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CN116227007A - 寒区隧道防寒分析方法、装置与寒区隧道保温系统 - Google Patents

寒区隧道防寒分析方法、装置与寒区隧道保温系统 Download PDF

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CN116227007A
CN116227007A CN202310513514.6A CN202310513514A CN116227007A CN 116227007 A CN116227007 A CN 116227007A CN 202310513514 A CN202310513514 A CN 202310513514A CN 116227007 A CN116227007 A CN 116227007A
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Abstract

本发明公开了一种寒区隧道防寒分析方法、装置与寒区隧道保温系统，涉及隧道及地下工程技术领域，其中该方法包括：确定多个定制风幕机的机械结构参数；所述定制风幕机的机械结构参数与隧道洞口的物理结构数据匹配；利用寒区隧道热力学模型，确定热水管道铺设总长度；所述寒区隧道热力学模型反映在空气幕和列车风共同影响下的隧道内部温度分布；将热水管道铺设总长度沿隧道方向划分为多个热水管道单元；确定每个热水管道单元的温度传感器的安装参数、风速风向传感器的安装参数和锅炉的安装参数；确定智能控制服务器的安装参数；最后输出隧道防寒的实施配置参数。本发明可以减少寒区隧道防寒措施的安全隐患，降低防寒措施的实施成本，提高防寒效果。

Description

寒区隧道防寒分析方法、装置与寒区隧道保温系统
技术领域
本发明涉及隧道及地下工程技术领域，尤其涉及寒区隧道防寒分析方法、装置与寒区隧道保温系统。
背景技术
本部分旨在为权利要求书中陈述的本发明实施例提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是现有技术。
目前，在寒区的建立、运营的铁路隧道与日俱增，但是寒区地理环境恶劣，冬天温度尤其低，造成寒区隧道大量的冻害问题。
现有技术中存在很多防寒措施，例如洞口加强结构、设置风幕机、设置深埋排水设施、增设循环热水管道等手段，但是对于自然环境的应对总体来说较为被动，只能减小热量的传播和冻融速度，防寒保温效果并不明显，寒区隧道仍然存在因冻害引发的挂冰、漫冰、开裂、掉块等危及列车行车安全的问题，并且目前寒区隧道的防寒措施实施起来成本较高。其一，现有技术中一般采用在隧道洞口安装风幕机来阻隔寒冷气流入侵隧道内部，而在安装风幕机的过程中一般会破坏隧道洞口的既有结构，可能造成安全隐患；其二，热水管道铺设长度过长容易造成施工成本以及后期运营维护成本升高，热水管道铺设长度过短不利于隧道冻害的控制，增设循环热水管道实施困难。
发明内容
本发明实施例提供一种寒区隧道防寒分析方法，用以减少寒区隧道防寒措施的安全隐患，降低寒区隧道防寒措施的实施成本，提高防寒效果，为防寒措施的实施提供技术指导，该方法包括：
获取隧道的物理结构数据；所述隧道的物理结构数据包括隧道洞口的物理结构数据；
根据隧道洞口的物理结构数据，确定多个定制风幕机的机械结构参数；所述定制风幕机的机械结构参数与隧道洞口的物理结构数据匹配；
建立寒区隧道热力学模型；所述寒区隧道热力学模型反映在空气幕和列车风共同影响下的隧道内部温度分布；所述空气幕为定制风幕机运行时形成的空气隔层；
利用寒区隧道热力学模型，确定热水管道铺设总长度；
将热水管道铺设总长度沿隧道方向划分为多个热水管道单元；
确定每个热水管道单元的温度传感器的安装参数、风速风向传感器的安装参数和锅炉的安装参数，所述安装参数包括安装位置、安装方式；
根据隧道的物理结构数据、每个热水管道单元的温度传感器的安装参数、风速风向传感器的安装参数和锅炉的安装参数，确定智能控制服务器的安装参数；所述智能控制服务器的安装参数包括智能控制服务器的安装位置、供电方式、与温度传感器、风速风向传感器、锅炉以及定制风幕机的连接方式，所述智能控制服务器用于根据温度传感器检测的数据和风速风向传感器检测的数据，调节锅炉和定制风幕机的运行控制参数；
根据定制风幕机的机械结构参数、每个热水管道单元的温度传感器、锅炉的安装参数和智能控制服务器的安装参数，确定隧道防寒的实施配置参数。
本发明实施例提供一种寒区隧道保温系统，用以减少寒区隧道防寒措施的安全隐患，降低寒区隧道防寒措施的实施成本，提高防寒效果，该系统包括：多个定制风幕机、热水管道、锅炉、温度传感器、风速风向传感器、智能控制服务器；
其中，所述定制风幕机安装于隧道洞口上方，所述定制风幕机的机械结构参数与隧道洞口的物理结构数据匹配；
所述热水管道从隧道洞口延伸铺设至隧道内部，所述热水管道的铺设总长度利用上述寒区隧道防寒分析方法确定；
所述锅炉用于加热热水管道；
所述温度传感器采用多点布置方式，布置于隧道内，用于采集隧道内温度数据；
所述风速风向传感器采用多点布置方式，布置于隧道内，用于采集隧道内风速风向数据；
所述智能控制服务器设置于隧道洞口，用于读取温度传感器和风速风向传感器检测的数据，根据温度传感器和风速风向传感器检测的数据调节锅炉、定制风幕机的运行控制参数。
