宋 雕，李 喆，馮志勇，蘭 海

（1. 四川川交路橋有限責(zé)任公司，四川 廣漢 618000；2. 長(zhǎng)安大學(xué)道路施工技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710064）

隨著我國(guó)交通運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展，修建的山區(qū)公路中隧道占比越來(lái)越大。在隧道瀝青路面鋪裝施工過(guò)程中，高溫瀝青混合料會(huì)釋放大量的有毒氣體，嚴(yán)重影響作業(yè)人員的身體健康和施工進(jìn)度。隧道中若存在一定濃度的瓦斯氣體，還會(huì)給施工帶來(lái)安全隱患［1］。在隧道運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，也存在著車輛排放的有害氣體，對(duì)長(zhǎng)時(shí)間停留在隧道內(nèi)人員的身體健康產(chǎn)生威脅［2］。因此，無(wú)論在隧道施工還是隧道運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，通風(fēng)都是關(guān)鍵問(wèn)題［3］。隧道通風(fēng)通常采用2臺(tái)軸流風(fēng)機(jī)并聯(lián)運(yùn)行，但由于其葉片自身結(jié)構(gòu)、管網(wǎng)阻力特性的變化等因素，導(dǎo)致其在隧道中工作時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)失速甚至是喘振現(xiàn)象，對(duì)風(fēng)機(jī)造成破壞，影響其運(yùn)行安全［4-6］。

許多學(xué)者對(duì)軸流風(fēng)機(jī)運(yùn)行安全性進(jìn)行了研究。周靜等人分析了軸流風(fēng)機(jī)的喘振機(jī)理并提出了一些預(yù)防措施［7］；李春宏通過(guò)實(shí)際案例分析了軸流風(fēng)機(jī)出現(xiàn)喘振的原因［8］；王明奎、李文英對(duì)發(fā)生失速與喘振的軸流風(fēng)機(jī)進(jìn)行了數(shù)值模擬，并分析了風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)特性［9］。現(xiàn)有資料多是針對(duì)單臺(tái)軸流風(fēng)機(jī)發(fā)生失速及喘振的情況進(jìn)行研究，而關(guān)于軸流風(fēng)機(jī)并聯(lián)運(yùn)行安全性的研究相對(duì)匱乏。2臺(tái)風(fēng)機(jī)并聯(lián)時(shí)，彼此之間的相互作用會(huì)誘導(dǎo)失速及喘振現(xiàn)象出現(xiàn)。為研究風(fēng)機(jī)并聯(lián)失速及喘振問(wèn)題，本文通過(guò)CFD（計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)）對(duì)軸流風(fēng)機(jī)并聯(lián)運(yùn)行進(jìn)行仿真模擬，以確定設(shè)置風(fēng)機(jī)工作參數(shù)的合理范圍以及風(fēng)機(jī)最佳安裝位置，為實(shí)際工程提供參考。

1 軸流風(fēng)機(jī)并聯(lián)工作分析

1.1 軸流風(fēng)機(jī)運(yùn)行原理

單臺(tái)軸流風(fēng)機(jī)以一定轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，其風(fēng)機(jī)性能曲線是由無(wú)數(shù)組流量和對(duì)應(yīng)的壓力值組成。風(fēng)機(jī)在性能曲線上哪一點(diǎn)工作，取決于所連接的管路特性，即整個(gè)隧道的阻力特性。

圖1 軸流風(fēng)機(jī)運(yùn)行原理圖

如圖1所示為軸流風(fēng)機(jī)運(yùn)行原理圖，其中P為風(fēng)機(jī)全壓，Q為風(fēng)機(jī)流量，ab為風(fēng)機(jī)特性曲線，曲線1、2、3為管網(wǎng)特性曲線，風(fēng)機(jī)特性曲線與管網(wǎng)特性曲線的交點(diǎn)為風(fēng)機(jī)此時(shí)的運(yùn)行工況點(diǎn)。當(dāng)管網(wǎng)特性改變時(shí)，風(fēng)機(jī)的運(yùn)行工況點(diǎn)也隨之改變，達(dá)到自動(dòng)平衡。當(dāng)增大管網(wǎng)阻力時(shí)，風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)由1移動(dòng)至2，此時(shí)壓力增加，流量減小。當(dāng)減小管網(wǎng)阻力時(shí)，風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)由1移動(dòng)至3，此時(shí)壓力減小，流量增加?？梢钥闯?，軸流風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況取決于管網(wǎng)特性。

