袁浩庭， 陳 超, *， 李 瓊, 2， 王陸瑤， 李亞茹

(1. 北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院， 北京 100124； 2. 華北科技學(xué)院建筑工程學(xué)院， 北京 101601)

城市地下道路分(合)流匝道通風(fēng)阻力特性

袁浩庭1， 陳 超1, *， 李 瓊1, 2， 王陸瑤1， 李亞茹1

(1. 北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院， 北京 100124； 2. 華北科技學(xué)院建筑工程學(xué)院， 北京 101601)

為分析多點(diǎn)進(jìn)出結(jié)構(gòu)的城市地下道路空氣流動(dòng)特性，以長沙市營盤路湘江隧道為原型，通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、縮尺模型試驗(yàn)以及CFD軟件數(shù)值模擬方法，對(duì)分(合)匝道通風(fēng)阻力特性進(jìn)行了研究，考察了雷諾數(shù)、風(fēng)量比、分岔角度對(duì)分(合)流匝道阻力特性的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明： 1)主隧道與匝道風(fēng)量比、主隧道與匝道夾角是影響分(合)流匝道局部阻力系數(shù)的關(guān)鍵因素； 2)城市地下道路分(合)流匝道局部阻力變化特性，不宜簡(jiǎn)單套用通風(fēng)管道的三通構(gòu)件的參數(shù)； 3)結(jié)合最小二乘法和Matlab軟件對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行多因素回歸分析，給出了基于長沙營盤路湘江隧道的分(合)流匝道主隧道和匝道的局部阻力系數(shù)關(guān)聯(lián)式。研究結(jié)果可為復(fù)雜結(jié)構(gòu)城市地下道路通風(fēng)系統(tǒng)阻力特性分析及通風(fēng)工程優(yōu)化設(shè)計(jì)提供方法參考。

多點(diǎn)進(jìn)出城市地下道路； 分(合)流匝道； 局部阻力系數(shù)； 縮尺模型實(shí)驗(yàn)； 數(shù)值模擬

0 引言

為緩解城市用地緊張、城市中心區(qū)主干道交通擁堵、縮短城區(qū)間的道路里程，多點(diǎn)進(jìn)出城市地下道路已成為目前我國城市地下道路建設(shè)的主要隧道形式。例如，中國深圳新經(jīng)濟(jì)特區(qū)前海正在新建的一條穿越CBD區(qū)域的長約5.257 km的城市地下道路，沿線設(shè)置9個(gè)進(jìn)出地面匝道的出入口、10個(gè)進(jìn)出地下匝道的出入口。復(fù)雜的隧道結(jié)構(gòu)特征，直接影響城市地下道路通風(fēng)工程設(shè)計(jì)，特別是分(合)流匝道通風(fēng)阻力特性會(huì)對(duì)多點(diǎn)進(jìn)出城市地下道路空氣流動(dòng)特性產(chǎn)生直接影響。

