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Mar 10, 2023

Um estudo numérico sobre a migração de CO após a detonação em alta

Relatórios Científicos volume 12,

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 14696 (2022) Citar este artigo

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No planalto ocidental da China, os problemas de ventilação causados ​​pela baixa pressão atmosférica devem ser superados. E a migração de CO após a explosão em túneis de alta altitude por eixo inclinado tornou-se uma questão científica significativa. Neste estudo, o método Computational Fluid Dynamics (CFD) foi usado para analisar as características do campo de fluxo na junção do eixo inclinado e do túnel. Além disso, foram discutidos os efeitos de diferentes modos de abertura do ventilador e diferentes distribuições iniciais de concentração de CO na ventilação. Os resultados da simulação mostraram que a principal diferença no campo de vento da ventilação se refletiu na posição da região do vórtice devido aos diferentes modos de abertura do ventilador. Enquanto isso, várias distribuições iniciais de concentração de CO mostraram migração diferente quando não havia diferença de volume de ar entre os túneis esquerdo e direito. Eliminar as zonas de vórtice e usar totalmente o fluxo de ar de alta velocidade pode melhorar a eficiência relativa da ventilação em pelo menos 18%. O CO se acumularia na direção oposta do túnel se apenas um dos ventiladores fosse ligado. Portanto, foi proposto um esquema de ventilação em dois estágios, e o consumo de energia foi reduzido em pelo menos 33%. Esta pesquisa pode fornecer orientações sobre a construção de túneis de alta altitude com múltiplas faces de trabalho para melhorar a eficiência da ventilação e reduzir o consumo de energia.

A China Ocidental se distingue por sua alta altitude, frio extremo e baixa pressão atmosférica. Enquanto isso, a detonação do túnel gerará uma grande quantidade de monóxido de carbono (CO). A hemoglobina (Hb) tem uma alta afinidade pelo CO, o que reduzirá significativamente a capacidade do sangue de transportar oxigênio. É ainda mais fatal no ambiente hostil do planalto1. Para garantir a saúde ocupacional dos trabalhadores e garantir a construção tranquila de um túnel de alta altitude, é necessário estudar com mais profundidade a lei de propagação de CO do túnel de alta altitude.

Durante a construção do túnel, a ventilação forçada ainda é o principal modo de diluição dos gases tóxicos. De Souza e Katsabanis2 usaram um modelo de difusão de gás de explosão para determinar o tempo de reentrada seguro, levando em conta os requisitos de diluição de gases perigosos. Para reduzir as concentrações de gases tóxicos abaixo do limite de concentração o mais rápido possível e reduzir os custos de ventilação, as características do campo de fluxo em um túnel devem ser estudadas para otimização da ventilação. Parra et al.3 investigaram três tipos diferentes de sistemas de ventilação e observaram que o layout do duto de ar afetava diretamente o campo de fluxo de ar. Kurnia et al.4 introduziram um novo sistema de ventilação de ar intermitente para economizar energia. No entanto, existem algumas zonas mortas de ventilação em túneis, como o corredor transversal de um túnel duplo, onde os gases perigosos estão mais concentrados. Foi demonstrado que a aplicação de um jet fan pode resolver esse problema5. Além disso, diferentes parâmetros do jet fan têm diferentes efeitos na melhoria da eficiência ventilatória6,7,8,9,10. Além disso, a tecnologia de cortina de ar está sendo gradualmente implementada na ventilação de túnel. Tem a capacidade de controlar a poeira ou fumaça de explosão em uma área específica, que são rapidamente expelidas pelo duto11. Muitos pesquisadores investigaram as características do campo de fluxo e os parâmetros ideais da ventilação por cortina de ar12,13,14. Além do mais, é amplamente aceito que todos os dutos de ventilação vazam até certo ponto, e a eficiência do duto pode ser usada para avaliar os impactos da taxa de vazamento nos sistemas de ventilação15,16. Wang et al.17 estabeleceram um modelo tridimensional com CFD para analisar a taxa de vazamento. Os resultados da simulação revelaram que a pressão e o volume de vazamento têm efeito na taxa de vazamento ao longo do túnel.

Mas o aumento da altitude traz maiores desafios para a ventilação do túnel. O volume de fluxo de ar necessário, o volume de suprimento do ventilador e as características do campo de fluxo em áreas planas não são mais aplicáveis ​​a áreas de platô. Em primeiro lugar, a privação de oxigênio agravará a combustão insuficiente do motor e aumentará a descarga de gases perigosos. Em geral, o teste Real Driving Emissions (RDE) é o principal método de pesquisa para estudar as emissões de escapamento18. Ramos et al.19 realizaram testes de campo com três combustíveis diferentes e estudaram exaustivamente os efeitos da altitude, combustíveis alternativos e condições de direção nas emissões de escape. Os resultados indicaram que em grandes altitudes as emissões de óxido de nitrogênio (NOx) foram cerca de dez vezes superiores aos limites estabelecidos pelos padrões europeus. Wang et al.20 observaram que as emissões de CO, PN e NOx aumentaram com a altitude, enquanto as emissões de NOx diminuíram quando a altitude excedeu 2.990 m. Correspondendo ao coeficiente de altitude de CO, o coeficiente de altitude de NOx pode ser usado para refletir o impacto da altitude nos fatores de emissão de NOx. De acordo com a comparação, o CO é mais significativamente afetado pela altitude21. Em segundo lugar, o ambiente de planalto exercerá grande influência em muitos sistemas fisiológicos do corpo humano, reduzindo a capacidade média de trabalho e diminuindo a resistência a gases tóxicos. Os trabalhadores estão mais sujeitos a tonturas e até intoxicações22,23,24. A conhecida equação de Coburn-Forster-Kane (CFK) descreve uma relação funcional entre a concentração de CO no ambiente e a concentração de carboxihemoglobina (COHb) no corpo humano, estabelecendo as bases teóricas sólidas para o estudo do limite de concentração de CO25. Além disso, uma queda na densidade do ar afetará o funcionamento normal do ventilador na área do platô26. Como consequência, o ventilador deve ser trocado para atender às necessidades de ventilação do ambiente de grande altitude. Sob a construção do túnel de alta altitude, a evolução espaço-tempo de gases tóxicos ou poeira mudará, o que afeta diretamente o layout da ventilação. As características do transporte de fumaça em incêndios em túneis em grandes altitudes foram minuciosamente investigadas e estudadas27,28,29, o que pode fornecer ideias de pesquisa para ventilação em túneis de alta altitude após a detonação. Huang, Shen, Wang e Liao30 estudaram a lei de migração de CO após a detonação em uma mina de planalto usando um modelo CFD, apontando que o tempo de ventilação necessário para diluir o CO em um local de baixa altitude é obviamente menor do que em uma área de alta altitude. Feng et al.31 usaram simulações numéricas para estabelecer um conjunto de funções de concentração de CO em diversas situações de altitude, que foram verificadas por meio de dados de campo.