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        城市地下綜合管廊通風(fēng)縮尺模型的相似性研究

        2020-07-06 09:43:30徐元寶
        四川水泥 2020年6期
        關(guān)鍵詞:風(fēng)速模型

        徐元寶

        (山西省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計研究院工程設(shè)計中心,030010)

        1 城市地下綜合管廊通風(fēng)系統(tǒng)縮尺模型建立

        根據(jù)相似理論要求,需要對城市地下綜合管廊的通風(fēng)系統(tǒng)進行新的界定,在了解原型以及模型各邊界條件及其物理參數(shù)的基礎(chǔ)上,采用Fluent 軟件構(gòu)建模型,該模型能夠分別模擬不同工況,并通過計算的方法做出相似性判斷,這樣才能為指導(dǎo)后續(xù)研究提供必要的支持[1]。

        1.1 案例簡介

        選擇本地區(qū)某綜合管道任意一段的通風(fēng)區(qū)間為原型。該案例的區(qū)間總長度為200m,長寬均為3m,艙室兩側(cè)布置電纜,墻壁上各有5 條回路,采用平行布置方法,上下相鄰電纜之間的間距為0.5m;在進風(fēng)口位置布設(shè)風(fēng)機,該風(fēng)機能夠持續(xù)地向綜合管廊內(nèi)提供風(fēng)力,以艙室內(nèi)部為風(fēng)道,流動到排風(fēng)口后將風(fēng)力傳送到外側(cè);電纜在送電期間會產(chǎn)生一定的熱量而影響空氣溫度,但因為墻壁以及空間結(jié)構(gòu)傳導(dǎo)的影響,部分熱量會通過墻壁面直接發(fā)散到土壤中。

        1.2 控制方程的構(gòu)建

        根據(jù)相似理論的相關(guān)內(nèi)容可知,為了保障縮尺模型與原型具有一致性,則設(shè)計人員必須考慮兩個重要的相似條件,分別為:(1)幾何相似條件。所構(gòu)建的縮尺模型應(yīng)該嚴格按照原型的尺寸遵照特定比例縮小,這樣才能滿足幾何相似的要求,本次研究中將采用了1:5 的方法縮小原型。(2)運動相似性。確??s尺模型所處環(huán)境相同,這樣模型的仿真結(jié)果才能對原型的管理、建設(shè)有益。對模型的相似參數(shù)進行推導(dǎo),期間原型與模型之間的控制方程要確保具有一致性。之后在描述方程流動轉(zhuǎn)熱過程中,控制方程需要充分考慮不同工況下的要求,所以本文本文提出了一種連續(xù)方程控制模式,其關(guān)系式為:

        在方程式(1)中,xuyuzu分別代表在X 軸、Y 軸、Z 軸上的速度,其單位為m/s;p為密度,單位為kg/m3;?為導(dǎo)熱系數(shù),單位為W/(m·°C)。

        1.3 邊界條件參數(shù)比例的確定

        Gr 準則可以用于判斷自然對流的條件,在該案例中,本文考慮到浮升力等因素會帶來氣流變化,在強制對流條件下適當(dāng)忽視Gr 對地下綜合管廊的影響,并在其他外部條件基本相同的情況下,通過Fluent 軟件做數(shù)值運算,判斷假設(shè)的正確性。

        2 數(shù)值仿真計算

        2.1 模型簡化

        考慮到本案例管廊的具體情況,采用模型簡化方法能夠進一步降低數(shù)據(jù)分析難度,所以在簡化模型期間,可以針對模型做出以下判斷:

        (1)該模型具有良好的穩(wěn)定性,尤其是當(dāng)放熱量與散熱量實現(xiàn)平衡的情況下,其溫度場的分布會隨著時間的變化而發(fā)生改變。(2)電纜支架受空間因素的影響小,所以在模型分析期間可以忽略電纜以及電纜支架幾何結(jié)構(gòu)的影響。

        在此基礎(chǔ)上,結(jié)合原型的數(shù)據(jù)構(gòu)建縮尺模型,則幾何結(jié)構(gòu)與原型結(jié)構(gòu)之間的參數(shù)對比結(jié)果如表1所示。

        表1 幾何數(shù)據(jù)的對比結(jié)果(單位:m)

        2.2 邊界條件的實現(xiàn)

        通過數(shù)據(jù)計算的方法能夠描述流體流動的傳熱過程,并確定其中數(shù)據(jù)預(yù)算的要求,要注意確保運算過程的控制方向滿足相似理論中所提到的控制方程[2]。

