楊建華

摘要：杭紹臺(tái)高速公路祥和隧道地處低山丘陵地區(qū)，屬越嶺隧道，由于洞口氣候環(huán)境、海拔等自然因素差異，導(dǎo)致隧道各洞口存在一定的溫度、氣壓差，從而在洞內(nèi)形成不穩(wěn)定的自然風(fēng)。為考慮將自然風(fēng)充分利用，實(shí)現(xiàn)隧道節(jié)能運(yùn)營(yíng)，結(jié)合祥和隧道，通過數(shù)值模擬的方法對(duì)不同氣候工況下隧道內(nèi)的自然風(fēng)分布情況進(jìn)行研究，以獲得洞外氣候因素對(duì)隧道內(nèi)自然風(fēng)的影響規(guī)律，為隧道的自然風(fēng)利用提供理論基礎(chǔ)。

Abstract： Xianghe tunnel of Hangzhou-Taizhou Expressway is located in the low mountain and hilly area， which belongs to the tunnel crossing the mountains. Due to the differences in the climatic environment， altitude and other natural factors at the entrance of the tunnel， there is a certain temperature and air pressure difference at each opening of the tunnel， thereby forming an unstable natural wind. In order to make full use of the natural wind and realize the energy-saving operation of the tunnel， combined with the Xianghe tunnel， the distribution of the natural wind in the tunnel under different climatic conditions is studied by numerical simulation， so as to obtain the influence law of the external climatic factors on the natural wind in the tunnel and provide theoretical basis for the use of the natural wind in the tunnel.

關(guān)鍵詞：祥和隧道;自然風(fēng);數(shù)值模擬;氣候變化

Key words： Xianghe tunnel;natural wind;numerical simulation;climate change

中圖分類號(hào)：U453.5 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006-4311（2020）17-0212-04

1 ?工程概況

祥和公路隧道為分離式雙洞隧道，隧道左右線長(zhǎng)度分別為1792m和1654m，隧道無豎井。其地處杭紹臺(tái)高速南部，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，四季分明，熱量充足，可利用自然風(fēng)充足，通過對(duì)自然風(fēng)的利用，實(shí)現(xiàn)隧道節(jié)能，綠色運(yùn)營(yíng)。

祥和隧道設(shè)置為單向坡，隧道洞口高度差約為120m，由于各洞口環(huán)境差異和高度差異的影響，導(dǎo)致隧道洞口溫度、氣壓存在一定的差異，從而在隧道洞內(nèi)產(chǎn)生一定程度的自然風(fēng)。

現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范中通常將自然風(fēng)看做通風(fēng)阻力，近期研究表明，當(dāng)設(shè)計(jì)風(fēng)向和自然風(fēng)方向一致時(shí)，不開啟通風(fēng)設(shè)備或開啟少量風(fēng)機(jī)即可滿足通風(fēng)需求，即將自然風(fēng)當(dāng)做隧道通風(fēng)的通風(fēng)助力，以大幅降低隧道通風(fēng)成本。

為考慮隧道自然通風(fēng)的可能性，采集祥和隧道兩個(gè)洞口處的氣候因素，包括溫度、大氣壓強(qiáng)、風(fēng)速、風(fēng)向等，經(jīng)過劃分工況，通過數(shù)值模擬的方法，分析洞口處不同氣候條件下隧道內(nèi)自然風(fēng)分布規(guī)律，為自然風(fēng)的利用提供理論依據(jù)。

2 ?工況劃分

對(duì)于祥和隧道，地表自然風(fēng)是引起隧道兩洞口超靜壓差、形成自然通風(fēng)的直接原因之一，因此研究隧道自然通風(fēng)必須了解掌握當(dāng)?shù)氐乇碜匀伙L(fēng)產(chǎn)生和分布的規(guī)律。而隧道內(nèi)外的自然條件控制著隧道內(nèi)外自然通風(fēng)風(fēng)量的大小和作用方向，因此，對(duì)祥和隧道東西兩洞口處的氣候數(shù)據(jù)進(jìn)行采集是有必要的。