本发明实施例还提供一种寒区隧道防寒分析装置，用以减少寒区隧道防寒措施的安全隐患，降低寒区隧道防寒措施的实施成本，提高防寒效果，为防寒措施的实施提供技术指导，该装置包括：
隧道数据获取模块，用于获取隧道的物理结构数据；所述隧道的物理结构数据包括隧道洞口的物理结构数据；
定制风幕机机械结构参数确定模块，用于根据隧道洞口的物理结构数据，确定多个定制风幕机的机械结构参数；所述定制风幕机的机械结构参数与隧道洞口的物理结构数据匹配；
热水管道铺设总长度确定模块，用于建立寒区隧道热力学模型；所述寒区隧道热力学模型反映在空气幕和列车风共同影响下的隧道内部温度分布；所述空气幕为定制风幕机运行时形成的空气隔层；利用寒区隧道热力学模型，确定热水管道铺设总长度；
安装参数确定模块，用于将热水管道铺设总长度沿隧道方向划分为多个热水管道单元；确定每个热水管道单元的温度传感器的安装参数、风速风向传感器的安装参数和锅炉的安装参数；所述安装参数包括安装位置、安装方式；根据隧道的物理结构数据、每个热水管道单元的温度传感器的安装参数、风速风向传感器的安装参数和锅炉的安装参数，确定智能控制服务器的安装参数；所述智能控制服务器的安装参数包括智能控制服务器的安装位置、供电方式、与温度传感器、风速风向传感器、锅炉以及定制风幕机的连接方式，所述智能控制服务器用于根据温度传感器检测的数据和风速风向传感器检测的数据，调节锅炉和定制风幕机的运行控制参数；
安装实施配置参数输出模块，用于根据定制风幕机的机械结构参数、每个热水管道单元的温度传感器、锅炉的安装参数和智能控制服务器的安装参数，确定隧道防寒的实施配置参数。
本发明实施例还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述寒区隧道防寒分析方法。
本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述寒区隧道防寒分析方法。
本发明实施例还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述寒区隧道防寒分析方法。
本发明实施例寒区隧道防寒分析方法中，根据隧道洞口的物理结构数据，确定多个定制风幕机的机械结构参数；所述定制风幕机的机械结构参数与隧道洞口的物理结构数据匹配，因此定制风幕机在安装的过程中无需破坏隧道洞口的既有结构，减少了寒区隧道防寒措施的安全隐患；
同时，本发明实施例中，建立寒区隧道热力学模型；所述寒区隧道热力学模型反映在定制风幕机运行时形成的空气幕和列车风共同影响下的隧道内部温度分布；利用寒区隧道热力学模型，确定热水管道铺设总长度，可以在防寒措施实施之前主动确定合适的热水管道铺设长度，除去了人工试错的成本，降低了寒区隧道防寒措施的实施成本；
并且，本发明实施例中，将热水管道铺设总长度沿隧道方向划分为多个热水管道单元；根据多个热水管道单元，确定每个热水管道单元的温度传感器的安装参数、风速风向传感器的安装参数和锅炉的安装参数；所述安装参数包括安装位置、安装方式；即本发明实施例中，为每段热水管道配备相应的锅炉和温度传感器，分段控制热水管道，实现了高效节能；
综上，本发明实施例中寒区隧道防寒分析方法为防寒保温措施提供了有力的理论技术指导。
本发明实施例中寒区隧道保温系统包括：多个定制风幕机、热水管道、锅炉、温度传感器、风速风向传感器、智能控制服务器；其中，所述定制风幕机安装于隧道洞口上方，所述定制风幕机的机械结构参数与隧道洞口的物理结构数据匹配，因此定制风幕机在安装的过程中无需破坏隧道洞口的既有结构，减少了寒区隧道防寒措施的安全隐患；
所述热水管道从隧道洞口延伸铺设至隧道内部，所述热水管道的铺设总长度利用上述寒区隧道防寒分析方法确定，可以在防寒措施实施之前主动确定合适的热水管道铺设长度，除去了人工试错的成本，降低了寒区隧道防寒措施的实施成本；
所述热水管道被分段铺设，每段热水管道配置锅炉和温度传感器；所述锅炉用于加热热水管道；所述温度传感器采用多点布置方式，布置于隧道内，用于采集隧道内温度数据；所述风速风向传感器采用多点布置方式，布置于隧道内，用于采集隧道内风速风向数据；所述智能控制服务器设置于隧道洞口，用于读取温度传感器和风速风向传感器检测的数据，根据温度传感器和风速风向传感器检测的数据调节锅炉、定制风幕机的运行控制参数；即本发明实施例中，为每段热水管道配备相应的锅炉和温度传感器，分段控制热水管道，实现了高效节能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
图1为本发明实施例中寒区隧道防寒分析方法的流程示意图；
图2为本发明实施例中寒区隧道防寒分析方法的一具体实施例；
图3为本发明实施例中寒区隧道防寒分析方法的一具体实施例；
图4为本发明实施例中寒区隧道防寒分析方法的一具体实施例；
图5为本发明实施例中寒区隧道防寒分析方法的一具体实施例；
图6为本发明实施例中寒区隧道保温系统的示意图；
图7为本发明实施例中寒区隧道防寒分析装置的示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
