour l'écoulement avec une turbulence pleinement développée, mais n'est pas adapté à un écoulement tourbillonnant fort ou à un écoulement le long de la surface de la paroi incurvée. Yakhot et Orzag32 ont d'abord proposé le modèle RNG k–ε, qui est efficace pour prédire des écoulements turbulents complexes avec des taux de déformation élevés. Il a été bien appliqué dans la dispersion des polluants33,34,35,36. Les équations de k et ε sont les suivantes :

où \(k\) représente l'énergie cinétique turbulente, \({m}^{2}/{s}^{2} ; {G}_{k}\) représente la production due au cisaillement de vitesse moyenne ; \(\varepsilon \) représente le taux de dissipation de l'énergie cinétique turbulente, \({m}^{2}/{s}^{3} ; \mu \) et \({\mu }_{t}\) sont la viscosité laminaire et turbulente, \(\mathrm{pa s}\), \({\mu }_{t}=\rho {C}_{\mu }{k}^{2}/\varepsilon \) ; \({C}_{1\varepsilon }\), \({C}_{2\varepsilon }\), \({C}_{\mu }\), \({\sigma }_{k }\) et \({\sigma }_{\varepsilon }\) sont des constantes avec \({C}_{1\varepsilon }=1,42\), \({C}_{2\varepsilon }=1,68\ ), \({C}_{\mu }=0,0845\), \({\sigma }_{k}={ \sigma }_{\varepsilon }=0,7179 ; {R}_{\varepsilon }\) représente un terme supplémentaire.

Peu importe qu'il s'agisse du modèle standard k – ε, du modèle RNG k – ε ou du modèle réalisable k – ε, ils ne sont efficaces que pour la turbulence pleinement développée, c'est-à-dire que les trois modèles ci-dessus sont tous des modèles à nombre de Reynolds élevé, qui ne peut résoudre que les écoulements dans la région centrale de la turbulence. Alors que dans la région du mur, les situations d'écoulement varient considérablement. Surtout dans la sous-couche visqueuse, l'écoulement est presque laminaire et l'effet de pulsation de la turbulence est inférieur à celui de la viscosité moléculaire. La fonction mur est généralement appliquée à cette zone.

En raison de la compressibilité de l'air, il existe une relation non linéaire entre la pression atmosphérique et l'altitude. Pendant ce temps, la densité de l'air est réduite. En ignorant les effets de la latitude, de la longitude et de la saison, la pression atmosphérique et la densité de gaz variant avec l'altitude peuvent être calculées par les formules suivantes30 :

où \(P\) représente la pression atmosphérique à différentes altitudes, Pa ; \(H\) représente l'altitude, m ; \({\rho }_{0}\) représente la densité de l'air dans des conditions standard, 1,293 kg/m3 ; \(T\) représente la température à différentes altitudes, K.

Une zone de projection de fumée se formera dans le tunnel après le dynamitage. Un grand nombre de produits gazeux seront produits dans ce processus. Les fumées de dynamitage contiennent une variété de composants, dont la plupart sont toxiques et nocifs pour la santé humaine. Dans cet article, le CO des fumées de dynamitage est pris comme objet de recherche. On suppose que le CO est uniformément réparti dans la zone de projection et la concentration massique peut être calculée comme suit :

où \(C\) représente la fraction massique de CO ; \(m\) représente la quantité d'amorçage explosif, kg ; \(q\) représente le volume de CO généré par l'explosif par unité de masse, 0,04 m3/kg ; \({M}_{CO}\) représente la masse molaire de CO, 28 g/mol ; \({M}_{air}\) représente la masse molaire de l'air, 29 g/mol ; \({L}_{0}\) représente la longueur de projection de fumée, m ; \(A\) représente la section transversale du tunnel, m2 ; \({C}_{m}\) représente la concentration massique de CO en valeur initiale, mg/m3 ; \({C}_{v}\) représente les parties par million de CO.

