王松任剛崔興華石明楊楊洪海

1東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

2南方風(fēng)機股份有限公司

公路隧道縱向射流通風(fēng)的三維數(shù)值模擬與分析

王松1任剛2崔興華2石明楊1楊洪海1

1東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

2南方風(fēng)機股份有限公司

以隧道縱向射流通風(fēng)基本理論為基礎(chǔ)，采用FLUENT軟件，對隧道內(nèi)空氣的速度場及壓力場作三維數(shù)值模擬與分析。在此基礎(chǔ)上，將模擬后得到的風(fēng)機升壓力值與經(jīng)典理論公式計算值比較，得到射流風(fēng)機綜合影響系數(shù)K，并進一步分析其影響因素及變化規(guī)律。研究工作可以為進一步優(yōu)化縱向射流通風(fēng)設(shè)計提供參考。

公路隧道 射流通風(fēng) 速度場 壓力場 綜合影響系數(shù)

0 引言

近年來，在公路隧道建設(shè)中，通風(fēng)設(shè)施及費用所占比例與日俱增。對于隧道通風(fēng)來說，較高的通風(fēng)效率是良好經(jīng)濟效益的保證，合理的氣流組織是良好環(huán)境效益的體現(xiàn)。因此，合理經(jīng)濟地采用公路隧道通風(fēng)方案，對現(xiàn)代隧道通風(fēng)技術(shù)有著重要的意義。隧道縱向通風(fēng)無需通風(fēng)管道，從而也無需增大隧道斷面，被稱為經(jīng)濟節(jié)能型通風(fēng)方式[1]。本文以某公路隧道縱向射流通風(fēng)為例，運用Fluent軟件研究了隧道內(nèi)空氣的速度場、壓力場，并在此基礎(chǔ)上分析研究了射流風(fēng)機綜合影響系數(shù)K的影響因素及變化規(guī)律，希望能為公路隧道的縱向通風(fēng)設(shè)計和優(yōu)化提供參考。

1 模擬條件及計算方法

1.1 物理模型

以某隧道的實際尺寸為依據(jù)，截取隧道長度300m作為計算模型，如圖1所示。隧道高7.5m，橫斷面積及周長分別為68.8m2及31.57m，隧道當量直徑8.7m。在距離隧道入口150m處布置2臺射流風(fēng)機，風(fēng)機長0.7m，直徑0.112m，安裝位置如圖2所示[2]。

圖1 隧道射流風(fēng)機計算模型

圖2 隧道橫斷面圖

1.2 邊界條件

由于隧道空間較大，網(wǎng)格數(shù)較多，且射流風(fēng)機尺寸相對于隧道空間很小，因此模型按非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，并對網(wǎng)格進行自適應(yīng)加密。應(yīng)用FLUEN軟件[3～4]，選取RNG k-ε兩方程紊流模型，速度-壓力耦合采用SIMPLE算法。

計算邊界類型及條件設(shè)置如下：①隧道底部和上部設(shè)為壁面邊界條件，并根據(jù)實際的粗糙度給定相應(yīng)的壁面函數(shù)中的參數(shù)[5]；②隧道入口設(shè)為等速邊界條件，速度值為隧道入口風(fēng)速Ve；③隧道出口設(shè)為壓力邊界條件，壓力與當?shù)卮髿鈮合嗟?；④風(fēng)機壁面設(shè)為固體壁面條件，摩擦阻力系數(shù)設(shè)為0；⑤風(fēng)機入口設(shè)為定流量邊界條件，其數(shù)值為所選用風(fēng)機的風(fēng)量；⑥風(fēng)機出口設(shè)為等速邊界條件，速度值為射流風(fēng)機的出口速度Vj。

2 計算結(jié)果及分析

在隧道入口風(fēng)速為4m/s，射流風(fēng)機出口風(fēng)速為35m/s工況下，選取y=3.4m，z=1.0m（如圖2所示A-A及B-B）截面，計算分析隧道內(nèi)速度場；通過其中一臺風(fēng)機中心，沿隧道縱向方向，計算分析壓力場。在此基礎(chǔ)上，計算風(fēng)機綜合影響系數(shù)K，并分析其影響因素及變化規(guī)律。

2.1 速度場分析

如圖3所示為隧道內(nèi)沿風(fēng)機軸向水平面（A-A截面）與鉛錘面（B-B截面）速度分布云圖。結(jié)果表明：1）風(fēng)機對上游處的空氣流速影響較小，只在風(fēng)機入口3～4m處，流速增加；風(fēng)機出口處的流速增加明顯，影響距離較長，約有100m左右；2）氣流在風(fēng)機入口處大量涌入，有小部分氣流不通過風(fēng)機，在風(fēng)機出口段與高速氣流摻混形成新的氣流。這種卷吸作用，使射流范圍擴展，流量增加，速度減小，壓力上升，形成射流發(fā)展過程；3）隧道內(nèi)水平面的風(fēng)速呈均勻?qū)ΨQ分布，風(fēng)機出口的高風(fēng)速沿射流方向迅速下降；4）在風(fēng)機安裝處的下方區(qū)域，空氣流速較低，速度分布比較均勻，存在回流現(xiàn)象。

圖3 隧道內(nèi)沿風(fēng)機軸向水平面與鉛錘面速度分布云圖

2.2 壓力場分析

如圖4、圖5所示分別為隧道內(nèi)的靜壓圖與動壓圖。結(jié)果表明：1）在隧道入口至風(fēng)機吸入口（3～4m外），射流風(fēng)機增壓效果不明顯，隧道內(nèi)靜壓略有下降，動壓幾乎不變；2）在距風(fēng)機入口3～4m處，靜壓急劇下降；3）在距風(fēng)機出口50m范圍內(nèi)，壓力有較大提升。其中，靜壓連續(xù)升高，動壓躍升到最高值，然后迅速下降；4）在距風(fēng)機出口50m后，靜壓與動壓的變化均趨緩，并于100m后趨于穩(wěn)定。