關(guān)于隧道局部構(gòu)件阻力特性的研究主要集中在公路隧道。李峰[1]對(duì)公路隧道彎曲風(fēng)道進(jìn)行了研究，得到了彎曲風(fēng)道局部阻力損失系數(shù)隨彎曲半徑與隧道當(dāng)量直徑的關(guān)系； 溫玉輝[2]采用數(shù)值模擬的方法對(duì)影響短道流態(tài)的4個(gè)因素(排風(fēng)道與隧道軸線夾角、送風(fēng)方向與隧道軸線夾角、送排風(fēng)口間距和送排風(fēng)流量比)進(jìn)行單獨(dú)分析； 喻映華等[3]通過數(shù)值模擬的方法對(duì)隧道緊急停車帶的局部阻力系數(shù)進(jìn)行了研究。同時(shí)部分學(xué)者對(duì)隧道三通局部阻力損失做了相關(guān)研究。石平等[4]結(jié)合《雁門關(guān)公路隧道運(yùn)營通風(fēng)與防災(zāi)技術(shù)研究》，采用理論分析、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及數(shù)值模擬等方法，對(duì)三通局部阻力損失、送排風(fēng)短道的優(yōu)化進(jìn)行了研究，得到了一系列有益于通風(fēng)設(shè)計(jì)的結(jié)論； 馬佳[5]運(yùn)用數(shù)值模擬方法對(duì)影響公路隧道三通局部阻力系數(shù)的因素進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)傾斜角度、主支流量比等因素對(duì)局部阻力系數(shù)有影響； 茍紅松等[6]利用理論計(jì)算對(duì)隧道施工通風(fēng)分風(fēng)三通位置的選擇做了研究，發(fā)現(xiàn)主風(fēng)管與分風(fēng)管直徑比是影響風(fēng)管出口風(fēng)量的關(guān)鍵因素。國內(nèi)外關(guān)于三通局部阻力損失相關(guān)的研究大多集中在管道三通局部構(gòu)件上。COSTA等[7]對(duì)夾角為90°的三通局部阻力系數(shù)進(jìn)行了研究，分析了雷諾數(shù)和流量比對(duì)局部阻力系數(shù)的影響； Abdulwahhab等[8]對(duì)夾角為90°的三通的局部阻力損失進(jìn)行了模擬和試驗(yàn)研究，結(jié)果表明流量比對(duì)其阻力損失影響很大； 我國的很多學(xué)者也對(duì)管道三通局部阻力特性進(jìn)行了研究[9-12]，分析了分流比、雷諾數(shù)、管間夾角和管徑比等因素的影響。

目前，國內(nèi)關(guān)于多點(diǎn)進(jìn)出城市地下道路通風(fēng)系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)取值多是來自參考文獻(xiàn)[13]，其關(guān)于支管與主管夾角對(duì)管道空氣流動(dòng)的影響，僅僅給出了夾角為30°、45°和90°時(shí)的3種情況； 現(xiàn)行規(guī)范[14]涉及到多點(diǎn)進(jìn)出隧道主隧道與分(合)流匝道夾角對(duì)隧道空氣流動(dòng)的影響，也只是給出了夾角為90°時(shí)的情況?？紤]到實(shí)際隧道工程分(合)流匝道與常見通風(fēng)三通管道的不同性，以及實(shí)際隧道主隧道與分(合)流匝道角度通常都小于30°的實(shí)際情況，本文以多點(diǎn)進(jìn)出城市地下道路的分(合)流匝道通風(fēng)阻力特性為重點(diǎn)研究對(duì)象，通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、縮尺模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法，研究并分析雷諾數(shù)Re、主隧道與分(合)流匝道風(fēng)量比q、主隧道與分(合)流匝道夾角θ等因素對(duì)分(合)流匝道局部阻力系數(shù)的影響規(guī)律，以期為城市地下道路通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

1 材料與方法

1.1 縮尺模型試驗(yàn)

1.1.1 試驗(yàn)臺(tái)搭建

長沙市營盤路湘江隧道(以下簡(jiǎn)稱長沙隧道)位于長沙市中心城區(qū)，為雙洞單向隧道，由南線和北線2條獨(dú)立且平行的隧道構(gòu)成，主線為雙車道、總長2.7 km，每條隧道均有2個(gè)入口和2個(gè)出口，其中東側(cè)出(入)口對(duì)接湘江東岸商業(yè)區(qū)，西側(cè)出(入)口對(duì)接湘江西岸居住區(qū)，如圖1所示。 其中，A匝道長648 m、B匝道長425 m、C匝道長632 m、D匝道長752 m，均為單車道。匝道雖為單車道，但同時(shí)考慮了1條應(yīng)急車道，因此主、匝隧道斷面尺寸幾乎一樣。主、匝道斷面結(jié)構(gòu)尺寸見圖2。

圖1 線路示意圖

(a) 主隧道斷面構(gòu)造圖

(b) 匝道斷面構(gòu)造圖

根據(jù)流體力學(xué)理論以及流動(dòng)相似理論，本文以長沙隧道為原型，基于雷諾相似準(zhǔn)則和幾何相似準(zhǔn)側(cè)搭建1∶8縮尺模型比例試驗(yàn)臺(tái)，試驗(yàn)臺(tái)尺寸見表1。

