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随着我国基础设施建设的发展,公路隧道建设规模越来越大。长大隧道施工时排出粉尘等高浓度污染物需风量大,污染物在隧道中随风扩散,蔓延范围广,停留时间长。传统的压入式通风除尘效率低,施工人员作业环境差,粉尘浓度很难满足规范的要求,如何高效率降除施工期隧道烟尘已成为国内外学者重点研究的难题。在前人负离子除尘研究中,初步确定了除尘效率的主要影响因素,但是对扩散荷电和综合荷电效应下的分级除尘效率和有效作用粒径等问题尚未研究,系统电压等参数尚需进行优化。本文依托陕西省坪坎-汉中段石门隧道工程,采用现场试验和数值模拟等研究方法,对负离子净化系统的除尘效率开展了系统研究。主要研究成果如下:(1)通过对施工期隧道通风除尘的调研,阐述了粉尘的产生原因和理化特性;对比负离子除尘技术与传统除尘方法的异同,探讨负离子的荷电机理、除尘特性及其高效净化的特点,得出影响负离子除尘效率的主要因素,并分析负离子扩散荷电和场致荷电的两种机理。(2)利用研发的负离子系统进行现场试验,得到负离子系统开启前后总尘、PM10和PM2.5的浓度,研究表明:使用负离子系统后对总尘、PM10和PM2.5的除尘效率提高了22~40%。(3)基于流体动力学、电场和动力场等基础方程,利用FLUENT软件二次开发功能编写UDF程序,建立负离子除尘过程的三维数学模型;选用RNG k-ε双方程湍流模型,利用有限体积法和SIMPLE算法进行耦合计算,得到流场、电场分布规律和粉尘运动轨迹;通过对比除尘效率的测试值与模拟值,发现二者具有一致的规律性,验证了数值模拟的可靠性。(4)根据多依奇公式,利用FLUENT有限元数值仿真软件,模拟扩散荷电和综合荷电作用下,电压、风速、粉尘粒径和颗粒浓度等参数对除尘效率的影响,得到了扩散荷电的分级除尘效率贡献率:对粒径0.1~0.5μm、2~5μm和5~10μm的颗粒,贡献率分别为50~90%、30~40%和10~15%;得到扩散荷电和场致荷电有效作用粒径分别为:0.1~0.5μm和5~10μm;并给出不同区段电压的合理范围:靠近掌子面处设置为40~55kV,远离掌子面处设置为30~40kV。