2.1 數(shù)據(jù)采集

對(duì)祥和隧道洞口區(qū)域氣象資料進(jìn)行采集，據(jù)此劃分氣候工況。

采集數(shù)據(jù)見表1。

2.2 季節(jié)工況劃分

由表2可知，一年十二個(gè)月的大氣壓力、風(fēng)速都比較接近，而溫度差異較大，按照溫度進(jìn)行劃分研究，可分為三種季節(jié)工況，見表2。

2.3 風(fēng)速風(fēng)向工況劃分

當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)向是自然風(fēng)工況劃分的重要參考依據(jù)，依照當(dāng)?shù)仫L(fēng)玫瑰圖是參考當(dāng)?shù)仫L(fēng)向風(fēng)速的主要方法。風(fēng)玫瑰圖一般可反應(yīng)2個(gè)重要信息：風(fēng)向，風(fēng)頻。本次工況劃分根據(jù)風(fēng)枚圖選取出現(xiàn)頻率較高的東南、西北風(fēng)向，和相對(duì)洞口風(fēng)向極端值南北風(fēng)向。風(fēng)速的選取則是根據(jù)祥和隧道洞口處的數(shù)據(jù)，取其均值和極端情況下的2.0m/s、2.5m/s和1.2m/s。祥和隧道地區(qū)風(fēng)玫瑰圖如圖1。

因此結(jié)合以上幾種工況，祥和隧道總體工況劃分如表3所示。

3 ?數(shù)值模擬分析

為了對(duì)隧道內(nèi)自然風(fēng)加以利用，就必須研究自然風(fēng)在隧道內(nèi)的分布規(guī)律以及提供的自然風(fēng)量大小。以劃分的氣候工況為基礎(chǔ)，通過仿真的方法分析在不同的工況下隧道內(nèi)自然風(fēng)分布規(guī)律，得到不同環(huán)境溫度下自然風(fēng)量大小，為自然風(fēng)的利用提供基礎(chǔ)。

3.1 模型構(gòu)建及網(wǎng)格劃分

對(duì)祥和隧道進(jìn)行建模，在該模型下，網(wǎng)格大小設(shè)置為0.4m，采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，網(wǎng)格圖如圖2所示。

3.2 控制條件

隧道模型為自然通風(fēng)靜態(tài)模型，做了壓力仿真，驗(yàn)證無壓力差下隧道內(nèi)風(fēng)速以及壓力分布。前期理論分析可知，在隧道出入口無壓力差時(shí)，隧道內(nèi)風(fēng)速為0，壓力差為0。以此為先決條件，將速度與壓力的仿真云圖輸出。

3.2.1 壓力邊界

壓力進(jìn)口的邊界條件需要定義進(jìn)口的溫度、壓力、動(dòng)能耗散率及紊流動(dòng)能等。在流體仿真分析時(shí)，可以根據(jù)不同的仿真模式定義對(duì)應(yīng)的邊界條件。

3.2.2 空氣密度

在對(duì)流體進(jìn)行空氣密度定義的過程時(shí)應(yīng)遵守以下設(shè)置原則：可壓縮的流體直接定義為理想氣體狀態(tài)方程。

3.2.3 定義求解器

定義求解器為3D，穩(wěn)態(tài)，開啟能量方程，選用標(biāo)準(zhǔn)k-？著方程以及標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，添加 DO 輻射模型，松弛因子選用默認(rèn)值，壓力和速度耦合求解，SIMPLE算法，動(dòng)量和能量方程選擇二階迎風(fēng)差分格式;采用壓力入口邊界，壓力出口邊界，環(huán)境為常態(tài)。