表1 模型試驗(yàn)臺(tái)尺寸

考慮到實(shí)際隧道通風(fēng)速度通常都在紊流區(qū)，雷諾數(shù)Re>5×104，滿足自模區(qū)的要求，因此主要考慮在幾何相似和邊界條件相似的前提下，使模型的空氣流動(dòng)充分發(fā)展成完全紊流，進(jìn)入阻力平方區(qū)，即自動(dòng)模型區(qū)，確保與原型流動(dòng)保持相似。基于管內(nèi)自模區(qū)臨界雷諾數(shù)大于5×104，且可適當(dāng)降低的設(shè)計(jì)原則[15]，模型試驗(yàn)最小風(fēng)速按0.69 m/s，對(duì)應(yīng)臨界雷諾數(shù)Re>3.5×104。

按照幾何相似準(zhǔn)則，試驗(yàn)場(chǎng)地?zé)o法滿足模型長度要求。為此，本研究采用變態(tài)模型法對(duì)模型的長度進(jìn)行補(bǔ)償修正，且將變態(tài)率控制在4以內(nèi)。變態(tài)率

k=CL/CD=4[15]。

(1)

式中：k為變態(tài)率；CD為徑向比尺，CD=DP/Dm(DP為原型當(dāng)量直徑，Dm為模型當(dāng)量直徑)，本試驗(yàn)臺(tái)為8；CL為長度方向的比尺，CL=LP/Lm(LP為原型長度，Lm為模型長度)。

根據(jù)式(1)，模型長度雖可縮短到2 700/32=84.37 m，但試驗(yàn)場(chǎng)地仍然難以滿足要求。因此進(jìn)一步采用等效模擬法，即加阻力格柵的方式，以局部阻力代替沿程阻力，對(duì)模型長度進(jìn)行補(bǔ)償修正。試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷淖罱K長度為30 m。

圖3為1∶8模型試驗(yàn)臺(tái)示意圖，試驗(yàn)臺(tái)主要由風(fēng)機(jī)、軟連接、整流段、格柵段、主隧道段、變徑段和匝道段等組成。其中變徑段長5 m，風(fēng)管材料采用鍍鋅板。

圖3 1∶8縮尺隧道模型試驗(yàn)臺(tái)

1.1.2 測(cè)點(diǎn)布置及數(shù)據(jù)采集

縮尺試驗(yàn)臺(tái)各功能段構(gòu)成及其風(fēng)速、風(fēng)壓等參數(shù)采樣點(diǎn)位置如圖4所示，風(fēng)速、風(fēng)壓測(cè)試儀器以及通風(fēng)機(jī)等性能參數(shù)見表2，各采樣點(diǎn)位置按照上游大于2倍當(dāng)量直徑、下游大于3～5倍當(dāng)量直徑的原則確定。分流試驗(yàn)時(shí)，主隧道風(fēng)機(jī)正轉(zhuǎn)； 合流試驗(yàn)時(shí)，主隧道風(fēng)機(jī)反轉(zhuǎn)。當(dāng)主隧道風(fēng)速穩(wěn)定后，采集各個(gè)采樣點(diǎn)的風(fēng)速和風(fēng)壓，風(fēng)速每20 s采集1次，連續(xù)采集30 min； 風(fēng)壓每5 min采集1次，采集30 min，共采集6組數(shù)據(jù)。

圖4 分(合)流段通風(fēng)試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置圖

Fig. 4 Layout of monitoring points for ventilation of confluence and distributary sections

1.2 數(shù)值計(jì)算分析

1.2.1 物理模型及網(wǎng)格劃分

根據(jù)圖5建立相應(yīng)的CFD計(jì)算物理模型，采用Gambit軟件建立相應(yīng)的結(jié)構(gòu)型網(wǎng)格模型，如圖6所示。通過網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗(yàn)，模型長度方向(z軸方向)、寬度方向(x軸方向)和高度方向(y軸方向)的網(wǎng)格尺度分別為0.1、0.062 5、0.062 5 m； 總網(wǎng)格數(shù)為55 250個(gè)。