1.2 軸流風(fēng)機(jī)并聯(lián)運(yùn)行原理

圖2為型號(hào)相同、運(yùn)行轉(zhuǎn)速相同的2臺(tái)軸流風(fēng)機(jī)并聯(lián)運(yùn)行的工作原理圖。其中P為風(fēng)機(jī)全壓，Q為風(fēng)機(jī)流量，Ⅰ為單臺(tái)軸流風(fēng)機(jī)工作時(shí)的特性曲線，Ⅱ?yàn)椴捎?臺(tái)風(fēng)機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的特性曲線，Ⅲ為管網(wǎng)特性曲線。其性能曲線滿足如下條件：在同一壓力條件下，并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的流量為單臺(tái)風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的2倍?？梢钥闯觯谕还芫W(wǎng)阻力特性下，采用2臺(tái)風(fēng)機(jī)并聯(lián)時(shí)流量大幅度提高，但總風(fēng)量小于2臺(tái)風(fēng)機(jī)風(fēng)量之和。

圖2 軸流風(fēng)機(jī)并聯(lián)運(yùn)行原理圖

在長(zhǎng)大隧道瀝青路面鋪裝過(guò)程中，由于隧道橫斷面積大，通風(fēng)所需風(fēng)量大，單臺(tái)風(fēng)機(jī)風(fēng)量難以滿足需求，此時(shí)可增加1臺(tái)或多臺(tái)風(fēng)機(jī)并聯(lián)運(yùn)行，以提高總風(fēng)量，滿足隧道施工通風(fēng)需求［10］。

2 軸流風(fēng)機(jī)失速及喘振現(xiàn)象分析

由于軸流風(fēng)機(jī)葉片的特殊結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致軸流風(fēng)機(jī)特性曲線具有駝峰，其峰值點(diǎn)B右側(cè)為穩(wěn)定工作區(qū)，峰值點(diǎn)左側(cè)為不穩(wěn)定工作區(qū)［11-12］，如圖3所示。

圖3 典型軸流風(fēng)機(jī)性能曲線

圖3為典型軸流風(fēng)機(jī)性能曲線，其中P為風(fēng)機(jī)全壓，Q為風(fēng)機(jī)流量。風(fēng)機(jī)最初運(yùn)行在AB段的穩(wěn)定工作區(qū)，當(dāng)系統(tǒng)阻力增加時(shí)，風(fēng)機(jī)流量相應(yīng)減小。若流量減小至低于點(diǎn)B對(duì)應(yīng)流量時(shí)，風(fēng)機(jī)葉片氣流不穩(wěn)定，風(fēng)機(jī)進(jìn)入失速狀態(tài)。軸流風(fēng)機(jī)在點(diǎn)C回到“半穩(wěn)定”的第二條特性曲線上，此時(shí)流量可以進(jìn)一步減小，同時(shí)阻力又開始增加。若系統(tǒng)阻力降低使風(fēng)機(jī)的工作點(diǎn)從點(diǎn)D移動(dòng)回到點(diǎn)E，隨著進(jìn)一步降低系統(tǒng)阻力，工作點(diǎn)將會(huì)從該點(diǎn)跳回到穩(wěn)定工作點(diǎn)F。由B、C、E、F組成的區(qū)域是風(fēng)機(jī)運(yùn)行極其不穩(wěn)定的區(qū)域，氣體具有不確定的流動(dòng)性。在不穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)，當(dāng)軸流風(fēng)機(jī)發(fā)生失速時(shí)，風(fēng)機(jī)壓力突然降低。由于管網(wǎng)系統(tǒng)容量較大，使得管網(wǎng)中壓力大于風(fēng)機(jī)出口壓力，風(fēng)機(jī)無(wú)法向系統(tǒng)排出風(fēng)量，反而系統(tǒng)中的風(fēng)量要向風(fēng)機(jī)內(nèi)部倒流。隨后風(fēng)機(jī)自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)又向管網(wǎng)輸送氣體，管網(wǎng)壓力回升。如此不斷循環(huán)，就會(huì)形成喘振［13］。

根據(jù)上述分析，風(fēng)機(jī)能否平穩(wěn)運(yùn)行取決于管路系統(tǒng)阻力的變化。若風(fēng)機(jī)出口所受的外界壓力大于風(fēng)機(jī)輸出的出口壓力，風(fēng)機(jī)會(huì)發(fā)生失速現(xiàn)象，并進(jìn)一步形成喘振［14］。

當(dāng)2臺(tái)軸流風(fēng)機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)及回流區(qū)的變化相較于單臺(tái)軸流風(fēng)機(jī)運(yùn)行要復(fù)雜得多。尤其當(dāng)2臺(tái)風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)不同、輸出流量與風(fēng)壓有較大差異時(shí)，對(duì)并聯(lián)工況下實(shí)際流動(dòng)情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)十分困難。