Le tunnel de Kangding est l'un des projets d'ingénierie dominants sur le chemin de fer Sichuan-Xizang, qui est situé dans la section entre Kangding et Huojiazhong. La longueur totale du tunnel est de 20 793 m et l'altitude est de 3 700 m. Parce qu'il est situé dans une zone climatique semi-aride du plateau, avec un hiver long et froid, de fréquentes catastrophes de basse température et de gel, et de graves maladies de gel-dégel, des mesures d'isolation thermique efficaces doivent être prises dans le processus de construction. Affecté par l'ultra-haute altitude, la teneur en oxygène atmosphérique dans l'environnement à basse pression n'est que d'environ 60% de celle au niveau de la mer. Pendant ce temps, la teneur en oxygène dans le tunnel est inférieure à celle à l'extérieur. Les travailleurs de la construction et les équipements mécaniques ont subi des pertes importantes d'efficacité de travail dans un environnement pauvre en oxygène. La construction du puits incliné 2# dans le tunnel de Kangding est divisée en deux étapes : la première étape est la construction du puits incliné et la deuxième étape est la construction des tunnels gauche et droit en même temps. La ventilation forcée est utilisée dans les deux étapes pour diluer les gaz nocifs. Cet article étudie principalement le dispositif de ventilation du deuxième étage.

En raison des conditions de travail complexes qui existent lors de la construction réelle du tunnel, de nombreux aspects imprévus de la situation réelle ne peuvent être pleinement pris en compte par la simulation numérique par ordinateur. En conséquence, plusieurs paramètres sans importance qui n'ont aucune incidence sur les résultats finaux de la simulation peuvent être négligés. Pour des raisons de calcul numérique, les hypothèses suivantes sont proposées : (1) le gaz est composé d'un grand nombre de molécules. L'état d'écoulement d'une seule molécule est défini par une discontinuité dans l'espace et un caractère aléatoire dans le temps. Le gaz est caractérisé par la continuité et la certitude dans l'espace et le temps lorsque le nombre de molécules atteint un niveau spécifique. Parce que la recherche de simulation dans ce travail est basée sur Fluent, l'air dans le tunnel doit être traité comme un milieu continu avant la simulation. (2) Parce que tous les fluides sont compressibles, leur densité varie avec la température et la pression. Le flux d'air dans le tunnel, quant à lui, est un fluide à faible vitesse, visqueux et incompressible. (3) Dans le tunnel, le champ d'écoulement d'air maintient une température constante et il n'y a pas de transfert de chaleur entre le mur et l'environnement. (4) Pendant la phase de diffusion, les gaz sont simplement de l'air et du CO, et aucune réaction chimique ne se produit.

L'ANSYS 2020R2 (https://www.ansys.com/products/3d-design/ansys-spaceclaim) a été utilisé pour établir un modèle 3D. La direction du tunnel est le long de l'axe Z et la face de travail droite est située dans le plan X–Y. La taille de la section du tunnel et du puits incliné est de 128 m2 et 52 m2, et 170 m derrière chaque face de travail sont sélectionnés pour le calcul. La distance entre le conduit d'air et le front de taille est de 35 m et le diamètre du conduit d'air est de 1,8 m. L'angle formé par le puits incliné et le tunnel gauche est de 45°. Compte tenu de la situation réelle de cette simulation numérique, il faut beaucoup de temps pour diviser le maillage structuré par l'ICEM. Bien que l'efficacité du calcul puisse être sensiblement augmentée en utilisant le maillage non structuré, la qualité du maillage tétraédrique est médiocre, et la solution est facilement divergée. Par conséquent, Fluent-Meshing a été sélectionné pour diviser le maillage, ce qui garantit non seulement la qualité du maillage, mais également un gain de temps considérable pour la génération de la grille. Les polyèdres ont été sélectionnés comme types de maillage. Le modèle physique et le maillage du tunnel sont comme indiqué sur la Fig. 1.

Modèle physique et maillage du tunnel.

Les conditions aux limites et les conditions initiales sont appelées conditions de solution. L'unique solution du champ d'écoulement n'existe que lorsque les conditions aux limites et les conditions initiales sont déterminées. Une fois le maillage importé dans le logiciel Fluent, les conditions aux limites correspondantes doivent être définies comme suit : (1) les deux entrées ont été définies comme entrée de vitesse et l'amplitude de la vitesse était de 20 m/s. (2) La sortie a été définie comme sortie de pression. (3) Le front de taille et le mur intérieur du tunnel sont tous deux des murs fixes et ont été définis comme limite du mur.

L'étude de l'influence du champ d'écoulement stable sur l'effet de ventilation après le dynamitage joue un rôle important dans la détermination du schéma de ventilation pour la construction de tunnels à haute altitude, l'amélioration de l'efficacité de la ventilation et la réduction de la consommation d'énergie. Une simulation en régime permanent peut d'abord être utilisée pour considérer l'influence d'un champ d'écoulement stable sur la ventilation du tunnel. Les valeurs de tous les résidus ont diminué rapidement à moins de \(1\times {10}^{-3}\), indiquant la convergence du calcul et fournissant de meilleures conditions initiales pour la simulation transitoire. Les paramètres de la solution en simulation numérique sont présentés dans le tableau 1.