圖5 計(jì)算物理模型

圖6 網(wǎng)格模型

1.2.2 模擬工況

根據(jù)長沙隧道不同工況下的實(shí)測(cè)結(jié)果，直隧道通常風(fēng)速為2～7 m/s，支隧道風(fēng)速為1～4 m/s。為考察雷諾數(shù)、風(fēng)量比(包括上下游主隧道的風(fēng)量比q1以及上游主隧道與匝道的風(fēng)量比q2)以及主隧道與匝道的夾角等因素對(duì)分(合)流匝道局部阻力特性的影響規(guī)律，本研究分3種工況進(jìn)行分析討論，具體工況見表3。

表3 計(jì)算工況

1.2.3 模型計(jì)算及求解

1)模型求解條件。應(yīng)用Fluent15.0軟件對(duì)分(合)流匝道局部阻力系數(shù)進(jìn)行分析。采用k-epsilon(2eqn)湍流模型，方程的離散采用有限體積法，擴(kuò)散項(xiàng)采用中心差分格式離散。為提高計(jì)算精度，對(duì)流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式離散，速度與壓力的耦合計(jì)算采用SIMPLEC 算法。

2)邊界條件。進(jìn)出口條件： 設(shè)置速度入口或速度出口邊界，采用湍流強(qiáng)度和水力直徑定義湍流，采用壓力出口或壓力入口邊界條件； 壁面條件： 固體壁面上采用無滑移條件，當(dāng)量粗糙度為1 mm。

3)計(jì)算流體條件?？諝鉁囟葹?03 K、密度為1.225 kg/m3、動(dòng)力黏度為1.789 4×10-5kg/(m·s)。

1.2.4 模型有效性驗(yàn)證

依據(jù)流體力學(xué)理論，風(fēng)道構(gòu)件局部阻力系數(shù)

ξ=Δp/p。

(2)

式中：ξ為局部阻力系數(shù)； Δp為2個(gè)測(cè)點(diǎn)之間的全壓差；p為主隧道動(dòng)壓。

圖7示出分(合)流匝道局部阻力系數(shù)與風(fēng)速的關(guān)系圖，是模擬結(jié)果的有效性驗(yàn)證，分岔匝道和合流匝道(θ=0°)局部阻力系數(shù)計(jì)算值與試驗(yàn)結(jié)果具有較好的一致性。

2 結(jié)果及分析

2.1 雷諾數(shù)的影響(工況1)

圖8示出風(fēng)量比q1=q2=0.5、主隧道與匝道夾角θ=0°時(shí)，主隧道風(fēng)速變化對(duì)分流匝道、合流匝道局部阻力系數(shù)的影響有限，局部阻力系數(shù)變化很小。說明當(dāng)流動(dòng)處于紊流狀態(tài)即阻力平方區(qū)時(shí)，局部阻力系數(shù)不再隨Re變化。鞏啟濤等[9]發(fā)現(xiàn)，對(duì)于三通局部阻力系數(shù)，進(jìn)入局部阻力系數(shù)的“阻力平方區(qū)”后，三通局部阻力系數(shù)基本趨于穩(wěn)定。

(a) 分流匝道

(b) 合流匝道

Fig. 7 Relationships between local resistance coefficient of confluence and distributary ramps and air speed

2.2 風(fēng)量比的影響(工況2)

圖9示出主隧道與匝道夾角為0°和30°時(shí)，風(fēng)量比變化對(duì)分(合)流匝道局部阻力系數(shù)的影響規(guī)律。分流匝道情況下，主隧道和匝道的局部阻力系數(shù)都隨風(fēng)量比呈先下降后增大的趨勢(shì)，其最小值分別出現(xiàn)在q1=0.6和q2=0.5左右，該規(guī)律不同于文獻(xiàn)[13]關(guān)于矩形風(fēng)管分流三通中直通管道局部阻力系數(shù)的變化規(guī)律； 合流匝道情況下，主隧道和匝道的局部阻力系數(shù)隨風(fēng)量比的增加呈單值增大的趨勢(shì)，但q1和q2小于0.4時(shí)的主隧道、匝道的局部阻力系數(shù)均為負(fù)值，此規(guī)律與文獻(xiàn)[13]關(guān)于矩形風(fēng)管合流三通旁通管的趨勢(shì)相同，但不同于直通管的變化規(guī)律。

