王 文 孫三祥 陳軍強(qiáng)

豎井縱向位置對(duì)隧道自然通風(fēng)的影響

王 文1孫三祥2陳軍強(qiáng)3

（1.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 渭南 714000；2.蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院 蘭州 730070；3.鐵道第一勘察設(shè)計(jì)院新疆分院 烏魯木齊 830011）

隧道豎井自然通風(fēng)在長(zhǎng)大隧道運(yùn)營(yíng)通風(fēng)中的作用不可忽視，故豎井位置的選擇也很重要。研究基于FLUENT軟件，采用RNG湍流模型，對(duì)單一豎井在隧道不同縱向位置通風(fēng)換氣結(jié)果進(jìn)行三維數(shù)值模擬，得出豎井位于隧道縱向不同位置時(shí)隧道內(nèi)風(fēng)速及流場(chǎng)分布規(guī)律。計(jì)算出豎井在不同縱向位置時(shí)隧道整體完成一次通風(fēng)換氣所需時(shí)長(zhǎng)，通過(guò)擬合得出豎井位置與通風(fēng)換氣時(shí)長(zhǎng)呈指數(shù)關(guān)系，為長(zhǎng)大隧道設(shè)計(jì)、建設(shè)過(guò)程中豎井位置的選取和通風(fēng)方式的確立提供參考。

自然通風(fēng)；豎井；流場(chǎng)；數(shù)值模擬

0 前言

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)隧道豎井通風(fēng)的研究主要集中在機(jī)械通風(fēng)和隧道防排煙方面，對(duì)于隧道豎井自然通風(fēng)對(duì)隧道運(yùn)營(yíng)通風(fēng)的研究較少。薛運(yùn)祝[1]將硤石上行隧道的實(shí)測(cè)資料，加以整理，利用其排煙規(guī)律，分析豎井對(duì)隧道自然通風(fēng)的影響。朱杰等[2]利用小尺寸豎井模型進(jìn)行系列試驗(yàn)，分析不同豎井側(cè)向開(kāi)口位置對(duì)煙囪效應(yīng)的影響程度。李志偉等[3]采用數(shù)值計(jì)算方法，對(duì)高速列車通過(guò)有豎井的隧道時(shí)其瞬變壓力進(jìn)行模擬。馮煉等[4]基于越江隧道實(shí)際，采用一維模型對(duì)公路隧道氣流流動(dòng)與污染物濃度分布規(guī)律進(jìn)行模擬計(jì)算。楊偉超[5]等采用數(shù)值模擬方法，對(duì)有無(wú)豎井條件下列車高速通過(guò)隧道時(shí)車體壓力的變化過(guò)程進(jìn)行模擬，研究豎井對(duì)車體壓力的作用機(jī)理。王峰等[6]考慮通風(fēng)豎井對(duì)地鐵內(nèi)熱濕環(huán)境及壓力變化的影響，進(jìn)一步優(yōu)化地鐵內(nèi)豎井的位置。Zhu等[7]討論和分析了當(dāng)前在中國(guó)特長(zhǎng)隧道運(yùn)營(yíng)通風(fēng)的能耗狀況，提出超長(zhǎng)分段隧道自然風(fēng)能利用的方法。G Tamm等[8]對(duì)豎井壓力和浮力引起的熱氣體流動(dòng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。Ji等[9]通過(guò)一系列的燃燒試驗(yàn)，研究了豎井高度對(duì)城市道路隧道火災(zāi)自然通風(fēng)的影響。Li等[10]研究了熱壓對(duì)斜坡隧道通風(fēng)的影響，并基于溫度下降的指數(shù)模型，提出了傾斜地下隧道熱壓力預(yù)測(cè)方程。Fan等[11]通過(guò)大渦模擬（LES）研究了豎井上方環(huán)境風(fēng)對(duì)隧道自然通風(fēng)效果的影響，通過(guò)系統(tǒng)地改變豎井上方的環(huán)境風(fēng)速和隧道縱向風(fēng)速，對(duì)煙氣運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行了詳細(xì)研究。

本文依托于某在建高海拔單洞單線鐵路隧道工程實(shí)際，運(yùn)用數(shù)值模擬軟件Fluent，采用RNG-湍流模型，對(duì)不同豎井布置方式下隧道內(nèi)流場(chǎng)及通風(fēng)換氣時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行模擬分析，并總結(jié)出可供參考的一般性規(guī)律，為隧道運(yùn)營(yíng)通風(fēng)環(huán)境改善、節(jié)能及豎井選取提供參考建議。