3 軸流風(fēng)機(jī)并聯(lián)運(yùn)行仿真分析

2臺(tái)軸流風(fēng)機(jī)并聯(lián)工作時(shí)，對(duì)于其中一臺(tái)風(fēng)機(jī)而言，另一臺(tái)風(fēng)機(jī)的輸出流量與風(fēng)壓相當(dāng)于是管路系統(tǒng)的一部分，2臺(tái)風(fēng)機(jī)之間相互影響。為研究風(fēng)機(jī)之間的相互作用對(duì)其發(fā)生失速及喘振現(xiàn)象的影響，采用FLUENT軟件對(duì)2臺(tái)風(fēng)機(jī)并聯(lián)工況下的系統(tǒng)流場(chǎng)進(jìn)行仿真分析。

3.1 數(shù)值模型

隧道輪廓參數(shù)參考米倉(cāng)山隧道，隧道模型高8.6m，寬15m，長(zhǎng)60m。風(fēng)機(jī)尺寸參考SDS-12.5射流風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)截面直徑1460mm。由于本仿真僅觀察風(fēng)機(jī)出口外界壓力數(shù)值，為簡(jiǎn)化仿真模型，使用2個(gè)圓形截面表示風(fēng)機(jī)，2臺(tái)風(fēng)機(jī)對(duì)稱安裝在隧道入口截面高5m處，風(fēng)機(jī)相距5.6m，采用三維建模軟件Unigraphics NX對(duì)隧道及風(fēng)機(jī)以10：1比例建模。將模型導(dǎo)入ANSYS mesh中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖4所示。

圖4 隧道網(wǎng)格劃分模型

通過(guò)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)FLUENT軟件采用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε雙方程模型，并對(duì)模型進(jìn)行求解［15-16］。邊界條件設(shè)置如下：

（1）隧道壁面設(shè)置為墻面wall，參數(shù)保持為默認(rèn)數(shù)值。

（2）隧道進(jìn)口與出口均為速度進(jìn)口邊界，本仿真不考慮隧道內(nèi)外壓差及自然風(fēng)影響，設(shè)置為Velocity-inlet，速度取0m/s。

（3）2臺(tái)風(fēng)機(jī)截面為壓力出口邊界，設(shè)置為Pressure-outlet，壓力數(shù)值根據(jù)試驗(yàn)條件設(shè)定。

3.2 并聯(lián)風(fēng)壓比

將左側(cè)風(fēng)機(jī)設(shè)置為高壓風(fēng)機(jī)，出口壓力PH依次為0Pa、120Pa、140Pa、160Pa、180Pa、200Pa、240Pa、280Pa、320Pa、360Pa，將右側(cè)風(fēng)機(jī)設(shè)置為低壓風(fēng)機(jī)，出口壓力PL始終為0Pa。對(duì)求解結(jié)果中右側(cè)風(fēng)機(jī)外界壓力監(jiān)測(cè)值P進(jìn)行記錄，記錄結(jié)果如表1所示。

表1 第1組右側(cè)風(fēng)機(jī)外界壓力監(jiān)測(cè)值/Pa

表1中監(jiān)測(cè)值即為右側(cè)風(fēng)機(jī)在左側(cè)風(fēng)機(jī)風(fēng)壓下不發(fā)生失速的臨界風(fēng)壓值。保持左側(cè)風(fēng)機(jī)壓力數(shù)值同上，將右側(cè)風(fēng)機(jī)出口壓力數(shù)值依次設(shè)置為相對(duì)應(yīng)的臨界風(fēng)壓值，其他參數(shù)不做變化，再對(duì)求解結(jié)果中右側(cè)風(fēng)機(jī)外界壓力進(jìn)行記錄，如表2所示。

表2 第2組右側(cè)風(fēng)機(jī)外界壓力監(jiān)測(cè)值/Pa

再次進(jìn)行上述操作，將右側(cè)風(fēng)機(jī)外界壓力進(jìn)行記錄，如表3所示。

表3 第3組右側(cè)風(fēng)機(jī)外界壓力監(jiān)測(cè)值/Pa

根據(jù)表1-3中數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)?shù)蛪猴L(fēng)機(jī)同高壓風(fēng)機(jī)并聯(lián)工作時(shí)，低壓風(fēng)機(jī)外界壓力始終大于低壓風(fēng)機(jī)出口壓力，因此低壓風(fēng)機(jī)一直存在發(fā)生失速的可能性。以左側(cè)風(fēng)機(jī)出口壓力為橫坐標(biāo)，右側(cè)風(fēng)機(jī)外界壓力監(jiān)測(cè)值為縱坐標(biāo)，將上述3組數(shù)據(jù)繪制在同一坐標(biāo)系中，如圖5所示。

