盧 毅，付 帥，李論之

(1.江蘇省交通工程建設(shè)局，江蘇 南京 210004； 2.長安大學(xué) 電子與控制工程學(xué)院，陜西 西安 710064)

0 引言

隨著縱向通風(fēng)方式在我國公路隧道中的廣泛應(yīng)用，射流風(fēng)機(jī)的作用也日益凸顯[1-2]。射流風(fēng)機(jī)在隧道中的升壓效果不僅與風(fēng)機(jī)本身的性能有關(guān)，還與隧道截面空間布局、風(fēng)機(jī)布設(shè)位置等條件相關(guān)[3-6]。此外，隨著我國交通建設(shè)的不斷推進(jìn)，具有空間利用率高、運(yùn)輸載荷量大等優(yōu)點的矩形大斷面水下隧道數(shù)量不斷增多，如：港珠澳大橋海底沉管隧道、上海長江隧道、上海沿江隧道及設(shè)計中的深中通道等，其物理結(jié)構(gòu)均具有“超寬扁平”化的特點。其縱向通風(fēng)中射流風(fēng)機(jī)布設(shè)方式、風(fēng)速場及射流作用也和一般圓形隧道呈現(xiàn)差異[7]。因此，研究矩形大斷面水下隧道空間中射流風(fēng)機(jī)的布局參數(shù)，對于優(yōu)化隧道縱向射流通風(fēng)，降低運(yùn)營成本，提高隧道防火災(zāi)能力[7]，實現(xiàn)隧道經(jīng)濟(jì)、安全的運(yùn)行均具有重要意義，并能為同類型隧道通風(fēng)設(shè)計提供數(shù)值模擬經(jīng)驗和參考。

關(guān)于射流風(fēng)機(jī)在隧道空間內(nèi)的布局，國內(nèi)外學(xué)者展開了諸多研究。溫玉輝等[8]利用CFD方法對雙射流風(fēng)機(jī)組升壓效率的影響因素進(jìn)行數(shù)值分析；張林[6]分析了風(fēng)機(jī)在不同布設(shè)位置參數(shù)(如風(fēng)機(jī)高度，每組風(fēng)機(jī)內(nèi)部間距等)對射流作用產(chǎn)生的影響，并針對不同功率的風(fēng)機(jī)組合也進(jìn)行了研究；楊秀軍等[9]利用射流風(fēng)機(jī)工作原理及射流作用對風(fēng)機(jī)縱向最小間距進(jìn)行分析，并利用CFD軟件進(jìn)行數(shù)值模擬驗證[9]；胡純良等[10]對隧道內(nèi)不同射流風(fēng)機(jī)氣流均勻性及穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)行了研究；方勇等[11]研究了三車道公路隧道射流風(fēng)機(jī)布設(shè)位置與通風(fēng)效果的研究，建模并進(jìn)行模擬計算，得出風(fēng)機(jī)的最佳橫向凈距應(yīng)為3～4倍風(fēng)機(jī)直徑，可有效減小射流間的干擾及隧道壁面影響；趙黎等[12]依托明堂山隧道工程，使用CFD軟件進(jìn)行了建模計算，結(jié)果表明風(fēng)機(jī)應(yīng)設(shè)在距建筑限界15～30 cm高度處，風(fēng)機(jī)橫向凈距應(yīng)設(shè)為1.5～2倍風(fēng)機(jī)直徑，風(fēng)機(jī)縱向間距應(yīng)設(shè)在150 m以上；Wang等[13]對小半徑曲線隧道的通風(fēng)進(jìn)行了研究，并對射流風(fēng)機(jī)的布設(shè)位置參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化；Lee等[14]利用CFD軟件分析并評價不同傾斜角對公路隧道射流風(fēng)機(jī)的通風(fēng)特性的影響，并確定了風(fēng)機(jī)最佳安裝角度；Betta等[15]利用數(shù)值計算流體力學(xué)(CFD)分析方法，模擬在無車輛和交通擁堵工況下，射流風(fēng)機(jī)不同安裝角度對隧道出口及周圍空氣平均速度變化的影響進(jìn)行了評價；YU等[16]基于計算流體力學(xué)理論，以1120型風(fēng)機(jī)為例，綜合分析了風(fēng)機(jī)高度、風(fēng)機(jī)軸線與隧道軸線夾角對風(fēng)機(jī)垂直效果的影響，得到最優(yōu)安裝高度和角度，達(dá)到了對公路隧道風(fēng)機(jī)射流效果的優(yōu)化。