Lorsque la CFD est utilisée pour analyser les champs d'écoulement et la diffusion de gaz, une mauvaise qualité de maillage affectera directement la précision et la fiabilité de la simulation, il est donc nécessaire de tester l'indépendance du maillage. Fluent-Meshing a été utilisé pour diviser le modèle en trois grilles de qualité différente, y compris des grilles de faible qualité (1 982 150 cellules), des grilles de qualité moyenne (3 075 091 cellules) et des grilles de haute qualité (3 472 652 cellules). La vitesse moyenne de l'air a été sélectionnée comme indice de détection de l'indépendance du maillage, et Fluent a été importé pour calculer la distribution de vitesse des trois grilles. La figure 2 montre que la vitesse moyenne de l'air des grilles de qualité moyenne et des grilles de haute qualité était très proche, indiquant que l'indépendance du maillage a été atteinte. Dans cette étude, des grilles de qualité moyenne ont été sélectionnées pour assurer l'efficacité et la précision des calculs.

Analyse de l'indépendance du maillage.

En plus de s'assurer que les résultats de calcul sont indépendants du maillage pour la simulation transitoire, il est également nécessaire de s'assurer que le pas de temps n'affecte pas les résultats de calcul finaux. Si le pas de temps est trop grand, l'écart de calcul peut être important, ce qui conduit à ne pas montrer la vraie loi de changement physique. Par conséquent, la section Z = 10 m a été sélectionnée et la fraction massique moyenne de CO dans cette section a été calculée. Trois types de pas de temps différents ont été choisis : 0,2 s, 0,1 s et 0,05 s. La fraction massique moyenne de CO dans cette section en 60 s est illustrée à la Fig. 3. Le diagramme montre que les trois courbes étaient assez proches, indiquant que le pas de temps avait peu d'effet sur les résultats des calculs. Pour l'étude, le pas de temps a été fixé à 0,1 s pour assurer l'efficacité du calcul.

Vérification de la méthode de modélisation.

Le projet étant encore au stade préparatoire, les données de terrain correspondantes ne peuvent pas être obtenues. Cette étude sert de recherche préliminaire pour fournir des conseils et des suggestions correspondants pour la construction pratique. La théorie du jet turbulent est largement étudiée et vérifiée par des données expérimentales depuis le siècle dernier37,38,39. Pour vérifier davantage la précision du modèle, les valeurs de simulation de la vitesse de l'air dans la région d'écoulement pleinement développée ont été comparées aux valeurs de calcul théoriques, comme indiqué dans le tableau 2. Bien qu'il y ait une certaine différence entre la valeur de simulation et la valeur de la formule empirique, mais la tendance à la réduction était la même et l'erreur absolue fluctuait également autour de 1,8 m/s. Compte tenu de l'influence du gradient de vitesse, de l'erreur de troncature et du changement des paramètres physiques du gaz dans cette simulation numérique, la méthode de modélisation utilisée dans cette étude est réalisable. La vitesse axiale dans la zone d'écoulement entièrement développée peut être calculée comme suit :

où \({v}_{m}\) représente la vitesse axiale du jet turbulent, m/s ; \({v}_{0}\) représente la vitesse de sortie de l'air, m/s ; \(\alpha \) représente le coefficient de turbulence, 0,08 pour un tuyau rond ; \(S\) représente la distance depuis l'embouchure du ventiduct, m ; \({d}_{0}\) représente le diamètre du conduit, m.

Dans la deuxième étape de la construction, l'air frais est forcé de l'embouchure du conduit d'aération vers la face de travail par un ventilateur axial dans les deux sens pour diluer les gaz nocifs. Le flux d'air pollué est finalement évacué du puits incliné. Cependant, le flux d'air et la diffusion de gaz nocifs sont différents de ceux d'un système de ventilation à tunnel unique en raison de la confluence du flux d'air dans deux directions au niveau de la zone de jonction du puits incliné et du tunnel. Cet article a choisi cinq conditions de travail pour l'analyse afin d'étudier de la manière la plus complète possible la migration du CO dans les tunnels à haute altitude par puits incliné. Cas 1 : Les deux directions du tunnel effectuent des travaux de forage et de dynamitage, et les ventilateurs dans les deux directions fonctionnent en même temps. Cas 2 : Seul le tunnel de gauche effectue des travaux de forage et de dynamitage, mais les ventilateurs dans les deux sens fonctionnent en même temps. Cas 3 : Seul le tunnel de droite effectue des travaux de forage et de dynamitage, mais les ventilateurs dans les deux sens fonctionnent en même temps. Cas 4 : Seul le tunnel de gauche effectue des travaux de forage et de dynamitage, et le ventilateur dans cette direction fonctionne. Cas 5 : Seul le tunnel droit effectue des travaux de forage et de dynamitage, et le ventilateur dans cette direction fonctionne.

