張文俊

（臺(tái)州元合建設(shè)發(fā)展有限公司，浙江 臺(tái)州 710061）

目前，隧道通風(fēng)運(yùn)營(yíng)中多采用縱向機(jī)械通風(fēng)的方式，耗電量巨大，給隧道運(yùn)營(yíng)帶來(lái)了沉重的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。由于汽車(chē)行車(chē)速度的加快和行車(chē)密度的增加，交通風(fēng)的利用日趨成熟。但是，在現(xiàn)有的機(jī)械通風(fēng)中，交通風(fēng)由于與交通流量密切相關(guān)，未能充分利用，造成了大量自然能源的浪費(fèi)?，F(xiàn)有的研究對(duì)于交通風(fēng)量化規(guī)律性結(jié)論較少；且僅針對(duì)速度進(jìn)行了分析，但僅通過(guò)車(chē)輛運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生交通風(fēng)速度的大小來(lái)判斷等效交通風(fēng)是不完整的。

1 依托工程

依托工程祥和隧道為雙洞分離式長(zhǎng)隧道，長(zhǎng)度為1792m/1654m，地形坡度約5-60°，山體植被較發(fā)育，隧址區(qū)地面最高點(diǎn)高程約為482m，屬越嶺隧道。祥和隧道設(shè)計(jì)車(chē)速100km/h，全程采用射流風(fēng)機(jī)縱向通風(fēng)。

2 理論分析

在隧道中運(yùn)行的車(chē)輛，由于具有一定的運(yùn)動(dòng)速度和相應(yīng)的車(chē)體斷面，將能量傳遞給隧道的空氣，造成了隧道內(nèi)部的空氣流動(dòng)。這種由車(chē)輛運(yùn)動(dòng)所引起的隧道氣流運(yùn)動(dòng)俗稱為“活塞風(fēng)”，由“活塞風(fēng)”產(chǎn)生的風(fēng)壓成為交通通風(fēng)力。根據(jù)能量守恒定律，在單向交通的情況下，車(chē)輛運(yùn)動(dòng)與隧道空氣之間滿足：

對(duì)于任一有限長(zhǎng)度的隧道而言，車(chē)輛運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的氣流運(yùn)動(dòng)交通風(fēng)力即

其中：ΔPt交通風(fēng)力的風(fēng)壓（壓差） （N·m-2）；Am為車(chē)輛迎風(fēng)面積（m2/輛）；Ar為隧道斷面積（m2）；Vt為車(chē)體運(yùn)動(dòng)速度（m·s-2）；Vr為隧道內(nèi)空氣流速（m·s-2）；n為同向運(yùn)動(dòng)的車(chē)輛數(shù)量（輛）；ρ 為空氣密度（kg·m-2）。

當(dāng)外界沒(méi)有為隧道提供任何空氣流動(dòng)的其它動(dòng)力，且假定并無(wú)其它外界因素干預(yù)時(shí)，在這個(gè)有限長(zhǎng)度內(nèi)，隧道空氣流動(dòng)可以達(dá)到的實(shí)際風(fēng)速Vr，則需要滿足車(chē)輛運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的風(fēng)壓與實(shí)際存在的所有隧道局部阻力ΔPz和沿程摩擦阻力ΔPm的自然平衡。即：

其中：ΔPz為隧道局部阻力（N·m-2）；ΔPm為隧道沿程摩擦阻力（N·m-2）。

可以認(rèn)為，初始狀態(tài)時(shí)，Vr=0。ΔPt為最大值，為隧道空氣流動(dòng)提供所需的壓力。

終狀態(tài)時(shí)，Vt＞Vr，且Vr=Vmax。隧道內(nèi)空氣流速達(dá)到了可以達(dá)到的最大值。車(chē)輛運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的風(fēng)壓，為氣流運(yùn)動(dòng)克服了必然存在的隧道沿程摩擦阻力ΔPm和局部阻力ΔPz，并使原來(lái)靜止的空氣達(dá)到并保持一定的流速。此時(shí)的車(chē)輛運(yùn)動(dòng)，已不能為隧道氣流運(yùn)動(dòng)繼續(xù)提供更多的風(fēng)壓。

3 方法

由《公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則JTG/T D70/2-02—2014》可知，車(chē)型和車(chē)速是影響隧道交通風(fēng)的主要因素，以車(chē)型和車(chē)速為標(biāo)準(zhǔn)劃分工況。對(duì)每種工況進(jìn)行數(shù)值模擬，得出交通風(fēng)風(fēng)速和風(fēng)壓數(shù)據(jù)。

3.1 車(chē)型工況劃分

根據(jù)車(chē)身在尺寸、形狀上的差異，將車(chē)輛分為大型車(chē)、中型車(chē)、小型車(chē)。大型車(chē)為51 座旅游大巴，尺寸為10.5m×2.4m×2.8m；中巴車(chē)以20 座考斯特，尺寸為7m×2m×2.2m；小轎車(chē)為5-7 座客車(chē)，尺寸為4.5m×1.5m×1.6m。以此作為劃分標(biāo)準(zhǔn)，以車(chē)型為依據(jù)將祥和隧道車(chē)劃分為三類。

3.2 車(chē)速工況劃分

由公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則中提供的公式推導(dǎo)可知，速度也是影響交通風(fēng)的重要因素?？紤]高峰時(shí)段與非高峰時(shí)段，將速度分為36km/h、54km/h、72km/h、90km/h 四種工況。結(jié)合車(chē)型劃分，每種車(chē)型各有4 種速度工況，總共有12 種交通工況。