圖4 過一臺風(fēng)機中心線沿軸線方向靜壓圖

圖5 過一臺風(fēng)機中心線沿軸線方向動壓圖

2.3 綜合影響系數(shù)K及影響因素分析

本次模擬計算只考慮隧道壁面由于粗糙度而帶來的沿程損失△P，忽略隧道入口和出口的局部損失，則隧道中壓力變化只與隧道入口靜壓P1、隧道沿程阻力損失△P以及射流風(fēng)機升壓力Pj三個因素有關(guān)，因此，可通過式（1）計算得到射流風(fēng)機升壓力的模擬計算值。

通過式（2）計算得到射流風(fēng)機升壓力的經(jīng)典理論公式計算值[6]。

式中：Aj為射流風(fēng)機的出口面積，m2；Ae為隧道橫截面積，m2；Ve為隧道入口風(fēng)速，m/s；Vj為射流風(fēng)機的出口風(fēng)速，m/s；i為每一處設(shè)置射流風(fēng)機的臺數(shù)。

將風(fēng)機升壓力的模擬計算值與經(jīng)典理論公式計算值進行比較，通過式（3）計算得到風(fēng)機調(diào)壓的綜合影響系數(shù)K，該系數(shù)是評價射流風(fēng)機性能發(fā)揮好壞的重要指標。

計算結(jié)果見圖6、圖7，可以看出：1）綜合影響系數(shù)K的范圍在0.81～0.95之間，小于1，說明模擬計算值小于經(jīng)典理論公式計算值，這是由于模擬計算過程更接近實際情況，考慮了風(fēng)機射流導(dǎo)致氣流之間的劇烈碰撞和摻混，以及存在不同程度的渦流等必然導(dǎo)致射流能量損失的因素；2）當Vj一定時，隨著Ve的增加，綜合影響系數(shù)K變小，Vj越大，綜合影響系數(shù)K的下降幅度越大；3）當Ve一定時，隨著Vj的增加，綜合影響系數(shù)K變大，Ve越大，綜合影響系數(shù)K的上升幅度越小。

圖6 Ve-K關(guān)系曲線

圖7 Vj-K關(guān)系曲線

3 結(jié)論

本文運用Fluent軟件，對某公路隧道縱向射流通風(fēng)進行了數(shù)值模擬研究，并在此基礎(chǔ)上，分析研究了射流風(fēng)機調(diào)壓能力的影響因素及變化規(guī)律。結(jié)果表明：

1）風(fēng)機射流出口附近呈一定的自由射流屬性，沿射程方向邊界不斷擴大、軸心速度逐漸衰減。

2）射流風(fēng)機的主射流區(qū)范圍可達到100m。其中風(fēng)機的推動力主要集中在其出口處50m范圍，距離風(fēng)機出口50～100m范圍為壓力通風(fēng)段。

3）隧道入口風(fēng)速Ve和射流風(fēng)機出口風(fēng)速Vj都對風(fēng)機的調(diào)壓能力有影響。適當降低Ve，或適當增大Vj，有利于充分發(fā)揮射流風(fēng)機的性能。

[1]王曉雯,蔣樹屏.公路長隧道縱向組合通風(fēng)計算方法及應(yīng)用[J].中國公路學(xué)報,1996,9(3):62-71

[2]李景銀.公路隧道射流風(fēng)機設(shè)計和選型綜述[J].公路,2004,3(3): 141-144

[3]溫正,石良辰,任毅如.流體計算應(yīng)用教程[M].北京:清華大學(xué)出版社,2009

[4]江帆,黃鵬.FLUENT高級應(yīng)用與實例分析[M].北京:清華大學(xué)出版社,2008

[5]Schlichting Hermann.Boundary Layer Theory[M].New York: Mcgraw-hill Book Company,1968

[6]交通部.公路隧道通風(fēng)照明技術(shù)規(guī)范(JTJ026.1-1999).北京:人民交通出版社,1999

[7]張林.公路隧道射流通風(fēng)數(shù)值模擬與風(fēng)機安裝參數(shù)優(yōu)化[D].重慶:重慶交通大學(xué),2009

The Num e ric a l Sim ula tion a nd Ana lys is of Roa d Tunne l Longitudina l Ve ntila tion

WANG Song1,REN Gang2,CUI Xing-hua2,SHI Ming-yang1,YANG Hong-hai1
1 School of Environmental Science and Engineering,Donghua University
2 Nanfang Ventilator Co.,Ltd.

Based on the basic theory of tunnel longitudinal jet ventilation,by the mean of FLUENT software,simulated the air distribution of tunnel longitudinal ventilation with jet fan in a three-dimensional model,and analyzed the velocity field and the pressure field of the tunnel.On this basis,get the changing discipline of comprehensive influence coefficient K influenced by the air velocity in the tunnel and the outflow velocity of the jet fan by means of comparing with the theoretical calculation results.In order to optimize the design of Longitudinal jet ventilation for reference.

road tunnel,efflux ventilation,velocity field,pressure field,comprehensive influence coefficient

1003-0344（2015）02-046-3

2013-10-29

楊洪海（1968～），女，博士，副教授；上海市松江區(qū)人民北路2999號東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院3163室（201620）；E-mail:yhh@dhu.edu.cn