1 基本計(jì)算理論

隧道內(nèi)自然風(fēng)的影響因素主要有三部分：（1）隧道洞口間的大氣壓梯度產(chǎn)生的超靜壓差；（2）隧道內(nèi)外溫差產(chǎn)生的熱壓；（3）洞外自然風(fēng)產(chǎn)生的動(dòng)壓。

1.1 無(wú)輔助坑道隧道等效壓差計(jì)算

（1）超靜壓差

圖1 隧道超靜壓差、熱位差示意圖

如圖1所示，超靜壓差可按照以下方程計(jì)算：

式中：1、2為兩洞口的壓力，0為洞內(nèi)的空氣密度，kg/m3。

（2）熱位差

隧道熱位差產(chǎn)生的原因是由于溫度變化而導(dǎo)致隧道洞內(nèi)外密度發(fā)生變化。熱位差計(jì)算公式為：

式中：1、0分別為洞外和洞內(nèi)的空氣密度，kg/m3。

（3）洞外自然風(fēng)動(dòng)壓

洞外氣流的動(dòng)壓是在兩洞口超靜壓差作用下進(jìn)入隧道的氣流所帶入的動(dòng)能，其計(jì)算方法為：

式中：a為洞外自然風(fēng)速，m/s。

公式（1）（2）（3）的和可理解為形成洞內(nèi)自然風(fēng)的動(dòng)力，稱為等效壓差n，又等效壓差與自然風(fēng)在隧道內(nèi)流動(dòng)過(guò)程中的阻力(壓頭損失)相等，即：

式中：為隧道沿程阻力系數(shù)；為隧道的長(zhǎng)度，m；為隧道局部阻力系數(shù)；n為隧道內(nèi)的自然風(fēng)速，m/s。

于是公式（5）可寫成：

上式說(shuō)明隧道內(nèi)自然風(fēng)的等效壓差n與隧道內(nèi)自然風(fēng)速n相關(guān)。

1.2 帶輔助坑道隧道等效壓差計(jì)算

對(duì)于分段式縱向通風(fēng)的隧道，其輔助坑道有豎井、斜井等。其等效壓差的計(jì)算與無(wú)輔助坑道時(shí)的原理相同，等效壓差仍然由兩洞口的超靜壓差、洞內(nèi)外溫差產(chǎn)生的熱壓和洞外氣流的動(dòng)壓組成。以單一豎井為例，可按照兩個(gè)循環(huán)回路計(jì)算。

（1）超靜壓差

如圖2所示，以豎井口4為基準(zhǔn)點(diǎn)，△4=0、1、2、3處基于4的超靜壓差分別為△1、△2、△3。當(dāng)風(fēng)流達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，3處全壓力為△′3，當(dāng)風(fēng)流口流入節(jié)點(diǎn)3時(shí)為正，流出為負(fù)。根據(jù)風(fēng)流流動(dòng)的阻力定律有：

式中：=(1,2,4)；為第個(gè)風(fēng)道的風(fēng)阻，R=λρ/8×LC/A3。其中，λ為沿程阻力系數(shù)，L為風(fēng)道長(zhǎng)度，C風(fēng)道斷面周長(zhǎng)，A為風(fēng)道斷面面積，R為風(fēng)道的入口局部風(fēng)阻。

對(duì)于節(jié)點(diǎn)3有：

式（6）和式（7）組成的方程組為非線性方程組，求解方程組。△P′3=min(△P1，△P2，△P3)，分別對(duì)Qi計(jì)算，當(dāng)∑Qi＜ε時(shí)（ε為求解的控制精度），Qi即為方程的解，即可求出vi。

（2）熱位差的計(jì)算

如圖3所示，單豎井通風(fēng)時(shí)的隧道熱位差可按兩個(gè)循環(huán)回路計(jì)算。

式中：△Pr1，△Pr2分別為1與4處、2與4處之間的熱位差，ρr1=(ρ1+ρ4)/2，ρr2=(ρ2+ρ4)/2，ρ1、ρ2、ρ4分別為隧道入口、出口和豎井口的空氣密度，kg/m3。