以上研究從射流風(fēng)機(jī)距隧道頂壁高度、風(fēng)機(jī)橫向間距和縱向間距對射流風(fēng)機(jī)升壓力進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，但研究對象均集中于兩車道和三車道的普通高速公路隧道，且隧道縱向風(fēng)機(jī)橫向并列一組為2臺風(fēng)機(jī)。對于縱向通風(fēng)單組布置3臺風(fēng)機(jī)的扁平型矩形大斷面水下公路隧道，其射流風(fēng)機(jī)的設(shè)計和布設(shè)則鮮有研究。

因此，本研究結(jié)合太湖隧道具體工況，利用CFD軟件Fluent，按隧道實際橫截面尺寸建模，研究單組3臺射流風(fēng)機(jī)縱向通風(fēng)時，改變風(fēng)機(jī)布設(shè)高度、橫向凈間距及縱向間距，其升壓力將產(chǎn)生何種變化，及如何影響整體隧道通風(fēng)的效果。通過升壓系數(shù)判斷通風(fēng)質(zhì)量，獲得了矩形大斷面公路隧道射流風(fēng)機(jī)最優(yōu)布設(shè)位置參數(shù)。

1 仿真模型建立

1.1 依托工程背景

太湖隧道穿越太湖，全長10.79 km，其中暗埋段長度為10 km，為“雙向六車道+緊急停車帶”的高速公路水下隧道，設(shè)計車速100 km/h，單洞隧道截面寬17.45 m，高7.25 m，面積為120 m2[7]。隧道及風(fēng)機(jī)布置平面圖如圖1所示。

圖1 太湖隧道風(fēng)機(jī)布置圖(單位：m)Fig.1 Layout of jet fans in Taihu Tunnel(unit:m)

圖2為隧道矩形大斷面截面圖(左洞)，擬每組布置3臺1120型射流風(fēng)機(jī)，其軸向推力1 148 N，風(fēng)機(jī)橫向凈間距為d，風(fēng)機(jī)距隧道頂壁距離為h，隧道模型總長取600 m。共布設(shè)2組風(fēng)機(jī)，每組3臺，其中風(fēng)機(jī)距頂部高度h和風(fēng)機(jī)凈間距d如圖2所示。射流風(fēng)機(jī)模型采用圓柱體模擬，底面直徑為1.12 m，長1.5 m。建模完成后，需進(jìn)行三維網(wǎng)格劃分以便于有限元模擬計算，三維網(wǎng)格模型劃分如圖3所示。

圖2 太湖隧道標(biāo)準(zhǔn)橫斷面(左洞)(單位：m)Fig.2 Standard cross-section of Taihu Tunnel(left)(unit:m)

圖3 三維網(wǎng)格劃分正視圖Fig.3 Front view of 3D meshing

1.2 邊界條件

為了保證數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性，需要在計算區(qū)域邊界上給定邊界條件[17-18]。本研究中外界大氣與隧道進(jìn)出口相連，因此隧道進(jìn)出口均為壓力邊界條件，且設(shè)為大氣壓強(qiáng)值。風(fēng)機(jī)進(jìn)出口邊界條件根據(jù)射流風(fēng)機(jī)自身參數(shù)設(shè)定，進(jìn)口取流量為29 m3/s，出口取速度邊界為30 m/s。隧道底部和頂部采用無滑移邊界條件，壁面溫度不變，壁面粗糙高度取0.007，粗糙常數(shù)取0.8。

1.3 通風(fēng)質(zhì)量評價方法

為更加直觀地對比風(fēng)機(jī)不同布設(shè)位置產(chǎn)生的通風(fēng)效果，本研究采用風(fēng)機(jī)升壓綜合影響系數(shù)來定量評價不同風(fēng)機(jī)布設(shè)位置的通風(fēng)質(zhì)量。

本研究的模型中沒有設(shè)定隧道入口風(fēng)速，由射流風(fēng)機(jī)的升壓作用完成隧道出入口與外界大氣壓的空氣交換流動。為得到升壓系數(shù)k，首先完成整個模型的通風(fēng)模擬計算，計算得出隧道入口的風(fēng)速，以及2組風(fēng)機(jī)前后截面的靜壓差Ps。隧道入口風(fēng)速即為隧道斷面的平均風(fēng)速，代入式(1)，計算出射流風(fēng)機(jī)提供升壓力的理論值Pm；Ps與Pm的比值即為風(fēng)機(jī)升壓綜合影響系數(shù)k[6]，見式(2)。

(1)

式中，n為單組風(fēng)機(jī)臺數(shù)；ρ為空氣密度；vj為射流風(fēng)機(jī)出口風(fēng)速；Ar為隧道截面積；Aj為風(fēng)機(jī)截面積；vr為隧道斷面平均風(fēng)速(即計算得出的隧道入口風(fēng)速)。

