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摘 要：巖石的傳熱性受到多種因素的影響，如溫度場(chǎng)、滲流場(chǎng)、風(fēng)速場(chǎng)。為分析多場(chǎng)耦合對(duì)巖石傳熱性的影響，通過(guò)在巖石外噴灑熱水形成熱源體，在巖石內(nèi)部布置均勻的熱電阻進(jìn)行巖石的溫度測(cè)定，對(duì)測(cè)定裝置通入不同風(fēng)量。經(jīng)過(guò)理論計(jì)算，進(jìn)而驗(yàn)證不同工況下巖石傳熱特性。

關(guān)鍵詞：鐵路隧道；多場(chǎng)耦合；換熱系數(shù)

引言：

隧道由于其封閉性，在使用過(guò)程中產(chǎn)生的大量熱量要靠熱環(huán)境控制系統(tǒng)來(lái)排除。隧道維護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖的傳熱，對(duì)環(huán)控系統(tǒng)熱負(fù)荷的確定以及環(huán)控效果的長(zhǎng)期穩(wěn)定性有著重要影響。

鐵路隧道的出現(xiàn)和發(fā)展為人們的生活帶來(lái)了便利，但受制于技術(shù)條件的限制，在很長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，鐵路隧道的規(guī)模都很有限，直到20世紀(jì)，才開(kāi)始出現(xiàn)了一些大型隧道及深埋隧道，隨之而來(lái)在掘進(jìn)施工中也出現(xiàn)了巖爆及高溫的現(xiàn)象，這些問(wèn)題不僅會(huì)造成巨大的投資浪費(fèi)，而且嚴(yán)重影響施工效率及人身安全。通過(guò)模型制作進(jìn)行了多場(chǎng)耦合下的巖石不穩(wěn)定換熱系數(shù)的測(cè)定與研究，探討巖石與風(fēng)流、溫度等方面相互影響的規(guī)律，進(jìn)而驗(yàn)證不同工況下巖石傳熱特性，以減小安全事故發(fā)生的概率。

1.基本理論分析

1.1.調(diào)熱圈傳熱數(shù)值模型的建立

1.1.1巷道形狀為半圓拱形狀

由于巷道形狀對(duì)于井下龐大圍巖體的傳熱影響是很有限的。所以，為了便于開(kāi)展研究，首先要對(duì)問(wèn)題進(jìn)行簡(jiǎn)化，假設(shè)圍巖在巷道斷面的各個(gè)方向上都是均勻傳熱，熱流方向都為巷道徑向，而巷道形狀對(duì)應(yīng)簡(jiǎn)化為半圓拱形狀。

1.1.2 巷道圍巖均質(zhì)且各向同性

由于地質(zhì)條件千差萬(wàn)別，不同地區(qū)的礦井在不同深度的巖石、結(jié)構(gòu)特性也各不相同，其熱物理性質(zhì)也不一樣。鑒于此，在研究過(guò)程中，若要考慮圍巖的不同特性，問(wèn)題將十分復(fù)雜、難以解決。所以，在建立數(shù)值模型之前，對(duì)巷道圍巖的性質(zhì)進(jìn)行假設(shè)，將其視為均質(zhì)且各向同性。

1.2實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒榻B

本試驗(yàn)裝置主體模型如左圖所示，斷面為半圓拱形狀，長(zhǎng)度為400mm，設(shè)置四個(gè)斷面，每個(gè)斷面布置3個(gè)熱電阻，共計(jì)12個(gè)熱電阻，進(jìn)行溫度的實(shí)時(shí)測(cè)定；通風(fēng)系統(tǒng)采用小型軸流風(fēng)機(jī)進(jìn)行變風(fēng)量測(cè)定；混凝土外側(cè)設(shè)置高溫淋水系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)裝置整體示意圖如右圖所示。

2 風(fēng)流計(jì)算式

通過(guò)測(cè)定的入，出口的空氣溫度，相對(duì)濕度可以確定空氣入口，出口的含濕量。根據(jù)下面的公式，可以計(jì)算出通入空氣經(jīng)過(guò)隧道后所增加的潛熱Qq 。