Selon le code national chinois, "Règlements de sécurité pour le dynamitage", une ventilation appropriée doit être effectuée après la construction du dynamitage. Le personnel de construction est autorisé à accéder au site d'opération de dynamitage après s'être assuré que la qualité de l'air du site de dynamitage souterrain est certifiée, que la ventilation est suffisante et que le temps d'attente est supérieur à 15 min. Par conséquent, cet article prend principalement la hauteur de respiration y = 1,5 m comme plan de recherche pour analyser la distribution du champ d'écoulement et la distribution de la concentration de CO dans le tunnel.

La ventilation des deux côtés n'est pas complètement symétrique car le puits incliné ne coupe pas le tunnel verticalement. Par conséquent, la ventilation des tunnels gauche et droit lorsqu'ils sont construits séparément doit être analysée et comparée à la ventilation d'une construction simultanée. La distribution du champ d'écoulement d'air dans le tunnel a été illustrée à la Fig. 4a.

Champ d'écoulement d'air de la région du tunnel.

Il n'y a que trois champs de ventilation pour les cinq conditions de construction énumérées ci-dessus. Pour étude et discussion, tout type de champ d'écoulement de ventilation peut être divisé en région de tunnel et région de puits incliné, comme illustré à la Fig. 1.

Comme le montre la figure 4b, les caractéristiques typiques des jets muraux ont été affichées près de la face de travail. La région de développement de l'écoulement s'est progressivement étendue à partir de la sortie du conduit d'air et l'air environnant a été aspiré dans l'écoulement du jet. Lors de la collision avec le front de taille dans le tunnel, le flux du jet s'est déplacé dans la direction opposée en raison de l'obstruction du front de taille, créant ainsi une zone de reflux. En raison de l'effet d'entraînement du jet à grande vitesse, il entraînerait l'air à faible vitesse autour de lui, entraînant la formation d'une zone de vortex entre la bouche du ventiduct et la face de travail. Et le flux inverse serait également affecté dans ce domaine. En raison du mouvement tourbillonnant des particules dans la région du vortex, la diffusion des polluants serait entravée. Lorsque la distance entre le front de travail et la bouche du ventiduct dépassait 35 m, le flux du jet n'aspirait plus l'air ambiant. Et le débit d'air global a tendance à être stable à mesure que la distance par rapport au front de travail augmente. Ceci est conforme aux recherches précédentes40.

Afin d'analyser plus directement la variation de la vitesse moyenne du vent dans la zone avec la distance, 17 sections ont été obtenues uniformément tous les 10 m le long des tunnels gauche et droit. La viscosité du fluide a converti l'énergie cinétique en énergie interne, entraînant une diminution progressive de la vitesse du vent avec la distance, qui a chuté à environ 0,40 m/s à 70 m du front de taille, comme le montre la figure 4c. Les deux courbes de vitesse moyenne du vent étaient essentiellement identiques, indiquant que la simulation était fiable.

La plus grande variation entre les trois champs d'écoulement de ventilation se situe dans la région du puits incliné, en raison des conditions d'ouverture variées des ventilateurs dans les tunnels gauche et droit.