(2)

式中，k值越大，表明升壓力值越大，即模擬計算值與理論值越接近，通風(fēng)效果更好。

2 射流風(fēng)機(jī)空間布設(shè)位置仿真研究

2.1 射流風(fēng)機(jī)安裝高度對通風(fēng)效果的影響

依照《公路隧道通風(fēng)設(shè)計細(xì)則》(JTG/T D70/2-02—2014)中的規(guī)定，射流風(fēng)機(jī)在隧道橫斷面上的布置應(yīng)不侵入建筑限界，邊沿與隧道建筑限界凈距不宜小于15 cm[19]。本研究在建立CFD幾何模型時考慮上述規(guī)范中的規(guī)定，設(shè)置風(fēng)機(jī)距隧道頂壁距離h為0.7D～1.5D(間隔為0.1D，D為射流風(fēng)機(jī)直徑，為1.12 m)共9種工況，對風(fēng)機(jī)升壓系數(shù)進(jìn)行計算。共設(shè)置2組風(fēng)機(jī)，依照風(fēng)機(jī)組常規(guī)間隔，設(shè)置第1組射流風(fēng)機(jī)位置為距隧道入口為50 m，第2組位置為距隧道入口200 m。

風(fēng)機(jī)距隧道頂壁0.8D和1.4D時，沿風(fēng)機(jī)軸線剖面速度變化云圖如圖4所示。

圖4 風(fēng)機(jī)軸線剖面速度變化云圖(單位：m·s-1)Fig.4 Nephogram of velocity change in axial section of fans(unit:m·s-1)

將模擬計算得出的隧道入口風(fēng)速代入式(1)得到不同風(fēng)機(jī)高度下升壓力的理論計算值，并根據(jù)模擬計算得出的2組射流風(fēng)機(jī)前后截面壓力，利用式(2)求出風(fēng)機(jī)在不同高度時的升壓綜合影響系數(shù)。將不同風(fēng)機(jī)高度的升壓力模擬值和影響系數(shù)繪制如圖5所示。

圖5 風(fēng)機(jī)距隧道頂壁不同距離時升壓力和影響系數(shù)變化Fig.5 Variations of pressure rises and influence coefficients with different distances from fan to tunnel top wall

由圖4和圖5分析可知，隨風(fēng)機(jī)距隧道頂壁距離h的增加，出口附近風(fēng)速越來越大，升壓綜合影響系數(shù)越來越高，表明隧道內(nèi)由風(fēng)機(jī)帶動的縱向通風(fēng)能力更佳。這可能是因為當(dāng)風(fēng)機(jī)距離隧道頂壁距離較近時，風(fēng)機(jī)的豎向射流撞擊道頂壁，射流無法繼續(xù)推進(jìn)并回流干擾正常風(fēng)機(jī)的射流；同時，風(fēng)機(jī)縱向射流會受到隧道壁面摩阻力的影響。受上述因素影響，風(fēng)機(jī)射流損失了大量動能，無法有效帶動低速風(fēng)流進(jìn)行流動。

而當(dāng)風(fēng)機(jī)距隧道頂壁距離h越大，即風(fēng)機(jī)位置越靠近建筑限界，風(fēng)機(jī)升壓影響系數(shù)越大。此時風(fēng)機(jī)出口風(fēng)流受隧道頂壁影響變小，摩擦阻力也減小，其氣流動能損失較小，因此其射流擴(kuò)散更充分，有助于提升隧道通風(fēng)效果。因此，建議此類矩形大斷面隧道在進(jìn)行射流風(fēng)機(jī)布置時，在滿足不侵入建筑限界條件時，風(fēng)機(jī)距隧道頂壁距離h為1.2D～1.4D為宜，此時風(fēng)機(jī)綜合升壓系數(shù)能達(dá)到0.887～0.931以上，具有良好的通風(fēng)效果。

2.2 射流風(fēng)機(jī)橫向間距對通風(fēng)效果的影響

依據(jù)《公路隧道通風(fēng)設(shè)計細(xì)則》(JTG/T D70/2-02—2014)規(guī)定，同一斷面布置2臺及以上射流風(fēng)機(jī)時，相鄰風(fēng)機(jī)的橫向凈距不宜小于1倍風(fēng)機(jī)直徑[19]。本研究在建立CFD幾何模型時考慮上述規(guī)范中的規(guī)定，根據(jù)隧道具體工況，設(shè)置風(fēng)機(jī)凈距1D～3D(間隔為0.2D，)共11組工況，對風(fēng)機(jī)升壓力和影響系數(shù)進(jìn)行模擬計算。風(fēng)機(jī)不同間距下升壓力模擬值及升壓影響系數(shù)的計算結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同橫向凈間距風(fēng)機(jī)升壓力及影響系數(shù)變化Fig.6 Variations of pressure rise and influence coefficient with different transverse clear spacings