(a) 分流匝道

(b) 合流匝道

Fig. 8 Relationships between local resistance coefficient of confluence and distributary ramps andRe

(a) 主隧道

(b) 匝道

Fig. 9 Relationships between local resistance coefficient of confluence and distributary ramps andq

2.3 主隧道與匝道夾角的影響(工況3)

2.3.1 分流匝道

圖10示出主隧道與匝道夾角分別為0°、10°、20°、30°時(shí)，分流匝道局部阻力系數(shù)的差異性。由圖10(a)可知，當(dāng)風(fēng)量比小于0.5且風(fēng)量比一定時(shí)，分岔角度變化對(duì)主隧道局部阻力的影響有限； 但當(dāng)風(fēng)量比大于0.5后，主隧道與匝道夾角變化對(duì)直隧道局部阻力系數(shù)的影響明顯增大，特別是對(duì)匝道局部阻力系數(shù)的影響尤為顯著。

(a) 主隧道

(b) 匝道

圖10分流匝道局部阻力系數(shù)與分岔角度的關(guān)系

Fig. 10 Relationships between local resistance coefficient of distributary ramp andθ

圖11為風(fēng)量比q1=q2=0.5條件下的速度場(chǎng)計(jì)算云圖。由圖可知，隨著主隧道與匝道夾角的增大，進(jìn)入主隧道的流線分布基本沒有發(fā)生變化，這意味著在q1=q2=0.5條件下，夾角變化對(duì)主隧道局部阻力系數(shù)的影響有限； 而隨著夾角的增大，氣流偏轉(zhuǎn)角度增大，氣流能快速充滿整個(gè)隧道斷面并均勻流動(dòng)，匝道斷面平均壓力減小，局部阻力系數(shù)增大。

(a) 0°

(b) 10°

(c) 20°

(d) 30°

圖11風(fēng)量比q1=q2=0.5時(shí)分流匝道流速分布及流線圖

Fig. 11 Flow velocity distribution and streamlines of distributary ramp whenq1=q2=0.5

2.3.2 合流匝道

圖12示出主隧道與匝道夾角分別為0°、10°、20°、30°時(shí)，合流匝道局部阻力系數(shù)的差異性。圖12(a)示出隨著主隧道與匝道夾角的增加，主隧道局部阻力系數(shù)呈單值上升趨勢(shì)； 但隨著風(fēng)量比q1逐漸增大，這種影響在減弱。圖12(b)反映了風(fēng)量比的變化對(duì)匝道局部阻力系數(shù)的影響不可忽略，特別是風(fēng)量比大于0.5后，這種影響更明顯。

(a) 主隧道

(b) 匝道

圖12合流匝道局部阻力系數(shù)與分岔角度的關(guān)系

Fig. 12 Relationships between local resistance coefficient of confluence ramp andθ

圖13為風(fēng)量比q1=0.17、q2=0.83時(shí)的流速分布及流線圖。由圖可知，隨著主隧道與匝道夾角的增大，主隧道漩渦尺寸在逐漸增大，致使主隧道的局部損失增大。在匝道風(fēng)量比q2=0.83的條件下，隨著主隧道與匝道夾角的增大渦旋減弱，但是在30°夾角時(shí)渦旋又增多，這也是合流匝道局部阻力系數(shù)在0°、10°、20°、30°之間先減小后增大的原因。

2.4 局部阻力系數(shù)計(jì)算關(guān)聯(lián)式

通過上述分析可知，風(fēng)量比、主隧道與匝道夾角是影響分(合)流匝道局部阻力系數(shù)的關(guān)鍵因素?；谏鲜龇治鼋Y(jié)果，根據(jù)最小二乘法并采用Matlab軟件對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行多因素回歸分析，可得到合流匝道主隧道局部阻力系數(shù)ξ13、匝道局部阻力系數(shù)ξ23關(guān)聯(lián)式(3)—(4)； 分流匝道主隧道局部阻力系數(shù)ξ31、匝道局部阻力系數(shù)ξ32關(guān)聯(lián)式(5)—(6)。