增加的潛熱Qq 計(jì)算公式：

Qq=m×r×（d2-d1）

式中：m —風(fēng)流所含干空氣的質(zhì)量流量，kg/s；

r —水蒸汽的汽化潛熱2500，kJ/kg ；

d1，d2 —進(jìn)、出口風(fēng)流的含濕量，kg/kg（干空氣）。

增加的顯熱Qx ，計(jì)算公式為：

Qx=m（cp·gt2+cp·qt2d2-cp·gt1-cp·qt1d1） ）

式中：cp·g —干空氣的定壓比熱1.005，kJ/（kg·℃ ）；

cp·q —水蒸汽的定壓比熱1.84，kJ/（kg·℃ ）；

t1·t2 —進(jìn)出口風(fēng)流的溫度，℃ 。

增加的全熱計(jì)算公式為：

Q1=Qq+Qx

假定風(fēng)流在試驗(yàn)平臺(tái)模擬隧道中不受任何外界熱源（冷源）的影響，只受到模擬隧道中圍巖溫度的影響，圍巖的放熱量Q2：

Q2=k1LU（tB-tgu）

TB=（t1+t2）/2

式中：

U —隧道周長(zhǎng)，m；

L —隧道長(zhǎng)度，m；

tgu —模擬隧道原始溫度，℃；

kT —風(fēng)流與圍巖不穩(wěn)定熱交換系數(shù)，kW/m2℃；

根據(jù)熱平衡原理：Q1=Q2 ，求得風(fēng)流與圍巖不穩(wěn)定熱交換系數(shù)。

3試驗(yàn)結(jié)果

基于不同相同風(fēng)量下（200m3/h、400m3/h、600m3/h、800m3/h），不同模擬巷道圍巖溫度的條件下，圍巖溫度設(shè)定為30℃、35℃及40℃，測(cè)試結(jié)果經(jīng)整理后，模擬巷道進(jìn)出溫度變化特性如圖1所示。

圖1 不同巖圍、不同通風(fēng)量下進(jìn)出口溫度變化特性

從圖1我們可以得出如下結(jié)論：

（1）結(jié)合試驗(yàn)系統(tǒng)模擬巷道實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的圍巖溫度及模擬巷道進(jìn)出風(fēng)口的風(fēng)流進(jìn)行測(cè)試，同一風(fēng)量下出口溫度隨著圍巖溫度的上升而隨之升高；

（2）同一風(fēng)量下，隨著圍巖溫度的升高，進(jìn)出口溫差隨之增加，模擬圍巖溫度40℃相比30℃條件下，溫差升高僅1倍左右；

（3）結(jié)合試驗(yàn)系統(tǒng)模擬巷道實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的圍巖溫度及模擬巷道進(jìn)出風(fēng)口的風(fēng)流進(jìn)行測(cè)試，同一圍巖溫度下出口溫度隨著風(fēng)量的升高而隨之減少；

（4）同一模擬圍巖溫度下，隨著風(fēng)量的升高，進(jìn)出口溫差隨之減少，風(fēng)量800 m3/h相比200 m3/h下，溫差降低僅8倍左右，以此驗(yàn)證井下通風(fēng)降溫的可行性，在一定程度下，通風(fēng)降溫可以有效解決礦井高溫高濕環(huán)境的難題。

測(cè)試結(jié)果結(jié)合理論分析與數(shù)值計(jì)算，圍巖不穩(wěn)定換熱系數(shù)的數(shù)據(jù)如表1所示和圖2所示。

表1 不穩(wěn)定換熱系數(shù)計(jì)算數(shù)據(jù)表

圖2不穩(wěn)定換熱系數(shù)變化曲線圖

通過(guò)表1及圖2可以看出，圍巖傳熱系統(tǒng)不穩(wěn)定換熱系數(shù)隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，基本維持在一個(gè)相對(duì)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的狀態(tài)中，不隨通風(fēng)量及圍巖溫度的變化而變化。

4結(jié)論

結(jié)合圍巖傳熱的原理，構(gòu)建了圍巖不穩(wěn)定換熱系數(shù)，系統(tǒng)中包含了模擬巷道通風(fēng)系統(tǒng)、模擬巷道通風(fēng)系統(tǒng)、圍巖溫度模擬試驗(yàn)系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，為進(jìn)一步進(jìn)行更為詳細(xì)的圍巖傳熱及隔熱試驗(yàn)奠定了一定的試驗(yàn)基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

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