        所以在數(shù)據(jù)運算環(huán)節(jié),本文采用湍流模型以及空氣模型的要求,在考慮地下綜合管廊通風(fēng)特性的基礎(chǔ)上,評價受熱、浮生力等因素對傳熱的影響,所以本文縮尺模型中空氣的關(guān)鍵物理參數(shù)為:密度1.225kg/m3,比熱容1006.4J/(kg·°C),導(dǎo)熱系數(shù)0.0219W/(m·°C)。其中邊界條件的設(shè)計要求為:在進出風(fēng)口的設(shè)計上,采用了機械通風(fēng)+自然通風(fēng)的方法,其中進風(fēng)口為速度進邊界條件,排風(fēng)口為壓力出邊界條件。

        3 實驗內(nèi)容與方法

        3.1 實驗測量內(nèi)容與測量設(shè)備

        為了能夠有效模擬地下綜合管廊通風(fēng)縮尺模型的相關(guān)指標,判斷任意端面的平均風(fēng)速等數(shù)據(jù),在模型的基礎(chǔ)上設(shè)置了6 個斷面,采用全壓差測量方法檢測每個斷面的狀態(tài)。

        所采用的測量設(shè)備包括壓差傳感器、風(fēng)速傳感器等,測量數(shù)據(jù)依靠數(shù)據(jù)采集模塊提取,其采集軟件為LABVIEW。

        3.2 縮尺模型的平均風(fēng)速

        在不同類型鍛煉中,地下綜合管廊艙室在任意環(huán)境下的通風(fēng)風(fēng)速會發(fā)生明顯變化,根據(jù)模型的仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),在進、排風(fēng)口位置,考慮到此處兩端的斷面小,風(fēng)速大;而艙室內(nèi)部的斷面大、風(fēng)速相對較小,這種情況會導(dǎo)致艙室內(nèi)部壓力呈現(xiàn)出不同的變化趨勢。

        所以為了可以了解縮尺模型在進出風(fēng)口位置的局部阻力以及艙室沿程阻力特性,將需要進一步判斷各個區(qū)段的范圍區(qū)間,根據(jù)不同時間段的風(fēng)速監(jiān)測結(jié)果發(fā)現(xiàn),平均風(fēng)速的偏差值波動區(qū)間為6%-10%,而因為風(fēng)速的穩(wěn)定性與準確性正相關(guān),因此選擇偏差更小的斷面進行沿程阻力判斷。最后的判斷結(jié)果顯示,在管線面積占比最大的情況下,其有效通風(fēng)面積越小,反之亦然;相同流量條件下,發(fā)現(xiàn)其他斷面的監(jiān)測結(jié)果也發(fā)現(xiàn),其他斷面的平均風(fēng)速與頻率基本相同,最終的監(jiān)測結(jié)果如圖1所示。

        圖1 不同斷面下測量的平均風(fēng)速

        根據(jù)圖1的相關(guān)資料可發(fā)現(xiàn),除了斷面3 之外,其他五個斷面的風(fēng)速基本相同。

        3.2 熱力相似性分析結(jié)果

        在熱力相似性分析結(jié)果中,各個斷面的平均溫度使用Fluent 軟件來計算每個斷面的溫度變化,所以在本次研究中,通過直接從軟件計算中調(diào)用平均溫度結(jié)果,并分析縮尺模型與原型之間的相似性,這種方法能夠進一步降低數(shù)據(jù)處理難度。

        在本次研究中發(fā)現(xiàn),縮尺模型與原型之間的溫度分布基本相同,其中從進風(fēng)口到排風(fēng)口位置,空氣因為電纜的加熱效果會造成斷面平均溫度的變化。因此可判斷縮尺模型與原型之間的對應(yīng)關(guān)系式基本相同的,縮尺模型的誤差得到了有效控制。因此本文將采用公式(2)來計算其中的相對誤差。

        在公式(2)中,X 代表任意參數(shù),包括阻力系數(shù)、溫度、速度等;Cx為對應(yīng)參數(shù)的比例系數(shù)。

        之后對原型與縮尺模型的溫度分布云圖來判斷兩者溫度場的相似性,通過云圖的比較結(jié)果可發(fā)現(xiàn),原型與縮尺模型之間沿著流動方向,其空氣溫度逐漸升高,并且在同一對應(yīng)的斷面上,兩者之間的云圖表現(xiàn)基本相同,并且靠近電纜位置的溫度更高,證明該縮尺模型是科學(xué)有效的。

        結(jié)束語本文介紹的縮尺模型方法具有可行性,概模型的仿真結(jié)果與原型基本相同,因此認為該縮尺模型具有極高的相似性,能夠為未來城市地下綜合管廊通風(fēng)設(shè)計提供支持,值得進一步推廣。

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