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Mar 10, 2023

Uno studio numerico sulla migrazione della CO dopo l'esplosione in alta quota

Scientific Reports volume 12,

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 14696 (2022) Citare questo articolo

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Sull'altopiano occidentale della Cina occorre superare i problemi di ventilazione causati dalla bassa pressione atmosferica. E la migrazione di CO2 dopo l’esplosione in un tunnel ad alta quota mediante un pozzo inclinato è diventata una questione scientifica significativa. In questo studio, il metodo Computational Fluid Dynamics (CFD) è stato utilizzato per analizzare le caratteristiche del campo di flusso alla giunzione del pozzo inclinato e del tunnel. Inoltre, sono stati discussi gli effetti delle diverse modalità di apertura dei ventilatori e delle diverse distribuzioni iniziali della concentrazione di CO sulla ventilazione. I risultati della simulazione hanno mostrato che la differenza principale nel campo del vento di ventilazione si rifletteva nella posizione della regione del vortice a causa delle diverse modalità di apertura dei ventilatori. Nel frattempo, varie distribuzioni iniziali della concentrazione di CO hanno mostrato una migrazione diversa quando non c’era differenza di volume d’aria tra i tunnel sinistro e destro. L’eliminazione delle zone di vortice e l’utilizzo completo del flusso d’aria ad alta velocità potrebbero migliorare l’efficienza relativa della ventilazione di almeno il 18%. Se solo uno dei ventilatori fosse acceso, la CO si accumulerebbe nella direzione opposta del tunnel. Pertanto è stato proposto uno schema di ventilazione a due stadi e il consumo energetico è stato ridotto almeno del 33%. Questa ricerca può fornire indicazioni sulla costruzione di tunnel ad alta quota con più fronti di lavoro per migliorare l’efficienza della ventilazione e ridurre il consumo energetico.

La Cina occidentale si distingue per la sua elevata altitudine, il freddo estremo e la bassa pressione atmosferica. Nel frattempo, l’esplosione del tunnel genererà una grande quantità di monossido di carbonio (CO). L'emoglobina (Hb) ha un'elevata affinità per la CO, che riduce significativamente la capacità del sangue di trasportare ossigeno. È ancora più fatale nel duro ambiente dell'altopiano1. Al fine di garantire la salute sul lavoro dei lavoratori e garantire la regolare costruzione di un tunnel ad alta quota, è necessario studiare in modo più approfondito la legge sulla propagazione della CO2 del tunnel ad alta quota.

Durante la costruzione del tunnel, la ventilazione forzata è ancora la modalità principale per diluire i gas tossici. De Souza e Katsabanis2 hanno utilizzato un modello di diffusione del gas di esplosione per determinare il tempo di rientro sicuro, tenendo conto dei requisiti di diluizione dei gas pericolosi. Per ridurre il più presto possibile le concentrazioni di gas tossici al di sotto del limite di concentrazione e ridurre i costi di ventilazione, è necessario studiare le caratteristiche del campo di flusso in un tunnel per l'ottimizzazione della ventilazione. Parra et al.3 hanno studiato tre diversi tipi di sistemi di ventilazione e hanno osservato che la disposizione dei condotti dell'aria influenza direttamente il campo del flusso d'aria. Kurnia et al.4 hanno introdotto un nuovo sistema di ventilazione intermittente per risparmiare energia. Tuttavia, nei tunnel esistono alcune zone morte di ventilazione, come il corridoio trasversale di un doppio tunnel, dove i gas pericolosi sono più concentrati. È stato dimostrato che l'applicazione di un jet fan può risolvere questo problema5. Inoltre, diversi parametri del jet fan hanno effetti diversi sul miglioramento dell’efficienza della ventilazione6,7,8,9,10. Inoltre, la tecnologia delle barriere d’aria viene gradualmente implementata nella ventilazione dei tunnel. Ha la capacità di controllare polveri o fumi di sabbiatura in un'area specifica, che vengono rapidamente espulsi attraverso il condotto11. Molti ricercatori hanno studiato le caratteristiche del campo di flusso e i parametri ottimali della ventilazione a cortina d'aria12,13,14. Inoltre, è ampiamente riconosciuto che tutti i condotti di ventilazione presentano perdite in una certa misura e l'efficienza dei condotti può essere utilizzata per valutare l'impatto del tasso di perdite sui sistemi di ventilazione15,16. Wang et al.17 hanno creato un modello tridimensionale con CFD per analizzare il tasso di perdita. I risultati della simulazione hanno rivelato che la pressione e il volume delle perdite hanno un effetto sul tasso di perdite lungo il tunnel.