Lorsque les ventilateurs des tunnels gauche et droit sont allumés en même temps, le champ d'écoulement de ventilation dans la zone de puits incliné peut être divisé en 4 régions : la région de confluence, la région vortex, la région multidirectionnelle et la région stable. Le champ d'écoulement dans la zone de l'arbre incliné est illustré à la Fig. 5a, et les conclusions suivantes peuvent être tirées : (1) En raison de la faible vitesse du champ d'écoulement, aucun vortex visible ne s'est formé à la confluence de l'arbre incliné et du tunnel, mais il y avait une ligne de démarcation évidente lorsque les flux d'air opposés gauche et droit ont convergé. Il était divisé par des tirets rouges dans le diagramme. (2) Au fur et à mesure que le flux d'air se déplaçait vers l'arbre incliné, il s'est séparé de la paroi latérale et a formé une zone de vortex triangulaire à faible vitesse. (3) Le volume d'air était égal dans les deux sens lorsque les deux ventilateurs maintenaient la même puissance. Cependant, la largeur du flux d'air entrant dans le puits incliné depuis le tunnel de gauche était légèrement inférieure à celle du tunnel de droite. Il a été considéré que l'angle entre le tunnel gauche et le puits incliné était un angle aigu, d'où le changement d'impulsion du flux d'air gauche dans le puits incliné était supérieur à celui du flux d'air droit. Par conséquent, la perte d'énergie du flux d'air gauche était supérieure à celle du flux d'air droit. (4) Le débit d'air a augmenté à mesure qu'il pénétrait dans le puits incliné depuis le tunnel. La raison en était que la zone de la section de puits inclinée était plus petite que celle de la section de tunnel. Lorsque le volume du flux d'air est resté constant, la surface de la section a diminué et la vitesse a augmenté. Combiné avec la conclusion 2, l'amplitude d'augmentation de la vitesse du flux d'air gauche était supérieure à celle du flux d'air droit, ce qui était cohérent avec l'image de distribution de vitesse. (5) De plus, il convient de noter qu'il existait une zone morte de ventilation d'une longueur d'environ 24,6 m sur le côté gauche du puits incliné, où le flux principal était séparé du mur, formant une zone de vortex entre le flux principal flux et le mur en raison de l'action d'inertie. La zone de vortex augmentait la turbulence du fluide. Pendant ce temps, l'échange de masse entre la région du vortex et la région principale se poursuivrait, et les particules en mouvement du vortex seraient transportées en aval par le courant principal, ce qui intensifiait l'intensité de la turbulence du courant principal dans une certaine plage de l'aval et augmentait encore le perte d'énergie. (6) Le gradient de pression défavorable s'est produit à la suite de la séparation de la couche limite, entraînant un flux d'air se déplaçant vers le côté gauche de l'arbre incliné. La zone de vortex a disparu lorsque le flux d'air a atteint la paroi gauche du puits incliné. Lorsque le flux d'air a été bloqué par la paroi gauche du puits incliné, il s'est déplacé vers le côté droit et a recoupé le courant principal le long du puits incliné, formant une zone multidirectionnelle d'une longueur d'environ 52,4 m.

Champ d'écoulement d'air de la région inclinée de l'arbre.

Lorsque seul le ventilateur du tunnel de gauche était allumé, le champ d'écoulement dans la zone du puits incliné est illustré à la Fig. 5b, et les conclusions suivantes peuvent être tirées : (1) La largeur de la section du tunnel était supérieure à celle du arbre incliné. En conséquence, lorsque le flux d'air dans le tunnel de gauche se déplaçait vers le puits incliné, une partie du flux d'air serait bloquée par la paroi du tunnel de droite et créerait une zone de vortex dans le tunnel de droite. (2) Semblable au cas où les ventilateurs gauche et droit étaient allumés en même temps, une zone morte de ventilation se formerait sur le côté gauche de l'arbre incliné. (3) Étant donné que le volume d'air d'un seul ventilateur était inférieur à celui de deux ventilateurs, l'augmentation de la vitesse de l'air après l'entrée du flux d'air dans l'arbre incliné était considérablement réduite et le flux d'air global avait tendance à être stable plus rapidement. Cependant, le gradient de pression défavorable était également faible, ce qui rendait la région du vortex plus longue que celle illustrée sur la figure 5a.

Lorsque seul le ventilateur du tunnel droit était allumé, le champ d'écoulement dans la zone de l'arbre incliné est illustré à la Fig. 5c, et les conclusions suivantes peuvent être tirées : (1) Similaire au cas où seul le ventilateur du tunnel gauche était activé, une partie du flux d'air serait bloquée par la paroi du tunnel gauche et créerait une zone de vortex dans le tunnel gauche lorsque le flux d'air dans le tunnel droit se déplacerait vers le puits incliné. (2) L'angle formé par le tunnel droit et le puits incliné était obtus. En conséquence, le flux d'air est entré plus facilement dans l'arbre incliné. De plus, comme il n'y avait pas de séparation entre le flux d'air et le mur, il n'y avait pas de zone de vortex perceptible dans le puits incliné. (3) Le flux d'air global dans le puits incliné est resté stable, sans signe de stratification du gradient de vitesse.