3.3 數(shù)值模擬

建立了長(zhǎng)1000×11×5m 的矩形隧道模型，汽車(chē)初始位置在離隧道入口處，目的在于研究不同行車(chē)速度和不同行車(chē)間距對(duì)隧道內(nèi)交通風(fēng)速的影響。隧道入口定義為壓力入口，其大小為自然情況下的實(shí)際壓力數(shù)值，隧道出口定義為壓力出口，隧道壁面和地面均為無(wú)滑移壁面邊界條件。同時(shí)，為了模擬真實(shí)的隧道環(huán)境，材料定義為混凝土，表面粗糙度設(shè)置為0.33。汽車(chē)表面定義為移動(dòng)的邊界條件，材料為鋁，模型內(nèi)部為全部計(jì)算域同時(shí)建立了三種汽車(chē)模型。

4 結(jié)果與分析

速度和壓力可以定量的描述氣流的運(yùn)動(dòng)情況。在隧道交通風(fēng)的描述中，通過(guò)數(shù)值模擬分析車(chē)輛運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)交通風(fēng)的速度、壓力和湍流動(dòng)能，可以將交通風(fēng)蘊(yùn)含的能量以及在隧道內(nèi)的作用效果直觀展示出來(lái)，進(jìn)一步可以分析隧道交通風(fēng)對(duì)于機(jī)械通風(fēng)的補(bǔ)償效率。同時(shí)，數(shù)值模擬的結(jié)果有助于總結(jié)歸納交通風(fēng)的數(shù)學(xué)描述。

4.1 交通風(fēng)速度云圖結(jié)果分析

通過(guò)后處理軟件采集在不同車(chē)速下隧道內(nèi)的交通風(fēng)大小，以小車(chē)為例，結(jié)果如圖1 所示。從圖中可以看出，隨著車(chē)速的增加，隧道內(nèi)斷面平均風(fēng)速明顯增大。當(dāng)汽車(chē)速度從10m/s 提高至100m/s 時(shí)，隧道內(nèi)汽車(chē)產(chǎn)生的交通風(fēng)大小增大了約2.5 倍，車(chē)速的提高將對(duì)隧道通風(fēng)產(chǎn)生非常有利的效果。

圖1 小車(chē)車(chē)速與隧道內(nèi)平均交通風(fēng)速的關(guān)系

.圖2 中型車(chē)車(chē)速在90km/h 時(shí)的交通風(fēng)速度橫向截面矢量圖

圖3 中型車(chē)車(chē)速在90km/h 時(shí)的交通風(fēng)速度縱向截面矢量圖

以工況2 為例，在空氣流動(dòng)的云圖中加入速度矢量可以看出在車(chē)輛運(yùn)動(dòng)軌跡途中的矢量方向與行車(chē)方向相同，如圖2、圖3 所示。工況1 中車(chē)輛周?chē)L(fēng)速均值在6m/s，越靠近車(chē)尾速度越快，只有在車(chē)輛周邊時(shí)速度方向才出現(xiàn)與車(chē)輛運(yùn)動(dòng)方向相反，但經(jīng)過(guò)疊加計(jì)算，整個(gè)隧道內(nèi)的平均交通風(fēng)速為4.1m/s，方向與車(chē)輛運(yùn)行方向一致。

4.2 隧道交通風(fēng)壓力作用結(jié)果分析

在隧道中取一個(gè)豎直截面為測(cè)量斷面，測(cè)量車(chē)輛經(jīng)過(guò)時(shí)斷面上的壓力。圖4 為各車(chē)型車(chē)速車(chē)速在90km/h 時(shí)的交通風(fēng)壓力云圖，可以看出，無(wú)論隧道內(nèi)車(chē)型如何，汽車(chē)經(jīng)過(guò)測(cè)量斷面前后，斷面壓力的變化規(guī)律是一致的。隧道測(cè)量斷面平均壓力變化過(guò)程中表現(xiàn)為,當(dāng)汽車(chē)車(chē)頭經(jīng)過(guò)測(cè)量斷面時(shí)，斷面出現(xiàn)小幅升高，再降至最低的壓力值；當(dāng)車(chē)身經(jīng)過(guò)測(cè)量斷面時(shí)，斷面壓力逐漸升高，升高約150pa-400pa；車(chē)尾經(jīng)過(guò)時(shí)，斷面壓力出現(xiàn)一個(gè)明顯的降低降低約100-300pa，之后迅速恢復(fù)。

圖4 斷面平均壓力變化趨勢(shì)圖

5 結(jié)語(yǔ)

本文使用計(jì)算流體力學(xué)對(duì)隧道內(nèi)交通風(fēng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，得出了車(chē)速車(chē)型和交通風(fēng)風(fēng)速和壓力的一些關(guān)系。1）隧道內(nèi)風(fēng)速隨車(chē)速的增加而增加，不同車(chē)型增長(zhǎng)豎直不同。以小車(chē)為例車(chē)速?gòu)?0m/s 增加到100m/s，隧道內(nèi)風(fēng)速?gòu)?m/s增加到5.3m/s，增長(zhǎng)約2.5 倍。2） 無(wú)論隧道內(nèi)車(chē)型如何、車(chē)速如何，汽車(chē)經(jīng)過(guò)測(cè)量斷面前后,斷面壓力的變化規(guī)律是一致的，都表現(xiàn)為斷面壓力出現(xiàn)小幅升高，再降至最低的壓力值，之后逐漸恢復(fù)初始?jí)毫χ怠?/p>