申请人发现，现有技术中存在很多防寒措施，例如洞口加强结构、设置风幕机、设置深埋排水设施、增设循环热水管道等手段，但是对于自然环境的应对总体来说较为被动，只能减小热量的传播和冻融速度，防寒保温效果并不明显，寒区隧道仍然存在因冻害引发的挂冰、漫冰、开裂、掉块等危及列车行车安全的问题，并且目前寒区隧道的防寒措施实施起来成本较高。基于此，申请人提出了一种寒区隧道防寒分析方法、装置与寒区隧道保温系统。
图1为本发明实施例中寒区隧道防寒分析方法的流程示意图，如图1所示，该方法包括：
步骤101、获取隧道的物理结构数据；所述隧道的物理结构数据包括隧道洞口的物理结构数据；
步骤102、根据隧道洞口的物理结构数据，确定多个定制风幕机的机械结构参数；所述定制风幕机的机械结构参数与隧道洞口的物理结构数据匹配；
步骤103、建立寒区隧道热力学模型；所述寒区隧道热力学模型反映在空气幕和列车风共同影响下的隧道内部温度分布，所述空气幕为定制风幕机运行时形成的空气隔层；
步骤104、利用寒区隧道热力学模型，确定热水管道铺设总长度；
步骤105、将热水管道铺设总长度沿隧道方向划分为多个热水管道单元；
步骤106、确定每个热水管道单元的温度传感器的安装参数、风速风向传感器的安装参数和锅炉的安装参数；所述安装参数包括安装位置、安装方式；
步骤107、根据隧道的物理结构数据、每个热水管道单元的温度传感器的安装参数、风速风向传感器的安装参数和锅炉的安装参数，确定智能控制服务器的安装参数；
步骤108、根据定制风幕机的机械结构参数、每个热水管道单元的温度传感器、锅炉的安装参数和智能控制服务器的安装参数，确定隧道防寒的实施配置参数。
从图1所示流程可以看出，本发明实施例中，根据隧道洞口的物理结构数据，确定多个定制风幕机的机械结构参数；所述定制风幕机的机械结构参数与隧道洞口的物理结构数据匹配，因此定制风幕机在安装的过程中无需破坏隧道洞口的既有结构，减少了寒区隧道防寒措施的安全隐患；同时，本发明实施例中，建立寒区隧道热力学模型；所述寒区隧道热力学模型反映在定制风幕机运行时形成的空气幕和列车风共同影响下的隧道内部温度分布；利用寒区隧道热力学模型，确定热水管道铺设总长度，可以在防寒措施实施之前主动确定合适的热水管道铺设长度，除去了人工试错的成本，降低寒区隧道防寒措施的实施成本；并且，本发明实施例中，将热水管道铺设总长度沿隧道方向划分为多个热水管道单元；根据多个热水管道单元，确定每个热水管道单元的温度传感器的安装参数、风速风向传感器的安装参数和锅炉的安装参数；所述安装参数包括安装位置、安装方式；即本发明实施例中，为每段热水管道配备相应的锅炉和温度传感器，分段控制热水管道，实现了高效节能，为防寒保温措施提供了有力的技术指导。
下面对本发明实施例中的寒区隧道防寒分析方法进行详细解释。
首先，获取隧道的物理结构数据，例如，隧道的长度、隧道纵向截面的物理结构数据、隧道洞口的物理结构数据；实施时，可以采用激光扫描仪采集隧道洞口的三维点云数据，进行得到隧道洞口详细的内轮廓数据，也可以通过查询隧道建设时的工程材料获取隧道的物理结构数据。
然后，根据隧道洞口的物理结构数据，确定多个定制风幕机的机械结构参数；所述定制风幕机的机械结构参数与隧道洞口的物理结构数据匹配。
实施时，根据隧道洞口详细的内轮廓数据，沿着隧道洞口内轮廓分别确定多个定制风幕机的机械结构参数，以及多个定制风幕机的支架机械结构数据、安装方式，其中定制风幕机的机械结构参数包括定制风幕机的外壳、出风口等的机械结构参数。
图2为本发明实施例中寒区隧道防寒分析方法的一具体实施例，如图2所示，本发明实施例提出一种异形顶吹式射流保温方式，图2中的标记1为多个定制风幕机的安装位置，在隧道洞口的既有结构的基础上安装支架6和多个定制风幕机1，其中支架6、多个定制风幕机1与隧道洞口的物理结构数据匹配，无需破坏隧道洞口的既有结构，从而减少了寒区隧道防寒措施的安全隐患。
之后建立寒区隧道热力学模型，利用寒区隧道热力学模型，确定热水管道铺设总长度。
图3为本发明实施例中寒区隧道防寒分析方法的一具体实施例，如图3所示，为寒区隧道热力学模型示意图。
参考图3，按如下公式，建立寒区隧道热力学模型：
Figure SMS_1
（1）
其中，K i 、c i 、T i (i=1、2、3、4)、R i 分别为初次衬砌、隔热层、二次衬砌和围岩的导热系数、体积比热、温度、半径，t为时间，r为待测量温度的采样点距离隧道中心点的距离，图3中保温层外径对应公式（1）中的隔热层的半径，图3中初衬外径对应公式（1）中的初次衬砌的半径，图3中二衬外径对应公式（1）中的二次衬砌的半径，L 1(r,t)为根据公式（1）得到的在空气幕和列车风共同影响下的隧道内部温度分布。
在一个实施例中，利用寒区隧道热力学模型，确定热水管道铺设总长度，可以包括：
获取穿过隧道的列车物理结构数据、所述空气幕作用下隧道洞口混合气体的温度和隧道的一次衬砌、隔热层、二次衬砌和外层围岩的热力学参数；所述列车物理结构数据包括列车车头面积、列车车厢个数、列车速度、列车质量；所述热力学参数包括温度、导热系数、体积比热、对流换热系数；
将穿过隧道的列车物理结构数据、所述空气幕作用下隧道洞口混合气体的温度和和隧道的一次衬砌、隔热层、二次衬砌和外层围岩的热力学参数，输入寒区隧道热力学模型，利用空气幕和列车风共同影响下的隧道洞内空气温度场，确定寒区隧道热力学模型的温度边界条件，计算输出在空气幕和列车风共同影响下的隧道洞口段负温长度；所述隧道洞口段负温长度为从温度为零下的隧道洞口起算、且温度从零下达到零度对应的隧道纵深长度；