Ma l’aumento dell’altitudine comporta sfide maggiori per la ventilazione dei tunnel. Il volume del flusso d'aria richiesto, il volume di alimentazione del ventilatore e le caratteristiche del campo di flusso nelle aree pianeggianti non sono più applicabili alle aree dell'altopiano. Innanzitutto, la privazione di ossigeno aggraverà la combustione insufficiente del motore e aumenterà lo scarico di gas pericolosi. In generale, il test Real Driving Emissions (RDE) è il principale metodo di ricerca per studiare le emissioni di scarico18. Ramos et al.19 hanno condotto test sul campo con tre diversi carburanti e hanno studiato in modo approfondito gli effetti dell'altitudine, dei carburanti alternativi e delle condizioni di guida sulle emissioni di scarico. I risultati hanno indicato che in alta quota le emissioni di ossido di azoto (NOx) erano circa dieci volte superiori ai limiti fissati dagli standard europei. Wang et al.20 hanno osservato che le emissioni di CO, PN e NOx aumentavano tutte con l'altitudine, mentre le emissioni di NOx diminuivano quando l'altitudine superava i 2990 m. Corrispondente al coefficiente di altitudine CO, il coefficiente di altitudine NOx può essere utilizzato per riflettere l’impatto dell’altitudine sui fattori di emissione di NOx. Secondo il confronto, la CO è influenzata in modo più significativo dall’altitudine21. In secondo luogo, l’ambiente dell’altopiano eserciterà una grande influenza su molti sistemi fisiologici del corpo umano, riducendo la capacità lavorativa media e abbassando la resistenza ai gas tossici. I lavoratori sono più soggetti a vertigini e persino ad avvelenamenti22,23,24. La nota equazione di Coburn–Forster–Kane (CFK) descrive una relazione funzionale tra la concentrazione di CO nell’ambiente e la concentrazione di carbossiemoglobina (COHb) nel corpo umano, ponendo solide basi teoriche per lo studio del limite di concentrazione di CO25. Inoltre, una diminuzione della densità dell'aria avrà effetti sul normale funzionamento del ventilatore nella zona dell'altopiano26. Di conseguenza, la ventola deve essere cambiata per soddisfare le esigenze di ventilazione dell'ambiente ad alta quota. Durante la costruzione del tunnel ad alta quota, l’evoluzione spazio-temporale dei gas tossici o delle polveri cambierà, il che influirà direttamente sulla disposizione della ventilazione. Le caratteristiche del trasporto del fumo negli incendi nelle gallerie ad alta quota sono state attentamente studiate e studiate27,28,29, il che potrebbe fornire spunti di ricerca per la ventilazione delle gallerie ad alta quota dopo l'esplosione. Huang, Shen, Wang e Liao30 hanno studiato la legge sulla migrazione della CO dopo l’esplosione in una miniera sull’altopiano utilizzando un modello CFD, sottolineando che il tempo di ventilazione richiesto per diluire la CO in un luogo a bassa quota è ovviamente inferiore rispetto a un’area ad alta quota. Feng et al.31 hanno utilizzato simulazioni numeriche per stabilire una serie di funzioni di concentrazione di CO in diverse situazioni di altitudine, che sono state verificate attraverso dati sul campo.