巷道的热力学特征参数预测方法、系统、设备和介质与流程

本技术涉及隧道及地下工程施工通风，特别是涉及一种巷道的热力学特征参数预测方法、系统、设备和介质。

背景技术：

1、在寒区（高纬度或高海拔严寒地区）地下工程建设中，极端气候环境对施工安全与作业环境构成了严峻挑战。与地面及浅部空间相比，巷道普遍呈现高埋深、大断面、长距离的工程特征。在巨大的内外温差作用下，洞室与洞口之间易形成显著的热位差与自然风压，进而引发强烈的自然通风。此现象导致冷风侵入时洞内气温骤降、路面结冰，而热风外溢则致使洞口形成水雾，严重威胁施工与交通安全。因此，巷道温度场的分布特性直接决定了受限空间的热环境质量，是通风系统设计与施工安全控制的核心依据，对人员作业、设备运行及能耗管理均有重要影响，已成为寒区开发领域的关键研究课题。

2、目前，针对寒区地下空间热环境特性的研究，主要沿以下三条技术路线展开：

3、一是现场监测路线。该路线通过布设分布式温度传感器网络，并结合多参数气象监测系统，动态获取施工环境数据，旨在为理论模型验证提供实证基础。

4、二是理论解析路线。该路线基于传热学、流体力学与自然对流理论，通过求解热传导方程、对流-扩散方程及湍流模型的控制方程，推导巷道内部温度场分布的解析解或半解析解。

5、三是数值模拟路线。该路线基于计算流体力学方法，耦合k-ε湍流模型、辐射传热模型及多孔介质传热等理论，对复杂几何条件下的非等温流动进行高精度仿真，并通过参数化分析识别进风参数、几何尺寸、围岩条件等因素对温度变化的影响权重。

6、然而，现有研究多聚焦于水平或近水平隧道，针对倾斜巷道的浮力项修正与倾角影响机制研究明显不足，难以准确反映倾斜条件下自然对流与温度回升的演变规律。此外，现有技术多依赖于计算流体力学（cfd）方法进行温度场计算，虽然cfd数值模拟精度较高，但其建模与计算成本高、周期长，难以满足施工现场快速反复计算的需求。

7、有鉴于此，亟需提供一种能够综合考虑倾斜巷道特征、实现快速精准预测巷道的热力学特征参数的方法。

技术实现思路

1、基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种巷道的热力学特征参数预测方法、系统、设备和介质。

2、一种巷道的热力学特征参数预测方法，所述方法包括：

3、s1、采集目标工况下倾斜巷道的巷道倾角、巷道长度、当量直径、空气质量流量及边界条件；所述边界条件包括巷道入口的进风风温、进风风速和所述倾斜巷道的壁面温度；

4、s2、在所述倾斜巷道的壁面温度稳定时，确定所述壁面温度和所述进风风温的温差；

5、s3、基于所述温差、所述巷道倾角及所述巷道长度l，通过计算倾角修正瑞利数；g为重力加速度，β为空气热膨胀系数，为空气运动黏度，为空气热扩散率；

6、s4、在所述倾角修正瑞利数大于或等于第一预设值时，确定所述倾斜巷道中流动的气流为湍流自然对流，并计算对流换热系数；所述对流换热系数用于表征所述倾斜巷道和气流进行热交换的效率；

7、s5、基于所述对流换热系数h，通过确定所述倾斜巷道的气流温度分布情况和冻结长度；表示在所述倾斜巷道内，沿纵向延伸方向距离所述巷道入口x米处的气流温度，p为倾斜巷道的当量直径，cp为空气定压比热容，为倾斜巷道内的空气质量流量。

8、优选地，第一预设值为109。

9、优选地，当量直径根据倾斜巷道的断面面积s和断面周长d确定，p=4s/d。

10、在其中一个实施例中，判断所述壁面温度是否稳定的过程包括：

11、确定冷空气特征流动长度、包裹所述倾斜巷道的围岩的受冷影响深度及所述围岩的热扩散率；

12、基于所述冷空气特征流动长度与所述进风风速的比值，确定空气对流特征时间；基于所述受冷影响深度lr及所述围岩的热扩散率a，通过计算围岩导热特征时间td；

13、在所述空气对流特征时间与所述围岩导热特征时间的比值小于或等于第二预设值时，确定所述壁面温度稳定。

14、优选地，冷空气特征流动长度为倾斜巷道的巷道长度。

15、在其中一个实施例中，步骤s4中所述对流换热系数的计算过程包括：

16、通过计算努塞尔数；

17、基于所述努塞尔数和所述巷道长度，通过计算对流换热系数h；λ为空气导热系数。

18、在其中一个实施例中，所述方法还包括：

19、获取多组目标工况对应的气流温度分布情况和冻结长度；不同目标工况下的巷道倾角、巷道长度、壁面温度及边界条件中的至少一项存在差异；

20、基于各组所述目标工况对应的所述气流温度分布情况，确定各所述目标工况的平均气温变化率；

21、基于各所述目标工况对应的所述平均气温变化率和控制因素进行回归分析，得到各所述控制因素的标准化回归系数和显著性概率值；所述控制因素包括所述巷道倾角、所述巷道长度、所述当量直径及调控因素，所述调控因素包括所述壁面温度、所述进风风温及所述进风风速中的一种或多种；