根据隧道洞口段负温长度，确定热水管道铺设总长度。
例如，结合公式（1），按如下公式（2）设定寒区隧道热力学模型的初始条件，按如下公式（3），利用空气幕和列车风共同影响下的隧道洞内空气温度场，确定寒区隧道热力学模型的温度边界条件：
初始条件：
T i =T 0i ,R i <r<R i+1 ,t=0,i=1,2,3,4 （2）
温度边界条件：
Figure SMS_2
（3）
公式（2）（3）中，K i 、c i 、T i (i=1、2、3、4)、R i 、T oi 分别为初次衬砌、隔热层、二次衬砌和围岩的导热系数、体积比热、温度、半径、初始温度，r为待测量温度的采样点距离隧道中心点的距离，h为空气与围岩的对流换热系数，A(t)为不考虑列车风影响的隧道内空气温度场，
Figure SMS_3
分别是相邻介质之间的热传导函数，A为列车车头面积，ρ为空气密度，c为空气比热，μ为围岩的热传导系数，x为热交换长度，Q为列车在单位时间单位长度上的散热量，L为列车长度，B(t)为列车风影响下隧道内空气温度场，T m 为隧道内年平均温度，T n 为隧道内年温度振幅，t为时间，η为日相位，T w 为列车壁面温度，S为隧道断面的周长；其中A(t)、B(t)可根据实际统计数据拟合计算得到，T 0 为空气幕形成后隧道洞口段混合空气温度，T 0 可根据热平衡原理，利用定制风幕机未工作时侵入隧道的空气量、定制风幕机工作时侵入隧道的空气量、隧道外界温度、定制风幕机喷射气流温度、定制风幕机喷射气流风速、定制风幕机喷射气流角度、隧道的物理结构参数、湍流系数等计算得到，列车在单位时间单位长度上的散热量Q可以根据空气阻力热、制动器散热、列车长度、空气阻力、列车起动至静止的距离、列车总质量、列车速度等计算得到。
图4为本发明实施例中寒区隧道防寒分析方法的一具体实施例，如图4所示，曲线1可以反映在空气幕和列车风共同影响下的隧道内部温度场分布规律，根据曲线1，可以确定热水管道铺设总长度为67米左右。
在确定了热水管道铺设总长度之后，将热水管道铺设总长度沿隧道方向划分为多个热水管道单元，确定每个热水管道单元的温度传感器的安装参数、风速风向传感器的安装参数和锅炉的安装参数；所述安装参数包括安装位置、安装方式。
在一个实施例中，根据多个热水管道单元，确定每个热水管道单元的温度传感器、锅炉的安装参数，可以包括：
根据多个热水管道单元，确定每个热水管道单元由一个锅炉控制，且每个热水管道单元安装一个温度传感器。
例如，根据隧道内部的实际环境，确定将锅炉安装在隧道内避车洞位置，根据避车洞位置，将热水管道铺设分段铺设，确定每个热水管道单元的长度，以及每个热水管道单元的温度传感器和风速风向传感器的安装位置、安装方式、与智能控制服务连接走线。
由于采用分段铺设热水管道的防寒措施，可以根据实际隧道中每个热水管道单元温度传感器检测的温度数据，只开启温度较低隧道位置的热水管道，分段控制热水管道，实现了高效节能。
在一个实施例中，每个热水管道单元设置采用盐水作为循环介质。盐水凝固的温度在零下十度以下，可以有效预防寒区隧道热水管道中的介质结冰影响热水管道的工作。
根据隧道的物理结构数据、每个热水管道单元的温度传感器的安装参数、风速风向传感器的安装参数和锅炉的安装参数，确定智能控制服务器的安装参数；所述智能控制服务器的安装参数包括智能控制服务器的安装位置、供电方式、与温度传感器、风速风向传感器、锅炉以及定制风幕机的连接方式，所述智能控制服务器用于根据温度传感器检测的数据和风速风向传感器检测的数据，调节锅炉和定制风幕机的运行控制参数。
最后，根据定制风幕机的机械结构参数、每个热水管道单元的温度传感器、锅炉的安装参数和智能控制服务器的安装参数，确定隧道防寒的实施配置参数，即输出隧道防寒的实施具体方案，用于隧道防寒的理论技术指导。
例如，智能控制服务器设置于隧道洞口附近位置，智能控制服务器连接所有定制风幕机、所有锅炉、所有温度传感器、所有风速风向传感器，根据温度传感器检测的数据和风速风向传感器检测的数据，调节锅炉和定制风幕机的运行控制参数。
在一个实施例中，所述智能控制服务器可以按照如下方式，根据温度传感器检测的数据和风速风向传感器检测的数据，调节锅炉和定制风幕机的运行控制参数：
当任一温度传感器检测的温度低于预设温度，调节定制风幕机的运行控制参数；
在启动定制风幕机的预设时长时，依次读取每个温度传感器检测的温度，确定温度仍低于预设温度的温度传感器对应的热水管道单元；
启动温度仍低于预设温度的温度传感器对应的热水管道单元的锅炉。
实施时，可以先启动定制风幕机，定制风幕机可包括不同的工作挡位，例如高、中、低三种工作挡位，当智能控制服务器读取的任一温度传感器检测的温度低于零度，先启动定制风幕机的低挡位；定制风幕机运行半小时后，依次读取每个温度传感器检测的温度，如果还存在温度低于零度的情况，启动定制风幕机的中挡位；定制风幕机再次运行半小时后，依次读取每个温度传感器检测的温度，如果还存在温度低于零度的情况，启动定制风幕机的高挡位；定制风幕机再次运行半小时后，依次读取每个温度传感器检测的温度，如果还存在温度低于零度的情况，启动温度低于零度的温度传感器对应的热水管道的锅炉；依次类推，直至隧道所有温度传感器检测的温度全部高于零度。同样，关闭定制风幕机或锅炉时，当检测温度高于零度，依次关闭相应的锅炉，降低定制风幕机挡位，直至关闭定制风幕机，从而，降低了隧道保温系统的运行能耗。