有豎井時(shí)洞外自然風(fēng)壓的計(jì)算與無(wú)輔助坑道自然通風(fēng)的計(jì)算方法類似。

空氣容重根據(jù)下式計(jì)算：

式中：為空氣密度，kg/m3；為大氣壓，mmHg；為溫度，℃；為溫度時(shí)的飽和水汽壓，mmHg；為空氣的相對(duì)濕度。

2 模型建立

2.1 物理模型

依托某在建高海拔單洞單線特長(zhǎng)鐵路隧道工程實(shí)際，利用CFD軟件建立三維隧道模型?？紤]到豎井對(duì)隧道影響的區(qū)域有限，簡(jiǎn)化模型，取隧道模擬長(zhǎng)度為3000m，隧道兩洞口無(wú)高差，建立七種隧道三維模型。模型1：隧道長(zhǎng)為3000m的無(wú)豎井隧道。模型2~6：為3000m的帶豎井隧道，豎井位置分別位于距隧道計(jì)算入口1=500m、1000m、1500m、2000m、2500m橫通道上方。模型7：隧道長(zhǎng)為3000m的帶豎井隧道，豎井位置位于距隧道計(jì)算入口1500m隧道正上方。豎井直徑為3m，高200m。隧道模型示意圖如圖4所示。

圖4 計(jì)算模型示意圖

2.2 邊界條件設(shè)置

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，取隧道氣壓平均值為70kPa，隧道外氣溫為20℃，隧道內(nèi)氣溫為15℃，平均相對(duì)濕度為25%，洞外自然風(fēng)速取a=2.6m/s。由式（9）可計(jì)算出隧道內(nèi)空氣密度0=0.845kg/m3、隧道外的空氣密度1=0.83kg/m3。

（1）入口邊界：隧道入口采用壓力入口邊界。

（2）出口邊界：隧道出口采用壓力出口邊界。

模型1由式（2）、（3）可計(jì)算出兩洞口的熱位差和洞外自然風(fēng)動(dòng)壓。模型2～7隧道由式（3）、（8）可分別算出隧道兩循環(huán)回路的熱位差及隧道外自然風(fēng)產(chǎn)生的動(dòng)壓。參考文獻(xiàn)[12]取山前正壓為+0.92/2，山后負(fù)壓為-0.32/2，山頂負(fù)壓為-0.62/2計(jì)算兩洞口超靜壓差。

（3）壁面邊界：隧道壁面設(shè)為無(wú)滑移、絕熱邊界條件，粗糙度根據(jù)規(guī)范設(shè)為0.008m。

計(jì)算得出，無(wú)豎井隧道等效壓差n=6.2Pa；單豎井隧道，回路1隧道等效壓差n=37.53Pa，回路2隧道等效壓差n=34.16Pa

3 數(shù)值算法及模擬驗(yàn)證

3.1 數(shù)值計(jì)算方法

隧道流場(chǎng)計(jì)算采用定常隱式解法，選取RNG湍流模型，流場(chǎng)迭代采用SIMPLE算法，離散格式采用二階迎風(fēng)格式，考慮浮力的作用。利用Gambit軟件對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，根據(jù)模型特點(diǎn)，選擇分區(qū)劃分方式，采用六面體和四面體網(wǎng)格對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。模型1的網(wǎng)格總數(shù)為423 000；模型2～7將豎井前后20m區(qū)域網(wǎng)格做加密處理，各模型網(wǎng)格數(shù)約為45萬(wàn)，并進(jìn)行了網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢測(cè)，確保模擬結(jié)果與網(wǎng)格數(shù)量無(wú)關(guān)。

3.2 模擬結(jié)果驗(yàn)證

圖5 隧道出口斷面監(jiān)測(cè)速度

對(duì)無(wú)豎井隧道進(jìn)行三維數(shù)值模擬，模擬計(jì)算洞內(nèi)、外溫差為5℃時(shí)隧道內(nèi)流場(chǎng)的分布情況。將隧道出口斷面設(shè)置為監(jiān)測(cè)面，監(jiān)測(cè)隧道出口斷面平均速度，結(jié)果如圖5所示。

由圖5可以看出，速度穩(wěn)定時(shí)，隧道內(nèi)的自然風(fēng)速為n=1.225m/s。隧道的主要參數(shù)如表1所示。

表1 隧道主要參數(shù)

由公式（4）得出隧道內(nèi)的自然風(fēng)速計(jì)算公式為：

結(jié)合表1的數(shù)據(jù)，由公式（10）計(jì)算出隧道內(nèi)的自然風(fēng)速為n=1.14m/s。

表2 計(jì)算結(jié)果與模擬結(jié)果比較

由表2可以看出，隧道內(nèi)外溫差為5℃時(shí)，計(jì)算結(jié)果和模擬結(jié)果誤差可以控制在7%以內(nèi)，結(jié)果吻合較好。此結(jié)論驗(yàn)證了模擬計(jì)算的正確、可行性。