La distribution du champ aéraulique a un impact significatif sur la distribution du champ de concentration en CO. Cependant, le processus de migration est dynamique et complexe. Il est difficile d'établir la loi de répartition du CO dans le temps en analysant uniquement le champ aéraulique. Par conséquent, une discussion plus approfondie du champ de concentration de CO est nécessaire.

La distribution du CO dans le temps du cas 1 est illustrée à la Fig. 6. Les conclusions suivantes peuvent être tirées : (1) Après avoir ventilé pendant 150 s, le CO a migré vers la sortie du puits incliné et a présenté l'effet de couplage de la migration et de la diffusion. . Parallèlement, la zone CO se déforme progressivement sous l'effet du flux d'air et s'allonge continuellement dans la région du tunnel, dans laquelle un pic de concentration en CO peut être constaté. Par ailleurs, une partie du CO du tunnel gauche est d'abord entrée dans le puits incliné puis s'est étendue en une bande élancée, la longueur étendue étant supérieure à celle du tunnel droit. (2) Après ventilation pendant 300 s, le CO a été efficacement dilué près de la face de travail. Une frontière nette a pu être trouvée entre les masses d'air sous l'effet du champ d'écoulement dans la région de confluence. Notez que le CO n'avait pas encore diffusé dans la zone de vortex triangulaire. De plus, le flux d'air dans les deux sens était entièrement mélangé dans la région du vortex de l'arbre incliné, formant un pic de concentration. Le CO diffuse progressivement dans la zone morte de ventilation du côté gauche du puits incliné. De plus, il a été démontré que le CO avait une forme ondulée dans la région multidirectionnelle de l'arbre incliné. Et le CO a été progressivement uniformément réparti avec l'augmentation de la distance de ventilation. (3) Après ventilation pendant 450 s, la valeur maximale de la fraction massique de CO avait atteint la sortie du puits incliné. Cependant, du fait de l'influence de la zone morte de ventilation du côté gauche du puits incliné, le pic de concentration apparaît également dans cette zone. (4) Après avoir ventilé pendant 600 s, le CO resterait dans la zone de vortex triangulaire et la zone morte de ventilation sur le côté gauche de l'arbre incliné, et le pic de concentration apparaîtrait dans la zone de vortex triangulaire. (5) Après ventilation pendant 750 s et 900 s, la valeur maximale de la fraction massique de CO était de 157 mg/m3 et 51 mg/m3, ce qui ne respectait pas la norme de concentration limite de 30 mg/m3. Cela pourrait être causé par l'effet combiné de la haute altitude et de la zone de vortex. Cependant, les travailleurs de la construction sont autorisés à inspecter le front de taille pendant une période limitée. Les conclusions ci-dessus sont cohérentes avec l'analyse du champ aéraulique.

Répartition du CO du cas 1.

En raison du calendrier réel de construction du tunnel, il existe une situation dans laquelle une seule direction du front de taille du tunnel est excavée dans une certaine période de temps. Si le champ d'écoulement reste inchangé, des distributions initiales distinctes de CO généreront des variations différentes du champ de concentration.

La distribution du CO dans le temps du cas 2 est illustrée à la Fig. 7. Les conclusions suivantes peuvent être tirées : (1) Dans la région de confluence, de vortex et multidirectionnelle de l'arbre incliné, le CO était distribué sur le côté gauche de la arbre incliné. Cela indiquait que le flux d'air du tunnel droit était capable d'empêcher efficacement le CO de se diffuser dans le tunnel droit. (2) Après ventilation pendant 450 s et 600 s, le pic de concentration apparaissait toujours dans la zone morte de ventilation sur le côté gauche du puits incliné. Le CO s'accumulerait dans cette zone pendant longtemps. Parce que le flux d'air à grande vitesse sur le côté droit de l'arbre incliné n'était pas pleinement utilisé, l'efficacité de la ventilation de toute la zone était réduite. (3) Après ventilation pendant 750 s, le pic de concentration apparaît dans la zone triangulaire du vortex. Et après ventilation pendant 900 s, la concentration maximale était de 28 mg/m3, ce qui a atteint la norme de concentration sécuritaire de 30 mg/m3. (4) La valeur n'était pas une simple relation multiple lorsqu'elle était comparée à la valeur maximale de la concentration après mélange complet du flux d'air dans les deux sens. Cela a été principalement influencé par la région du vortex et la distribution du gradient de vitesse.

Répartition du CO du cas 2.