在一个实施例中，调节定制风幕机的运行控制参数，可以包括：
调节定制风幕机的工作档位参数；
根据动量守恒定律和风速风向传感器检测的数据，调节定制风幕机的吹出风向；
根据能量守恒定律和风速风向传感器检测的数据，调节定制风幕机吹出风的温度。
本发明实施例中，设计定制风幕机的出风口、风向调节器，智能控制服务器可通过调整风向挡板控制热风的风向，图5为本发明实施例中寒区隧道防寒分析方法的一具体实施例，图5中示出了定制风幕机、风向调节器、以及风向的示意图。例如，按照如下公式，计算定制风幕机的吹出风向和吹出风的温度。
（1）定制风幕机的吹出风的风向和风速计算方法：假设隧道外进入隧道的冷风风速v 1 ，质量m 1 ，定制风幕机产生的热风风速v 2 ，质量m 2 ，根据动量守恒，为了防止隧道外冷风进入隧道，则隧道口进入的冷风水平动量与定制风幕机的吹出风水平动量相等，即：
m 2 ×v 2 ×cosθ=m 1 ×v 1 （4）
因此定制风幕机的吹出风向θ按下式计算：
Figure SMS_4
（5）
（2）定制风幕机的吹出风的温度计算方法：为了确保隧道内空气温度不降低，则定制风幕机产生的热风能量应大于隧道口进入冷风的能量，假设隧道洞内原始温度为T 0 ，隧道口冷风温度为T 1 ，定制风幕机吹出风的温度为T 2 ，其中c为比热容，则有：
c×m 2 ×(T 2 -T 1 )≥c×m 1 ×(T 0 -T 1 ) （6）
因此，定制风幕机的吹出风的温度应满足下式要求：
Figure SMS_5
（7）
如图5中所示，本发明实施例的定制风幕机吹出风采用一定倾角，由隧道内部向隧道外部吹出，既起到阻隔外界寒冷气流的作用，又不影响隧道洞内通风，有效提高隧道内的通风质量。
在一个实施例中，定制风幕机吹出风的温度为零度。考虑到隧道断面大，现有技术中一般同时提高风幕机的出风风速和温度，这对风幕机的性能提出挑战，并且空气幕到达隧道底部时必定存在一定程度的风速衰减，因此，本发明实施例中，直接设置定制风幕机吹出风的温度为零度或者吹出温风，而非热风，这样可以降低能量消耗，并且提高了空气幕的阻隔冷风的效果。
为了克服现有技术中防寒措施效果的不足，本发明实施例中还提供了一种寒区隧道保温系统，包括：多个定制风幕机、热水管道、锅炉、温度传感器、风速风向传感器、智能控制服务器；
其中，所述定制风幕机安装于隧道洞口上方，所述定制风幕机的机械结构参数与隧道洞口的物理结构数据匹配；
所述热水管道从隧道洞口延伸铺设至隧道内部，所述热水管道的铺设总长度利用上述寒区隧道防寒分析方法确定；所述热水管道被分段铺设，每段热水管道配置锅炉和温度传感器；
所述锅炉用于加热热水管道；
所述温度传感器采用多点布置方式，布置于隧道内，用于采集隧道内温度数据；
所述风速风向传感器采用多点布置方式，布置于隧道内，用于采集隧道内风速风向数据；
所述智能控制服务器设置于隧道洞口，用于读取温度传感器和风速风向传感器检测的数据，根据温度传感器和风速风向传感器检测的数据调节锅炉、定制风幕机的运行控制参数。
在一个实施例中，本系统中每个热水管道单元设置采用盐水作为循环介质。
图6为本发明实施例中寒区隧道保温系统的示意图，图6中：
多个定制风幕机1通过吹出的竖向强风阻隔外界寒冷气流入侵隧道内部，安装隧道内部洞口位置，定制风幕机1机械结构参数与隧道洞口物理结构匹配，安装时不必破坏隧道既有结构，定制风幕机1可分为高、中和低三种工作档位，在不同的气温条件下，由智能控制服务器5控制定制风幕机1的工作状态；
热水管道2采用分级布设、多组并联的方法，安装在隧道衬砌表面，可依据隧道洞内温度传感器4检测的数据调节实际供暖的管道；
锅炉3安装在隧道洞内避车洞位置，提供循环热水，该热水可为盐水，每个锅炉3控制一段热水管道；
温度场传感器4采用多点布置方式，采集隧道洞内温度数据，将隧道内温度数据上传给智能控制服务器5，用于控制多个定制风幕机1的工作状态以及热水管道2的供暖状态；
风速风向传感器采用多点布置方式，采集隧道洞内风速风向数据，将隧道内风速风向数据上传给智能控制服务器5，用于控制多个定制风幕机1的工作状态；
智能控制服务器5安装于隧道洞口附近位置，智能控制服务器5连接所有定制风幕机1、所有锅炉3、所有温度传感器4、所有风速风向传感器，根据温度传感器4检测的数据和风速风向传感器检测的数据，调节锅炉3和多个定制风幕机1的运行控制参数。
本发明实施例提出一种异形顶吹式冷暖射流保温方式，其中，异形顶吹：表示定制风幕机的机械结构参数与隧道洞口的物理结构数据匹配，不会破坏隧道洞口的既有结构，减少安全隐患；冷暖：表示定制风幕机吹出风并非一定是热风可以为预设温度的风，例如温风、冷风、或零度的风。
综上，本发明实施例具有如下优点：
1、本发明实施例提出热水管道铺设总长度的计算方法，有效避免由于热水管道铺设长度不合理引出的问题，有利于隧道冻害问题的解决。
2、本发明实施例通过隧道内部采集的温度数据，智能控制定制风幕机的工作状态以及热水管道的供暖状态，有效降低隧道保温系统运行能耗。
3、本发明实施例采用异形顶吹式冷暖射流保温方式，不破坏隧道原有的衬砌结构，有利于维持隧道结构的稳定性，方便新建隧道的施工以及既有隧道的冻害整治，降低隧道保温系统的建设成本，扩大隧道保温系统的适用范围。