4 模擬結(jié)果分析

4.1 隧道斷面速度分布云圖

截取隧道洞內(nèi)外溫差為5℃時(shí)，無(wú)豎井隧道出口斷面速度云圖和分布曲線，如圖6、7所示。

圖6 隧道斷面速度分布云圖

圖7 隧道斷面速度分布曲線

由圖6、7可以看出，隧道斷面上速度分布范圍較廣，呈同心圓狀分布，且速度過(guò)渡區(qū)域范圍較小。在靠近隧道壁面區(qū)域，速度變化梯度較大，隧道斷面中間速度維持在1.1～1.5m/s之間。建議在計(jì)算通風(fēng)換氣時(shí)長(zhǎng)時(shí)，選用隧道斷面速度平均值。

4.2 豎井位置橫向變動(dòng)

以豎井位置=1500m為例，對(duì)單豎井分別布置于隧道正上方和橫通道正上方兩種工況進(jìn)行比較分析，隧道縱向速度與壓力分布如圖8、9所示。

圖8 隧道中線速度分布

由圖8可以看出，豎井位于隧道正上方時(shí)，隧道縱向速度要略小于豎井位于橫通道上方時(shí)的情形。隧道縱向速度在豎井位置（=1500m）出現(xiàn)斷崖式下降，豎井上下游速度落差最大可達(dá)1.3m/s，平穩(wěn)段速度落差也大于1m/s。

由圖9可以看出，隧道縱向壓力在豎井前后段都呈線性下降，且豎井布置于橫通道上方時(shí)隧道縱向壓力衰減速率要略大于豎井布置于隧道正上方時(shí)的衰減速率。隧道縱向壓力在豎井位置（=1500m）出現(xiàn)驟降，且豎井布置于橫通道上方時(shí)壓力下降幅值略大。

圖9 隧道中線壓力分布

由上可知，豎井橫向小距離移動(dòng)對(duì)隧道縱向自然通風(fēng)影響較小，隧道內(nèi)部局部阻力系數(shù)的變化對(duì)長(zhǎng)大隧道整體通風(fēng)效果的影響有限。

4.3 豎井位置縱向變動(dòng)

對(duì)豎井位于隧道縱向不同位置時(shí)，隧道中線縱向速度、壓力分布進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，如圖10、11所示。

圖10 隧道中線縱向速度分布

由圖10可以看出，隨著豎井縱向位置不斷后移，豎井位置上下游段隧道縱向速度呈規(guī)律性減?。é?＞Δ2＞Δ3＞Δ4，Δ′ 1＞Δ′ 2＞Δ′ 3＞Δ′ 4），即豎井位置越靠近入口端，隧道內(nèi)速度值越大。

由圖11可以看出，豎井上游段壓力隨豎井位置的后移呈線性下降，在豎井底位置壓力出現(xiàn)較大的突變，而后豎井壓力又隨豎井位置后移呈線性下降。且豎井上游段隧道縱向壓力衰減速率遠(yuǎn)大于隧道下游段壓力衰減速率，豎井里程較短隧道的縱向壓力衰減速率大于豎井里程較長(zhǎng)隧道的縱向壓力衰減速率，并呈規(guī)律性變化。

圖11 隧道中線縱向壓力分布

在豎井布置于橫通道上方，豎井位置沿隧道縱向不同位置布置工況下，將隧道及豎井各出、入口斷面的速度平均值作擬合分析，結(jié)果如圖12所示。

圖12 不同斷面平均速度與豎井位置的關(guān)系

由圖12中（a）（b）可以看出，隧道入口和出口端速度與豎井縱向位置呈指數(shù)函數(shù)衰減，擬合通式為=(2++)，擬合優(yōu)度大于0.99。由圖（c）可以看出，隧道豎井在隧道中部上游移動(dòng)時(shí)，豎井出口速度波動(dòng)較大，但豎井出口最大速度波動(dòng)不大于0.07m/s，最大波動(dòng)率不大于1.6%。隧道豎井在隧道中部下游移動(dòng)時(shí)，豎井出口速度在波動(dòng)較小，且豎井出口最大速度波動(dòng)不大于0.02m/s。隧道豎井出口速度受豎井縱向布置位置影響較小。

4.4 隧道通風(fēng)換氣時(shí)長(zhǎng)

