铁路隧道敞车运煤列车煤尘防治：速度与追踪间隔控制

《Results in Engineering》：Mitigating coal dust from open-top trains in railway tunnels: Speed and headway control

　　

铁路隧道内的受限空气动力学条件加剧了煤表面冲刷，对露天条件下的化学抑尘剂标准构成挑战。研究人员建立了一个计算流体力学与离散相模型（CFD-DPM），用于量化以60–80 km/h穿越6.9 km隧道的敞顶运煤列车的煤床气动载荷与粉尘恢复。在80 km/h下，煤床峰值和时均风速分别达到38.95 m/s和32.70 m/s，超过了30 m/s（I型，Type I）和23 m/s（II型，Type II）抑尘剂阈值。基于列车速度与气动载荷之间的近线性关系，研究人员针对所研究隧道推导出45 km/h的保守运行速度，以降低结壳失效风险。对10 μm残留道床粉尘的追踪显示，颗粒浓度衰减需要300 s，滞后于200 s的气流稳定时间。将45 km/h下552 s的隧道通过时间与300 s的颗粒恢复期相结合，得到所研究隧道的运营最小追踪间隔（headway）为15 min。这些发现提供了一个工程框架，将抑尘剂抗风阈值、列车速度控制和基于恢复的追踪间隔控制联系起来，以减轻铁路隧道中的逸散性煤尘。

**研究背景与问题**
煤炭是铁路大宗货物运输的重要对象。敞顶运输过程中，装载作业、列车诱导气流和终点装卸会产生逸散性煤尘，造成物料损失、基础设施污染和空气质量下降。化学抑尘剂被广泛用于稳定裸露煤面，但现有抑尘剂抗风性能主要依据实验室或露天稳态风蚀条件评估。中国铁路行业标准TB/T 3210.1–2020规定I型、II型抑尘剂的参考抗风阈值分别为30 m/s和23 m/s。然而，列车在隧道内运行时会产生活塞效应、阻塞流加速、车间隙扰动和湍流尾迹，煤表面实际承受的气动载荷可能局部放大并显著偏离稳态条件。既有列车—隧道空气动力学研究多关注压力波、滑流、通风、舒适性和结构荷载，颗粒输运研究虽涉及粉尘扩散和沉积，但尚未将煤床气动载荷、抑尘剂抗风阈值和过车后颗粒恢复纳入同一个运营评估框架。因此，研究人员提出两个关键问题：敞露煤床上的瞬时风速是否超过现有标准阈值；列车通过后残存细颗粒的恢复时间应如何用于列车追踪间隔控制。

**研究概况与意义**
该论文由西安交通大学Shengwen Chen、Yi Zhang、Haoyao Gui、Chuncheng Yu、Xinke Wang等研究人员完成，发表在《Results in Engineering》。研究人员建立全尺寸三维列车—隧道—大气计算流体力学与离散相模型（CFD-DPM），模拟一列由DF8B机车和三辆C70敞车组成、总长约64 m的专用敞顶运煤列车通过6.9 km山区铁路隧道，并考察60、70、80 km/h三种速度。结果显示，80 km/h下煤床峰值风速V_peak为38.95 m/s，时均最大值V_mean,max为32.70 m/s，均超过I型和II型抑尘剂阈值；煤床风速与车速接近线性关系，按峰值准则反推得到46.9 km/h（II型）和61.5 km/h（I型）的理论限速，结合现场不确定性取45 km/h为保守运行速度。10 μm残留颗粒相对浓度在出洞后300 s降至1.22%，而宏观气流恢复仅需200 s，因此颗粒恢复控制环境恢复时间；45 km/h下通过6.9 km隧道约需552 s，加上300 s颗粒恢复期，理论最小追踪间隔为852 s（14.2 min），运营取整为15 min。该研究将抑尘剂材料阈值、煤床气动载荷与过车后颗粒恢复整合在同一评估框架中，为隧道内敞顶运煤列车的速度控制和追踪间隔控制提供了工程依据。

**主要关键技术方法**
研究方法未涉及样本队列。主要技术方法包括：采用三维非定常雷诺平均纳维—斯托克斯方程（RANS）结合标准k–ε湍流模型模拟列车—隧道瞬态流场；用动态层铺法实现列车运动；采用欧拉—拉格朗日框架下的DPM双向耦合追踪10 μm地面源颗粒，包含曳力、重力和随机湍流扩散；定义V_peak和V_mean,max两个气动暴露指标，并以TB/T 3210.1–2020阈值作为基准；以相对浓度C_r=C/C_max×100%评估出洞后粉尘恢复。计算域约1.04×10⁶个单元，近壁y⁺约为50。

**研究结果**
**3 煤床表面风速与限速策略**
**3.1 80 km/h基准气动响应**
通过80 km/h基准案例的洞口、隧道中部和出口截面风速时间历程及煤床高度速度云图，研究人员发现隧道内气流呈瞬态非均匀特征。高速带沿敞车纵向开口发展，在车厢前缘、开口边界和车间隙附近集中，出洞口区域因活塞风、列车尾迹和环境大气相互作用而出现最强瞬态峰值。该工况下V_peak达到38.95 m/s，V_mean,max为32.70 m/s，均超过I型和II型抑尘剂参考风速，表明隧道内存在抑尘剂结壳失效风险。

**3.2 列车速度对煤床气动载荷的影响**
通过对比60、70、80 km/h三种速度下相同列车位置的速度云图和煤床最大风速时程，研究人员发现车速升高使高速冲刷区范围扩大、强度增强，热点仍集中于车厢边缘和车间隙。V_peak由60 km/h的29.34 m/s增至80 km/h的38.95 m/s，增幅为32.8%；V_mean,max分别为24.20、28.41和32.70 m/s。按峰值准则，所有模拟速度均超过II型阈值，70和80 km/h还超过I型阈值；按时均准则，所有速度均超过II型阈值，但仅80 km/h超过I型阈值。这表明指标选择会影响运营安全评估。

**3.3 基于阈值的限速估算**
研究人员对60–80 km/h范围内车速U与气动暴露指标进行线性回归，得到V_peak=0.480U+0.50和V_mean,max=0.425U?1.31。将抑尘剂标准阈值代入后，峰值准则给出最大允许车速为46.9 km/h（II型）和61.5 km/h（I型），时均准则给出57.2和73.7 km/h。由于局部瞬态冲刷是结壳破坏的主要力学触发机制，研究人员采用更保守的峰值准则，并将理论46.9 km/h下调为45 km/h，作为该隧道构型的建议运行速度。

**4 粉尘再悬浮与列车追踪间隔控制**
**4.1 残留10 μm颗粒的卷吸与输运**
通过80 km/h下DPM颗粒轨迹和浓度云图，研究人员发现列车滑流从隧道地面卷吸近地颗粒，并在列车尾迹中形成密集颗粒带；列车出洞后，部分细颗粒并未立即离开隧道，而是在出口段形成残留气溶胶。该残余颗粒场为定义后续列车进洞前的环境恢复时间提供了物理基础。

**4.2 列车出洞后气流恢复**
在出洞口内侧1 m处监测截面面积加权平均速度，研究人员采用1.0 m/s作为宏观气流恢复工程判据。出洞后该速度在199.32 s降至1.0 m/s以下，运营上取整为200 s。这表明列车诱导的滑流和活塞风可在几分钟内基本消散，但气流稳定不等于颗粒相清除，颗粒浓度衰减需单独评估。

**4.3 颗粒浓度恢复与最小追踪间隔**
研究人员在距隧道地面2 m