4、本发明实施例的定制风幕机吹出风采用一定倾角，由隧道内部向隧道外部吹出，既起到阻隔外界寒冷气流的作用，又不影响隧道洞内通风，有效提高隧道内的通风质量。
5、本发明实施例在隧道衬砌表面铺设热水管道，提高未被阻隔的寒冷气流的温度，同时利用隧道内部温度，确保隧道内部温度达到零度以上，有效预防隧道冻害的发生。
本发明实施例中还提供了一种寒区隧道防寒分析装置，如下面的实施例所述。由于该装置解决问题的原理与寒区隧道防寒分析方法相似，因此该装置的实施可以参见方法的实施，重复之处不再赘述。
图7为本发明实施例中寒区隧道防寒分析装置的示意图，如图7所示，该装置包括：
隧道数据获取模块701，用于获取隧道的物理结构数据；所述隧道的物理结构数据包括隧道洞口的物理结构数据；
定制风幕机机械结构参数确定模块702，用于根据隧道洞口的物理结构数据，确定多个定制风幕机的机械结构参数；所述定制风幕机的机械结构参数与隧道洞口的物理结构数据匹配；
热水管道铺设总长度确定模块703，用于建立寒区隧道热力学模型；所述寒区隧道热力学模型反映在空气幕和列车风共同影响下的隧道内部温度分布；所述空气幕为定制风幕机运行时形成的空气隔层；利用寒区隧道热力学模型，确定热水管道铺设总长度；
安装参数确定模块704，用于将热水管道铺设总长度沿隧道方向划分为多个热水管道单元；确定每个热水管道单元的温度传感器的安装参数、风速风向传感器的安装参数和锅炉的安装参数；所述安装参数包括安装位置、安装方式；根据隧道的物理结构数据、每个热水管道单元的温度传感器的安装参数、风速风向传感器的安装参数和锅炉的安装参数，确定智能控制服务器的安装参数；所述智能控制服务器的安装参数包括智能控制服务器的安装位置、供电方式、与温度传感器、风速风向传感器、锅炉以及定制风幕机的连接方式，所述智能控制服务器用于根据温度传感器检测的数据和风速风向传感器检测的数据，调节锅炉和定制风幕机的运行控制参数；
安装实施配置参数输出模块705，用于根据定制风幕机的机械结构参数、每个热水管道单元的温度传感器、锅炉的安装参数和智能控制服务器的安装参数，确定隧道防寒的实施配置参数。
在一个实施例中，热水管道铺设总长度确定模块703具体用于：
按如下公式，建立寒区隧道热力学模型：
Figure SMS_6
其中，K i 、c i 、T i (i=1、2、3、4)、R i 分别为初次衬砌、隔热层、二次衬砌和围岩的导热系数、体积比热、温度、半径，t为时间，r为待测量温度的采样点距离隧道中心点的距离。
在一个实施例中，热水管道铺设总长度确定模块703具体用于：
获取穿过隧道的列车物理结构数据、所述空气幕作用下隧道洞口混合气体的温度和隧道的一次衬砌、隔热层、二次衬砌和外层围岩的热力学参数；所述列车物理结构数据包括列车车头面积、列车车厢个数、列车速度、列车质量；所述热力学参数包括温度、导热系数、体积比热、对流换热系数；
将穿过隧道的列车物理结构数据、所述空气幕作用下隧道洞口混合气体的温度和和隧道的一次衬砌、隔热层、二次衬砌和外层围岩的热力学参数，输入寒区隧道热力学模型，利用空气幕和列车风共同影响下的隧道内空气温度场，确定寒区隧道热力学模型的温度边界条件，计算输出在空气幕和列车风共同影响下的隧道洞口段负温长度；所述隧道洞口段负温长度为从温度为零下的隧道洞口起算、且温度从零下达到零度对应的隧道纵深长度；
根据隧道洞口段负温长度，确定热水管道铺设总长度。
在一个实施例中，每个热水管道单元设置采用盐水作为循环介质。
在一个实施例中，安装参数确定模块704具体用于：
根据多个热水管道单元，确定每个热水管道单元由一个锅炉控制，且每个热水管道单元安装一个温度传感器。
在一个实施例中，所述智能控制服务器按照如下方式，根据温度传感器检测的数据和风速风向传感器检测的数据，调节锅炉和定制风幕机的运行控制参数：
当任一温度传感器检测的温度低于预设温度，调节定制风幕机的运行控制参数；
在启动定制风幕机的预设时长时，依次读取每个温度传感器检测的温度，确定温度仍低于预设温度的温度传感器对应的热水管道单元；
启动温度仍低于预设温度的温度传感器对应的热水管道单元的锅炉。
在一个实施例中，调节定制风幕机的运行控制参数，包括：
调节定制风幕机的工作档位参数；
根据动量守恒定律和风速风向传感器检测的数据，调节定制风幕机的吹出风向；
根据能量守恒定律和风速风向传感器检测的数据，调节定制风幕机吹出风的温度。
本发明实施例还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述寒区隧道防寒分析方法。
本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述寒区隧道防寒分析方法。
本发明实施例还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述寒区隧道防寒分析方法。