(3)

(4)

(5)

(6)

(a) 0°

(b) 10°

(c) 20°

(d) 30°

圖13風(fēng)量比q1=0.17、q2=0.83時(shí)合流匝道流速分布及流線圖

Fig. 13 Flow velocity distribution and streamlines of confluence ramp whenq1=0.17 andq2=0.83

3 結(jié)論與建議

基于長沙營盤路湘江隧道的實(shí)測(cè)、1∶8縮尺模型試驗(yàn)以及CFD數(shù)值分析結(jié)果，得到以下關(guān)于城市地下道路分(合)流匝道通風(fēng)阻力特性研究結(jié)果：

1)主隧道與匝道風(fēng)量比、主隧道與匝道夾角是影響分(合)流匝道局部阻力系數(shù)的關(guān)鍵因素。

2)城市地下道路分(合)流匝道局部阻力變化特性，尤其是分(合)流主隧道隨風(fēng)量比的變化規(guī)律完全不同于文獻(xiàn)[13]，所以不宜簡(jiǎn)單套用通風(fēng)管道的三通構(gòu)件的參數(shù)。

3)基于長沙營盤路湘江隧道的計(jì)算結(jié)果，根據(jù)最小二乘法以及Matlab軟件進(jìn)行多因素回歸分析，得出關(guān)于風(fēng)量比和分岔角度的分(合)流匝道局部阻力系數(shù)計(jì)算關(guān)聯(lián)式。

4)本研究結(jié)果基于長沙市營盤路湘江隧道的結(jié)構(gòu)特征，即主隧道與匝道斷面積基本相同。然而隨著各種特長復(fù)雜城市隧道的修建，主隧道和匝道的結(jié)構(gòu)特性也在發(fā)生變化，所以建議進(jìn)一步研究分析多個(gè)斷面積比條件下的分(合)流匝道局部阻力特性，為城市地下道路通風(fēng)工程設(shè)計(jì)計(jì)算、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范的制定提供方法參考。

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VentilationResistanceCharacteristicsofConfluenceandDistributaryRampsofUrbanTunnel

YUAN Haoting1, CHEN Chao1, *, LI Qiong1, 2, WANG Luyao1, LI Yaru1

(1.CollegeofArchitectureandCivilEngineering,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China; 2.ArchitecturalEngineeringCollege,NorthChinaInstituteofScienceandTechnology,Beijing101601,China)

The ventilation resistance characteristics of confluence and distributary ramps of Xiangjiang River-crossing Tunnel on Yingpan Road in Changsha is studied by field monitoring, scale model experiment and software CFD numerical simulation; and then the influences of Reynolds number, air volume ratio and bifurcation angle on resistance characteristic of confluence and distributary ramps of the tunnel are analyzed so as to know the air flowing characteristics of urban underground passageway with bifurcated ramps. The results show that: 1) The air volume ratio and bifurcation angle are the key factors on the local resistance coefficients of confluence and distributary ramps. 2) The parameters of triplet joint component of ventilation pipe cannot be applied to characterize the variation of local resistance of confluence and distributary ramps. 3) The multiple-factor regression analysis of calculation results is carried out by least square method and software Matlab, which provides the expression equation of local resistance coefficient of confluence and distributary ramps of Xiangjiang River-crossing Tunnel on Yingpan Road in Changsha. The study results can provide reference for analysis of resistance characteristics of ventilation system and optimization of ventilation engineering design of urban underground passageway with complex structure.

urban bifurcate tunnel; confluence and distributary ramp; local resistance coefficient; scale model experiment; numerical simulation

2017-03-01;

2017-05-04

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51378024)； 北京市自然科學(xué)基金項(xiàng)目(8162006)

袁浩庭(1990—)，男，河北滄州人，北京工業(yè)大學(xué)暖通專業(yè)在讀碩士，研究方向?yàn)樗淼劳L(fēng)。E-mail： yhtbjut1990@163.com。*通信作者： 陳超， E-mail： chenchao@bjut.edu.cn。

10.3973/j.issn.2096-4498.2017.11.008

U 45

A

2096-4498(2017)11-1409-08