圖5 右側(cè)風(fēng)機(jī)外部壓力監(jiān)測(cè)值與左側(cè)風(fēng)機(jī)出口壓力關(guān)系

從圖中可以看出，對(duì)于同一隧道的固定位置，一側(cè)風(fēng)機(jī)出口壓力與其對(duì)另一側(cè)風(fēng)機(jī)外界壓力影響呈線性關(guān)系。對(duì)3組數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果分別為P=0.605PH，P=0.842PH，P=0.947PH，其中P/PH=0.605為仿真位置風(fēng)機(jī)并聯(lián)工作發(fā)生失速的臨界風(fēng)壓比。定義風(fēng)壓比φ為低壓風(fēng)機(jī)出口壓力PL與高壓風(fēng)機(jī)出口壓力PH的比值，如式（1）所示。

因此風(fēng)壓比φ取值范圍為φ∈［0，1］。當(dāng)?shù)蛪猴L(fēng)機(jī)出口壓力PL為0時(shí)，風(fēng)壓比φ為0；當(dāng)?shù)蛪猴L(fēng)機(jī)出口壓力PL與高壓風(fēng)機(jī)出口壓力PH相等時(shí)，風(fēng)壓比φ為1。

3.3 失速可能性大小評(píng)估

以下就不同風(fēng)壓比時(shí)風(fēng)機(jī)發(fā)生失速可能性大小進(jìn)行對(duì)比分析，采用失速因子δ對(duì)失速可能性大小進(jìn)行評(píng)估。失速因子δ表示在某一風(fēng)壓比下，風(fēng)機(jī)外界壓力超出風(fēng)機(jī)出口壓力的壓力值對(duì)風(fēng)機(jī)失速情況產(chǎn)生的影響。δ越大表明當(dāng)前風(fēng)壓比下風(fēng)機(jī)越容易發(fā)生失速，反之則表明當(dāng)前風(fēng)壓比下風(fēng)機(jī)越不易發(fā)生失速。其計(jì)算方法如式（2）所示。

選擇不同風(fēng)壓比進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄并計(jì)算失速因子，計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 不同風(fēng)壓比下的失速因子

由表4可知，2臺(tái)風(fēng)機(jī)并聯(lián)風(fēng)壓比φ越大，即2臺(tái)風(fēng)機(jī)壓差越小，失速因子δ越小，風(fēng)機(jī)越不易發(fā)生失速，難以形成喘振現(xiàn)象，風(fēng)機(jī)工作平穩(wěn)；當(dāng)風(fēng)壓比φ為1，即2臺(tái)風(fēng)機(jī)輸出壓力相同時(shí)，失速因子為0，表示從理論上講，此時(shí)風(fēng)機(jī)不會(huì)因外界壓力而發(fā)生失速和喘振現(xiàn)象。因此在實(shí)際工程應(yīng)用中，當(dāng)2臺(tái)風(fēng)機(jī)并聯(lián)工作時(shí)，為保證風(fēng)機(jī)能夠平穩(wěn)工作，應(yīng)將2臺(tái)風(fēng)機(jī)風(fēng)壓比盡可能設(shè)置大一些，最小不低于該位置的臨界風(fēng)壓比。

4 并聯(lián)安裝位置對(duì)軸流風(fēng)機(jī)喘振影響

隧道內(nèi)風(fēng)機(jī)并聯(lián)工作時(shí)，彼此之間的相互作用與二者的布置位置具有某種關(guān)系，同時(shí)風(fēng)機(jī)與隧道作為一個(gè)系統(tǒng)而言，隧道內(nèi)壁對(duì)風(fēng)機(jī)出流也會(huì)產(chǎn)生一定的影響［17］。為得到2臺(tái)風(fēng)機(jī)并聯(lián)的最佳安裝位置，以下對(duì)2臺(tái)風(fēng)機(jī)間距以及風(fēng)機(jī)安裝高度分別進(jìn)行仿真分析。

4.1 2臺(tái)風(fēng)機(jī)間距對(duì)臨界風(fēng)壓比的影響

將2臺(tái)風(fēng)機(jī)對(duì)稱布置在距離隧道路面高4.5m處，將風(fēng)機(jī)間距依次設(shè)置為3.0m、4.0m、4.5m、5.0m、5.5m、6.0m、7.0m、9.0m，使用與前述相同的參數(shù)設(shè)置方式與數(shù)據(jù)采集位置，將不同風(fēng)機(jī)間距的臨界風(fēng)壓比記錄在表5中，并根據(jù)數(shù)據(jù)繪制曲線，如圖6所示。