本发明实施例寒区隧道防寒分析方法中，根据隧道洞口的物理结构数据，确定多个定制风幕机的机械结构参数；所述定制风幕机的机械结构参数与隧道洞口的物理结构数据匹配，因此定制风幕机在安装的过程中无需破坏隧道洞口的既有结构，减少了寒区隧道防寒措施的安全隐患；同时，本发明实施例中，建立寒区隧道热力学模型；所述寒区隧道热力学模型反映在定制风幕机运行时形成的空气幕和列车风共同影响下的隧道内部温度分布；利用寒区隧道热力学模型，确定热水管道铺设总长度，可以在防寒措施实施之前主动确定合适的热水管道铺设长度，除去了人工试错的成本，降低寒区隧道防寒措施的实施成本；并且，本发明实施例中，将热水管道铺设总长度沿隧道方向划分为多个热水管道单元；根据多个热水管道单元，确定每个热水管道单元的温度传感器的安装参数、风速风向传感器的安装参数和锅炉的安装参数；所述安装参数包括安装位置、安装方式；即本发明实施例中，为每段热水管道配备相应的锅炉和温度传感器，分段控制热水管道，实现了高效节能；综上，本发明实施例中寒区隧道防寒分析方法为防寒保温措施提供了有力的理论技术指导。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (19)

1.一种寒区隧道防寒分析方法，其特征在于，包括：
获取隧道的物理结构数据；所述隧道的物理结构数据包括隧道洞口的物理结构数据；
根据隧道洞口的物理结构数据，确定多个定制风幕机的机械结构参数；所述定制风幕机的机械结构参数与隧道洞口的物理结构数据匹配；
建立寒区隧道热力学模型；所述寒区隧道热力学模型反映在空气幕和列车风共同影响下的隧道内部温度分布，所述空气幕为定制风幕机运行时形成的空气隔层；
利用寒区隧道热力学模型，确定热水管道铺设总长度；
将热水管道铺设总长度沿隧道方向划分为多个热水管道单元；
确定每个热水管道单元的温度传感器的安装参数、风速风向传感器的安装参数和锅炉的安装参数；所述安装参数包括安装位置、安装方式；
根据隧道的物理结构数据、每个热水管道单元的温度传感器的安装参数、风速风向传感器的安装参数和锅炉的安装参数，确定智能控制服务器的安装参数；所述智能控制服务器的安装参数包括智能控制服务器的安装位置、供电方式、与温度传感器、风速风向传感器、锅炉以及定制风幕机的连接方式，所述智能控制服务器用于根据温度传感器检测的数据和风速风向传感器检测的数据，调节锅炉和定制风幕机的运行控制参数；
根据定制风幕机的机械结构参数、每个热水管道单元的温度传感器、锅炉的安装参数和智能控制服务器的安装参数，确定隧道防寒的实施配置参数。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，建立寒区隧道热力学模型，包括：
按如下公式，建立寒区隧道热力学模型：
Figure QLYQS_1
，
其中，K i 、c i 、T i (i=1、2、3、4)、R i 分别为初次衬砌、隔热层、二次衬砌和围岩的导热系数、体积比热、温度、半径，t为时间，r为待测量温度的采样点距离隧道中心点的距离。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，利用寒区隧道热力学模型，确定热水管道铺设总长度，包括：
获取穿过隧道的列车物理结构数据、所述空气幕作用下隧道洞口混合气体的温度和隧道的一次衬砌、隔热层、二次衬砌和外层围岩的热力学参数；所述列车物理结构数据包括列车车头面积、列车车厢个数、列车速度、列车质量；所述热力学参数包括温度、导热系数、体积比热、对流换热系数；
将穿过隧道的列车物理结构数据、所述空气幕作用下隧道洞口混合气体的温度和和隧道的一次衬砌、隔热层、二次衬砌和外层围岩的热力学参数，输入寒区隧道热力学模型，利用空气幕和列车风共同影响下的隧道内空气温度场，确定寒区隧道热力学模型的温度边界条件，计算输出在空气幕和列车风共同影响下的隧道洞口段负温长度；所述隧道洞口段负温长度为从温度为零下的隧道洞口起算、且温度从零下达到零度对应的隧道纵深长度；
根据隧道洞口段负温长度，确定热水管道铺设总长度。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，每个热水管道单元设置采用盐水作为循环介质。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据多个热水管道单元，确定每个热水管道单元的温度传感器、锅炉的安装参数，包括：
根据多个热水管道单元，确定每个热水管道单元由一个锅炉控制，且每个热水管道单元安装一个温度传感器。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述智能控制服务器按照如下方式，根据温度传感器检测的数据和风速风向传感器检测的数据，调节锅炉和定制风幕机的运行控制参数：
当任一温度传感器检测的温度低于预设温度，调节定制风幕机的运行控制参数；
在启动定制风幕机的预设时间长度时，依次读取每个温度传感器检测的温度，确定温度仍低于预设温度的温度传感器对应的热水管道单元；
启动温度仍低于预设温度的温度传感器对应的热水管道单元的锅炉。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，调节定制风幕机的运行控制参数，包括：
调节定制风幕机的工作档位参数；
根据动量守恒定律和风速风向传感器检测的数据，调节定制风幕机的吹出风向；
根据能量守恒定律和风速风向传感器检测的数据，调节定制风幕机吹出风的温度。
8.一种寒区隧道保温系统，其特征在于，包括：多个定制风幕机、热水管道、锅炉、温度传感器、风速风向传感器、智能控制服务器；
其中，所述定制风幕机安装于隧道洞口上方，所述定制风幕机的机械结构参数与隧道洞口的物理结构数据匹配；