定義求解器：在構(gòu)建模型時(shí)選擇構(gòu)建三維模型，所以選擇3D求解器。穩(wěn)態(tài)計(jì)算是指流場(chǎng)中流體各參數(shù)不隨時(shí)間變化，到達(dá)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài);瞬態(tài)計(jì)算是指流場(chǎng)中某一時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。在傾斜式太陽(yáng)能棚熱數(shù)值模擬中，得到的是在給定初始狀態(tài)下流體達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的結(jié)果，所以選用穩(wěn)態(tài)計(jì)算。

在計(jì)算控制中，松弛因子的輸入值如表4所示。

3.3 自然風(fēng)作用規(guī)律分析

仿真方案：模擬分析祥和隧道在36種氣候工況下在不考慮橫通道狀態(tài)時(shí)（全部默認(rèn)為橫通道關(guān)閉）隧道內(nèi)部的空氣流動(dòng)規(guī)律及風(fēng)速、風(fēng)量大小。在統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)時(shí)，均勻選取隧道內(nèi)16個(gè)截面作為自然風(fēng)速檢測(cè)面，加上隧道出入口，共計(jì)18個(gè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)點(diǎn)，分析隧道內(nèi)部不同位置的自然風(fēng)速分布規(guī)律。

3.3.1 風(fēng)向工況對(duì)洞內(nèi)自然風(fēng)作用規(guī)律

圖3 所示為工況1-1-1下隧道局部自然風(fēng)速度分布。由圖3可以看出，工況1-1-1時(shí)，隧道內(nèi)部自然風(fēng)小于外部自然風(fēng)，由于山體的阻礙，來自東南方向的自然風(fēng)只有少部分能吹到隧道內(nèi)部，故洞口處自然風(fēng)較隧道內(nèi)部大，可適當(dāng)減少隧道洞口處的風(fēng)機(jī)布設(shè)。

由仿真結(jié)果，對(duì)祥和隧道工況1-1-1、1-1-2、1-1-3、1-1-4沿程風(fēng)速統(tǒng)計(jì)如圖4所示。

由圖4可以看出，同等溫度、風(fēng)速工況下，洞口外部自然風(fēng)向?yàn)闁|風(fēng)時(shí)隧道內(nèi)自然風(fēng)速度最大，東南風(fēng)次之，北風(fēng)和西北風(fēng)洞內(nèi)自然風(fēng)最小（約為洞外自然風(fēng)速的二十分之一）。

3.3.2 風(fēng)速工況對(duì)洞內(nèi)自然風(fēng)作用規(guī)律

對(duì)祥和隧道工況1-1-1、1-2-1、1-3-1沿程風(fēng)速統(tǒng)計(jì)如圖5所示。

由圖5可以看出，同等溫度、風(fēng)向工況下，洞內(nèi)自然風(fēng)速和洞外自然風(fēng)速呈正相關(guān)，其他氣候條件相同時(shí)，隧道內(nèi)自然風(fēng)速隨外部環(huán)境風(fēng)速增大增大。

3.3.3 溫度工況對(duì)洞內(nèi)自然風(fēng)作用規(guī)律

由圖6可以看出，同等風(fēng)速、風(fēng)向工況下，洞內(nèi)自然風(fēng)速和洞外溫度呈正相關(guān)其他氣候條件相同，隧道內(nèi)自然風(fēng)速隨外部溫度增大而增大。

4 ?結(jié)論

針對(duì)祥和隧道各種工況下的自然風(fēng)進(jìn)行數(shù)值模擬，通過分析經(jīng)過檢測(cè)斷面的速度，分析交通流量不同工況下隧道內(nèi)自然風(fēng)速。在統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)時(shí)，均勻選取隧道內(nèi)十八個(gè)界面作為自然風(fēng)速檢測(cè)面。

可見不同工況下外部氣候環(huán)境對(duì)自然風(fēng)的影響是有區(qū)別的，通過計(jì)算隧道內(nèi)自然風(fēng)可以計(jì)算其等效機(jī)械通風(fēng)量，減少隧道機(jī)械通風(fēng)所需風(fēng)量，在一定程度上減輕隧道通風(fēng)所帶來的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。

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