La distribution du CO dans le temps du cas 3 est illustrée à la Fig. 8. Les conclusions suivantes peuvent être tirées : (1) Après avoir ventilé pendant 150 s, le pic de concentration du tunnel droit était supérieur à celui du cas 2. Cela était principalement dû au fait que le flux d'air du tunnel droit pénétrait dans le puits incliné à travers une grande région, entraînant un débit lent, et que la concentration de CO était plus élevée dans la région du tunnel. (2) Comme dans le cas 2, le flux d'air du tunnel gauche a pu empêcher efficacement la diffusion du CO vers le tunnel gauche et la zone morte de ventilation sur le côté gauche du puits incliné. La différence était que dans la zone multidirectionnelle, le CO était progressivement réparti uniformément dans le puits incliné. (3) Après ventilation pendant 450 s et 600 s, les pics de concentration étaient plus petits que ceux du cas 2. Cela était dû à la vitesse élevée du flux d'air sur le côté droit de l'arbre incliné. (4) Bien que la concentration maximale soit apparue dans la région du vortex triangulaire après ventilation pendant 750 s et que la valeur soit légèrement supérieure à celle du cas 2, la concentration maximale était de 23 mg/m3 après ventilation pendant 900 s, ce qui était significativement inférieur à celui de cas 2 et a également atteint la norme de concentration de sécurité de 30 mg/m3. Le rapport de la valeur maximale de la différence de concentration à la plus grande valeur de concentration a été utilisé pour calculer le changement d'efficacité de la ventilation. Il a montré que l'efficacité globale de la ventilation était augmentée de 18 % par rapport au cas 2.

Répartition du CO du cas 3.

Si la distance d'excavation du tunnel est inférieure à 200 m, tout le personnel de construction dans la zone du tunnel doit être évacué. Lorsqu'il n'y a qu'un seul front de taille pour l'excavation, seul le ventilateur dans cette direction est activé pour des économies d'énergie, tandis que les ventilateurs dans la direction opposée ne le sont pas. La distribution du CO dans le temps du cas 4 est illustrée à la Fig. 9. Les conclusions suivantes peuvent être tirées : (1) Après ventilation pendant 150 s et 300 s, la section de puits incliné a été entièrement utilisée pour la ventilation. En raison de l'inertie, le CO serait d'abord proche de la paroi droite du puits incliné, puis se diffuserait dans la zone de ventilation morte sur le côté gauche du puits incliné. (2) Après avoir ventilé pendant 450 s, une grande zone de concentration élevée apparaîtrait et la concentration maximale était supérieure à celle des trois cas précédents, ce qui est dû au fait que la vitesse moyenne du vent de la section de puits inclinée est devenue plus petite sous le fonctionnement d'un ventilateur unique. Pendant ce temps, le CO commencerait progressivement à se déplacer vers le bon tunnel. (3) En raison de la faible vitesse du vent, le CO a été distribué obliquement le long de la paroi latérale près du puits incliné, et la plage de diffusion dans le tunnel droit n'a pas beaucoup changé.

Répartition du CO du cas 4.

La distribution du CO dans le temps du cas 5 est illustrée à la Fig. 10. Les conclusions suivantes peuvent être tirées : (1) Après ventilation pendant 300 s, le CO s'est diffusé dans le tunnel gauche. On a considéré que lorsque le vent ne venait que du tunnel droit, la distribution des vitesses était relativement moyenne. Le CO ne serait pas distribué dans une bande mince lors de la migration vers le puits incliné, provoquant la diffusion de plus de CO dans le tunnel gauche. (2) En raison de la formation d'une région de vortex dans le tunnel gauche, une région de pic de concentration évidente se formerait dans le tunnel gauche. (3) Après ventilation pendant 750 s et 900 s, la valeur maximale de la fraction massique de CO était de 219 mg/m3 et 193 mg/m3, ce qui ne respectait pas la norme de concentration limite de 30 mg/m3. (4) Par rapport au cas 4, la concentration maximale de CO était plus élevée, la plage de distribution était plus large et le temps de ventilation était plus long. Pour améliorer cette condition et augmenter l'efficacité de la ventilation, envisagez d'installer un ventilateur à jet ou un rideau d'air.

Répartition du CO du cas 5.

Avant de rentrer dans la direction opposée pour la construction, le ventilateur doit d'abord être allumé pour la ventilation. En prenant le cas 4 comme exemple, le CO vient de passer du tunnel gauche au tunnel droit après avoir ventilé pendant 600 s, comme le montre la Fig. 9. À ce moment, les ventilateurs dans les deux sens ont été activés simultanément pour que la ventilation empêche le CO de diffuser. dans l'autre sens. Dans les 300 s suivantes, l'effet de la ventilation a été simulé et comparé au cas 2.