表5 不同風(fēng)機(jī)間距下的臨界風(fēng)壓比

圖6 臨界風(fēng)壓比與風(fēng)機(jī)間距關(guān)系

由圖6可以看出，2臺(tái)風(fēng)機(jī)臨界風(fēng)壓比與風(fēng)機(jī)間距關(guān)系曲線有極小值點(diǎn)，存在最佳風(fēng)機(jī)間距。臨界風(fēng)壓比在2臺(tái)風(fēng)機(jī)間距5.0m時(shí)達(dá)到最低值0.618；當(dāng)2臺(tái)風(fēng)機(jī)間距由5.0m逐漸減小時(shí)，臨界風(fēng)壓比逐漸增大。這是由于2臺(tái)風(fēng)機(jī)間距越來(lái)越小，風(fēng)機(jī)相互間的作用越來(lái)越明顯，高壓風(fēng)機(jī)對(duì)低壓風(fēng)機(jī)的干涉作用變強(qiáng)，如圖7所示。當(dāng)2臺(tái)風(fēng)機(jī)間距由5.0m逐漸增大時(shí)，臨界風(fēng)壓比也增加。這是由于風(fēng)機(jī)間距增加，隧道邊緣墻壁對(duì)風(fēng)機(jī)出流的影響越發(fā)顯著，如圖8所示。

圖7 風(fēng)機(jī)間距3m壓力云圖

圖8 風(fēng)機(jī)間距9m壓力云圖

4.2 風(fēng)機(jī)安裝高度對(duì)臨界風(fēng)壓比的影響

將2臺(tái)風(fēng)機(jī)對(duì)稱布置在隧道中，風(fēng)機(jī)間距為6.0m，安裝高度依次設(shè)置為3.5m、4.0m、4.5m、5.0m、5.5m，使用相同的參數(shù)設(shè)置方式與數(shù)據(jù)采集位置，將不同風(fēng)機(jī)安裝高度的臨界風(fēng)壓比記錄在表6中。

表6 不同安裝高度下的臨界風(fēng)壓比

由表6可知，當(dāng)風(fēng)機(jī)安裝在5.0m處時(shí)，臨界風(fēng)壓比達(dá)到最低值0.621；當(dāng)安裝高度由5m增加或減小時(shí)，臨界風(fēng)壓比均呈上升趨勢(shì)。這是由于過(guò)高的高度會(huì)使風(fēng)機(jī)與隧道頂部墻體距離減小，過(guò)低的安裝高度會(huì)使風(fēng)機(jī)與隧道路面的距離減小。隧道頂部墻體與隧道路面均會(huì)對(duì)風(fēng)機(jī)出流的外部流場(chǎng)產(chǎn)生較大影響，從而導(dǎo)致臨界風(fēng)壓比上升。

5 結(jié)論

在隧道通風(fēng)過(guò)程中，軸流風(fēng)機(jī)并聯(lián)時(shí)流場(chǎng)相對(duì)復(fù)雜，發(fā)生失速甚至喘振現(xiàn)象的可能性較高。本文通過(guò)FLUENT對(duì)風(fēng)機(jī)并聯(lián)工作進(jìn)行仿真分析，得到以下結(jié)論：

（1）2臺(tái)風(fēng)機(jī)并聯(lián)工作時(shí)，對(duì)于同一安裝位置來(lái)說(shuō)，一側(cè)風(fēng)機(jī)出口壓力與其對(duì)另一側(cè)風(fēng)機(jī)外界壓力的影響呈線性關(guān)系。風(fēng)壓比越大，失速因子越小。風(fēng)機(jī)工作發(fā)生失速的可能性越小，工作越穩(wěn)定。當(dāng)風(fēng)壓比為1，即2臺(tái)風(fēng)機(jī)風(fēng)壓相同時(shí)，風(fēng)機(jī)不會(huì)因外界壓力而出現(xiàn)失速現(xiàn)象。

（2）2臺(tái)風(fēng)機(jī)并聯(lián)工作時(shí)，風(fēng)機(jī)安裝位置對(duì)臨界風(fēng)壓比有較大影響，存在最佳安裝位置，在該位置上風(fēng)機(jī)臨界風(fēng)壓比最小。仿真結(jié)果表明，對(duì)于本文所述隧道模型而言，2臺(tái)風(fēng)機(jī)間距5m，且風(fēng)機(jī)安裝高度為5m處是最佳安裝位置。