對(duì)于單豎井隧道自然通風(fēng)，對(duì)只有一個(gè)通風(fēng)入口情況，隧道通風(fēng)換氣時(shí)間可根據(jù)下式進(jìn)行估算：

對(duì)于隧道兩端均為入口，只有豎井一個(gè)通風(fēng)出口的情況，隧道通風(fēng)換氣時(shí)間可根據(jù)下式進(jìn)行估算：

通過(guò)模擬計(jì)算得出隧道在豎井前、后兩段區(qū)域內(nèi)的斷面速度平均值，通過(guò)公式（11）計(jì)算得出各段隧道內(nèi)空氣通風(fēng)換氣一次所需要的時(shí)間，結(jié)果如表3所示。

表3 豎井不同位置時(shí)隧道通風(fēng)換氣時(shí)間

將表3中豎井位置與隧道通風(fēng)換氣時(shí)間的關(guān)系進(jìn)行擬合分析，得出一般性規(guī)律，如圖13所示。

由圖13可以看出，豎井位置和隧道通風(fēng)換氣時(shí)間呈指數(shù)函數(shù)遞增，擬合通式=(++2)，擬合優(yōu)度--2大于0.99。豎井布置位置越靠近來(lái)流入口端，對(duì)隧道通風(fēng)時(shí)長(zhǎng)的影響越大，隨著豎井位置的不斷后移，其對(duì)通風(fēng)時(shí)長(zhǎng)的影響逐漸減弱，但所需通風(fēng)時(shí)長(zhǎng)總體呈指數(shù)增大。

圖13 隧道通風(fēng)換氣時(shí)長(zhǎng)與豎井位置的關(guān)系

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)單豎井不同縱向位置下隧道內(nèi)的通風(fēng)流場(chǎng)進(jìn)行模擬，得到隧道、豎井通風(fēng)換氣變化的一般規(guī)律。主要結(jié)論如下：

（1）對(duì)自然通風(fēng)工況下隧道內(nèi)風(fēng)速的確定進(jìn)行理論分析，運(yùn)用Fluent軟件建立數(shù)值模型，其理論計(jì)算結(jié)果與模擬結(jié)果非常接近，驗(yàn)證了模擬方法的可靠性。

（2）豎井橫向小距離移動(dòng)對(duì)隧道縱向自然通風(fēng)影響較小，隧道內(nèi)部局部阻力系數(shù)的變化對(duì)長(zhǎng)大隧道整體通風(fēng)效果的影響有限。隧道豎井出口速度受豎井縱向位置影響較小，豎井出口速度的波動(dòng)極小。

（3）隧道入口和出口端速度與豎井縱向位置呈指數(shù)函數(shù)衰減。隨著豎井位置的不斷后移，隧道整體通風(fēng)換氣時(shí)間呈指數(shù)函數(shù)增長(zhǎng)。

（4）長(zhǎng)大隧道只采用單豎井自然通風(fēng)時(shí)，并不能提升隧道整體自然通風(fēng)的效果，建議采用豎井通風(fēng)時(shí)要設(shè)置其他輔助通風(fēng)通道或機(jī)械通風(fēng)手段。

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Influence of Longitudinal Position of Shaft on Natural Ventilation of Tunnel

Wang Wen1Sun Sanxiang2Chen Junqiang3

( 1.Shaanxi Railway Institute, Weinan, 714000; 2.School of Environmental and Municipal Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou, 730070; 3.Xinjiang Branch of the First Railway Survey and Design Institute, Urumqi, 830011 )

The role of natural ventilation in tunnel shafts in the operation and ventilation of long tunnels cannot be ignored, so the choice of shaft location is also important. Based on the FLUENT software, the RNG-turbulence model is used to simulate the ventilation results of a single shaft at different longitudinal positions of the tunnel. The wind speed and flow field distribution of the tunnel are obtained when the shaft is located at different positions in the longitudinal direction of the tunnel.Calculate the length of time required for the tunnel to complete a ventilation at the different longitudinal positions of the shaft. The relationship between the position of the shaft and the ventilation time is e-exponential by fitting, which provides a reference for the selection of the location of the shaft and the establishment of ventilation mode in the design and construction of long tunnel.

Natural Ventilation;Shaft;flow field;Numerical Simulation

A

1671-6612（2020）01-070-07

王 文（1990-），男，碩士研究生，助教，E-mail：1205901714@qq.com

孫三祥（1965-），男，教授，E-mail：sunsanxiang@mail.lzjtu.cn

2019-04-02