22、将所述显著性概率值小于或等于第三预设值的所述调控因素，确定为目标因素；

23、根据各所述目标因素的所述标准化回归系数的绝对值，对各所述目标因素进行排序；

24、根据各所述目标因素的排序结果，确定各所述目标因素的调控优先级，以基于所述目标因素的所述调控优先级，生成通风防冻建议。

25、在其中一个实施例中，所述基于所述目标因素的所述调控优先级，生成针对所述倾斜巷道的通风防冻建议，包括：

26、根据所述目标因素的所述标准化回归系数的正负值确定调节方向；其中，当所述目标因素的所述标准化回归系数为负值时，降低所述目标因素的取值；当所述目标因素的所述标准化回归系数为正值时，提高所述目标因素的取值；

27、基于所述目标因素的所述调控优先级和所述调节方向，生成通风防冻建议。

28、在其中一个实施例中，所述方法还包括：

29、在实际倾斜巷道的入口至预设深度的区段内，由密至疏设置多个监测断面；

30、在各所述监测断面处采集各所述监测断面的实际气温，并采集所述实际倾斜巷道的实际入口风速、实际入口风温、实际壁温、实际冻结长度、实际倾角及实际长度；各所述监测断面的实际气温构成所述实际倾斜巷道的实际气温分布情况；

31、以所述实际倾角为所述巷道倾角，以所述实际入口风速为所述进风风速，以所述实际入口风温为所述进风风温，以所述实际壁温为所述壁面温度，以所述实际长度为所述巷道长度，在所述壁面温度稳定时，计算所述实际倾斜巷道对应的预测气温分布情况和预测冻结长度；

32、将所述预测气温分布情况和所述实际气温分布情况进行对比，得到第一对比结果；将所述预测冻结长度和所述实际冻结长度进行对比，得到第二对比结果；

33、基于所述第一对比结果和所述第二对比结果，确定所述气流温度分布情况和所述冻结长度的准确性。

34、在其中一个实施例中，所述方法还包括：

35、构建所述倾斜巷道的全尺寸三维瞬态数值模型；

36、基于所述全尺寸三维瞬态数值模型的模拟结果与实际倾斜巷道的实际气温分布情况和实际冻结长度，判断所述全尺寸三维瞬态数值模型是否可靠；

37、在确定所述全尺寸三维瞬态数值模型可靠时，基于所述模拟结果，判断所述倾斜巷道的所述气温分布情况和所述冻结长度是否可靠。

38、一种巷道的热力学特征参数预测系统，所述系统包括：

39、数据采集模块，用于采集目标工况下倾斜巷道的巷道倾角、巷道长度、当量直径、空气质量流量及边界条件；所述边界条件包括巷道入口的进风风温、进风风速和所述倾斜巷道的壁面温度；

40、温差计算模块，用于在所述倾斜巷道的壁面温度稳定时，确定所述壁面温度和所述进风风温的温差；

41、瑞利数计算模块，用于基于所述温差、所述巷道倾角及所述巷道长度l，通过计算倾角修正瑞利数；g为重力加速度，β为空气热膨胀系数，为空气运动黏度，为空气热扩散率；

42、参数计算模块，用于在所述倾角修正瑞利数大于或等于第一预设值时，确定所述倾斜巷道中流动的气流为湍流自然对流，并计算对流换热系数；所述对流换热系数用于表征所述倾斜巷道和气流进行热交换的效率；

43、预测模块，用于基于所述对流换热系数h，通过确定所述倾斜巷道的气流温度分布情况和冻结长度；表示在所述倾斜巷道内，沿纵向延伸方向距离所述巷道入口x米处的气流温度，p为倾斜巷道的当量直径，cp为空气定压比热容，为倾斜巷道内的空气质量流量。

44、一种设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法的步骤。

45、一种计算机可读存储介质，其存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述方法的步骤。

46、上述巷道的热力学特征参数预测方法、系统、设备和介质的有益效果是：可以仅需少量工程参数即可得到倾斜巷道的气流温度分布情况和冻结长度，无需逐工况建立三维cfd模型，可以满足施工现场快速反复计算的需求。