所述热水管道从隧道洞口延伸铺设至隧道内部，所述热水管道的铺设总长度利用权利要求1-3任一所述的寒区隧道防寒分析方法确定；所述热水管道被分段铺设，每段热水管道配置锅炉和温度传感器；
所述锅炉用于加热热水管道；
所述温度传感器采用多点布置方式，布置于隧道内，用于采集隧道内温度数据；
所述风速风向传感器采用多点布置方式，布置于隧道内，用于采集隧道内风速风向数据；
所述智能控制服务器设置于隧道洞口，用于读取温度传感器和风速风向传感器检测的数据，根据温度传感器和风速风向传感器检测的数据调节锅炉、定制风幕机的运行控制参数。
9.如权利要求8所述的寒区隧道保温系统，其特征在于，每个热水管道单元设置采用盐水作为循环介质。
10.一种寒区隧道防寒分析装置，其特征在于，包括：
隧道数据获取模块，用于获取隧道的物理结构数据；所述隧道的物理结构数据包括隧道洞口的物理结构数据；
定制风幕机机械结构参数确定模块，用于根据隧道洞口的物理结构数据，确定多个定制风幕机的机械结构参数；所述定制风幕机的机械结构参数与隧道洞口的物理结构数据匹配；
热水管道铺设总长度确定模块，用于建立寒区隧道热力学模型；所述寒区隧道热力学模型反映在空气幕和列车风共同影响下的隧道内部温度分布；所述空气幕为定制风幕机运行时形成的空气隔层；利用寒区隧道热力学模型，确定热水管道铺设总长度；
安装参数确定模块，用于将热水管道铺设总长度沿隧道方向划分为多个热水管道单元；确定每个热水管道单元的温度传感器的安装参数、风速风向传感器的安装参数和锅炉的安装参数；所述安装参数包括安装位置、安装方式；根据隧道的物理结构数据、每个热水管道单元的温度传感器的安装参数、风速风向传感器的安装参数和锅炉的安装参数，确定智能控制服务器的安装参数；所述智能控制服务器的安装参数包括智能控制服务器的安装位置、供电方式、与温度传感器、风速风向传感器、锅炉以及定制风幕机的连接方式，所述智能控制服务器用于根据温度传感器检测的数据和风速风向传感器检测的数据，调节锅炉和定制风幕机的运行控制参数；
安装实施配置参数输出模块，用于根据定制风幕机的机械结构参数、每个热水管道单元的温度传感器、锅炉的安装参数和智能控制服务器的安装参数，确定隧道防寒的实施配置参数。
11.如权利要求10所述的装置，其特征在于，热水管道铺设总长度确定模块具体用于：
按如下公式，建立寒区隧道热力学模型：
Figure QLYQS_2
，
其中，K i 、c i 、T i (i=1、2、3、4)、R i 分别为初次衬砌、隔热层、二次衬砌和围岩的导热系数、体积比热、温度、半径，t为时间，r为待测量温度的采样点距离隧道中心点的距离。
12.如权利要求11所述的装置，其特征在于，热水管道铺设总长度确定模块具体用于：
获取穿过隧道的列车物理结构数据、所述空气幕作用下隧道洞口混合气体的温度和隧道的一次衬砌、隔热层、二次衬砌和外层围岩的热力学参数；所述列车物理结构数据包括列车车头面积、列车车厢个数、列车速度、列车质量；所述热力学参数包括温度、导热系数、体积比热、对流换热系数；
将穿过隧道的列车物理结构数据、所述空气幕作用下隧道洞口混合气体的温度和和隧道的一次衬砌、隔热层、二次衬砌和外层围岩的热力学参数，输入寒区隧道热力学模型，利用空气幕和列车风共同影响下的隧道内空气温度场，确定寒区隧道热力学模型的温度边界条件，计算输出在空气幕和列车风共同影响下的隧道洞口段负温长度；所述隧道洞口段负温长度为从温度为零下的隧道洞口起算、且温度从零下达到零度对应的隧道纵深长度；
根据隧道洞口段负温长度，确定热水管道铺设总长度。
13.如权利要求10所述的装置，其特征在于，每个热水管道单元设置采用盐水作为循环介质。
14.如权利要求10所述的装置，其特征在于，安装参数确定模块具体用于：
根据多个热水管道单元，确定每个热水管道单元由一个锅炉控制，且每个热水管道单元安装一个温度传感器。
15.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述智能控制服务器按照如下方式，根据温度传感器检测的数据和风速风向传感器检测的数据，调节锅炉和定制风幕机的运行控制参数：
当任一温度传感器检测的温度低于预设温度，调节定制风幕机的运行控制参数；
在启动定制风幕机的预设时间长度时，依次读取每个温度传感器检测的温度，确定温度仍低于预设温度的温度传感器对应的热水管道单元；
启动温度仍低于预设温度的温度传感器对应的热水管道单元的锅炉。
16.如权利要求15所述的装置，其特征在于，调节定制风幕机的运行控制参数，包括：
调节定制风幕机的工作档位参数；
根据动量守恒定律和风速风向传感器检测的数据，调节定制风幕机的吹出风向；
根据能量守恒定律和风速风向传感器检测的数据，调节定制风幕机吹出风的温度。
17.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至7任一所述方法。
18.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至7任一所述方法。
19.一种计算机程序产品，其特征在于，所述计算机程序产品包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至7任一所述方法。
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