La distribution du CO dans le temps du schéma de ventilation à deux étages est illustrée à la Fig. 11. Après avoir ventilé pendant 750 s et 900 s, la valeur maximale de la fraction massique de CO était de 59,6 mg/m3 et 20 mg/m3, ce qui était inférieur à celle du cas 2 et atteint également la norme de concentration de sécurité de 30 mg/m3. En supposant que la puissance de tous les ventilateurs est la même, le produit de la puissance et du temps de ventilation est utilisé pour représenter la consommation d'énergie. Et le rapport de la valeur de différence de consommation d'énergie à la plus grande valeur de consommation d'énergie est utilisé pour calculer le changement de consommation d'énergie. L'efficacité de la ventilation a été augmentée de 28,5 % et la consommation d'énergie a été réduite d'au moins 33 % par rapport au cas 2.

Répartition du CO du schéma de ventilation à deux étages.

Par conséquent, un schéma de ventilation à deux étages a été proposé lors de la construction d'un seul front de taille. Tout d'abord, allumez le ventilateur en direction du front de taille de l'excavation. Et ensuite, allumez les ventilateurs dans les deux sens en même temps. Ce système de ventilation a le potentiel de réduire la consommation d'énergie.

Les caractéristiques du champ d'écoulement d'air et du champ de concentration de CO dans un tunnel à haute altitude par puits incliné ont été analysées principalement à l'aide d'un modèle numérique tridimensionnel. Les effets des différents modes d'ouverture du ventilateur et des différentes distributions initiales de concentration de CO sur la ventilation ont été discutés. Et un nouveau schéma de ventilation optimisé a été proposé pour améliorer l'efficacité de la ventilation et réduire la consommation d'énergie. Voici les principales conclusions.

La principale différence dans le champ de vent de ventilation se reflétait dans la position de la région du vortex, qui était directement liée à l'efficacité de la ventilation. La région du vortex a fait que le CO reste pendant une période prolongée et a augmenté la consommation d'énergie.

Diverses distributions initiales de concentration de CO ont montré une migration différente lorsque deux fronts de taille étaient en construction en même temps. La concentration de CO a pu atteindre le niveau de sécurité après une ventilation de 15 minutes lorsqu'une seule face de travail a été construite. L'élimination des zones de vortex et l'utilisation complète du flux d'air à grande vitesse de l'arbre incliné pourraient améliorer l'efficacité relative de la ventilation d'au moins 18 %.

La répartition de la concentration de CO serait modifiée en raison des différents modes d'ouverture du ventilateur. Une seule des faces de travail était en construction et le ventilateur dans cette direction était allumé, le CO se diffuserait dans le tunnel dans l'autre sens, formant une zone de pic de concentration élevée.

Le schéma de ventilation à deux étages devrait être adopté lorsqu'un seul des fronts de taille était en construction. L'efficacité de la ventilation a été augmentée de 28,5 % et la consommation d'énergie a été réduite d'au moins 33 %.

Les impacts de l'altitude, de la technique de ventilation, de la méthode de construction et de la disposition des conduits d'air sur la ventilation doivent être complètement étudiés pour la future étude. Parallèlement, ces travaux ont principalement utilisé la simulation numérique comme méthode de recherche. Le caractère raisonnable de la simulation numérique devrait être prouvé plus précisément dans les prochaines étapes, telles que la surveillance sur site, les tests de modèles, etc.

Les ensembles de données générés pendant et/ou analysés pendant l'étude actuelle ne sont pas accessibles au public, mais sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

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Collège de génie civil et d'architecture, Université du Guangxi, 100 University Road, Nanning, 530004, Guangxi, Chine

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

École de génie civil et architectural, Université de technologie de Chine orientale, Nanchang, 330013, Jiangxi, Chine

Bo Wu

École d'ingénierie architecturale, Guangzhou City Construction College, Guangzhou, 510925, Guangdong, Chine

Bo Wu

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BW : Curation des données, Méthodologie, Supervision. RZ : Conceptualisation, Méthodologie, Logiciel, Analyse formelle, Rédaction — ébauche originale. GM : Conceptualisation. SX, WQ et HC : Enquête.

Correspondance à Rui Zhao.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

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Reçu : 18 mai 2022

Accepté : 23 août 2022

Publié: 29 août 2022

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

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