由圖6分析可知，隨著風(fēng)機(jī)橫向間距從1D開始增大，其升壓力模擬值及升壓影響系數(shù)明顯增大；當(dāng)風(fēng)機(jī)橫向間距增大到2D～2.4D時，風(fēng)機(jī)整體升壓力模擬值和升壓影響系數(shù)到達(dá)一個頂峰且基本維持不變；當(dāng)風(fēng)機(jī)間距由2.4D繼續(xù)增大至3D時，升壓力模擬值和升壓影響系數(shù)急劇降低。

這是由于當(dāng)3臺風(fēng)機(jī)間距過近時，3臺風(fēng)機(jī)自身的吸氣排氣氣流會互相影響互相干擾，從而降低了3臺風(fēng)機(jī)的整體升壓能力。隨著間距增大，這種風(fēng)機(jī)之間的互相干擾會逐漸減弱，因此其升壓能力和升壓影響系數(shù)不斷增大。

而當(dāng)風(fēng)機(jī)間距達(dá)到一定距離時，雖然風(fēng)機(jī)間距的增大減小了3臺風(fēng)機(jī)之間氣流的互相干擾，但兩端的風(fēng)機(jī)距隧道側(cè)壁的距離則越來越近，隧道壁給風(fēng)機(jī)射流帶來的負(fù)面影響越來越大，嚴(yán)重降低了射流的動能，削弱了風(fēng)機(jī)帶動氣流的效果。風(fēng)機(jī)間距增加帶來的升壓能力增加與隧道側(cè)壁影響帶來的升壓能力減小兩者作用互相抵消時，便出現(xiàn)了升壓力模擬值與升壓影響系數(shù)的峰值。

當(dāng)風(fēng)機(jī)間距繼續(xù)增大，此時兩側(cè)風(fēng)機(jī)距隧道側(cè)壁距離過近，側(cè)壁對射流的影響愈發(fā)顯著，此時風(fēng)機(jī)升壓力與影響系數(shù)便出現(xiàn)了急劇的減小。因此，類似太湖隧道的大斷面矩形模型隧道，建議最佳風(fēng)機(jī)橫向間距應(yīng)設(shè)置為2D～2.4D，此時風(fēng)機(jī)整體升壓系數(shù)可以達(dá)到0.9以上。

2.3 射流風(fēng)機(jī)縱向間距對通風(fēng)效果的影響

為了保證風(fēng)機(jī)出口射流的充分發(fā)展，每組風(fēng)機(jī)之間應(yīng)保持足夠的縱向間距，使經(jīng)過風(fēng)機(jī)加速的噴射氣流到達(dá)下一組風(fēng)機(jī)位置之前充分發(fā)展并減速，否則將會影響到下一級風(fēng)機(jī)的工作性能，同時也能獲取最大的經(jīng)濟(jì)效益。為研究射流風(fēng)機(jī)縱向間距對通風(fēng)效果的影響，設(shè)置2組風(fēng)機(jī)縱向間距50～200 m(間隔為30 m)共6組工況條件，其中風(fēng)機(jī)距隧道頂部距離為1.2D，建模計算隧道斷面的平均風(fēng)速。

風(fēng)機(jī)縱向間距為50，200 m時，沿風(fēng)機(jī)軸線剖面速度變化云圖如圖7所示。

圖7 風(fēng)機(jī)軸線剖面速度變化云圖(單位:m·s-1)Fig.7 Nephogram of velocity change in axial section of fans(unit:m·s-1)

為了詳細(xì)地分析隧道斷面風(fēng)速變化細(xì)節(jié)，我們在2組風(fēng)機(jī)之間每間隔10 m的斷面設(shè)置采樣點(第1組風(fēng)機(jī)后10 m設(shè)為采樣點1，第1組風(fēng)機(jī)后20 m設(shè)為采樣點2…依次類推)，并計算其斷面平均風(fēng)速作為采樣點的風(fēng)速。經(jīng)過模擬計算并進(jìn)行結(jié)果統(tǒng)計，將風(fēng)機(jī)在不同間距的6種工況下，2組風(fēng)機(jī)間隧道斷面采樣點的風(fēng)速模擬值變化繪制如圖8所示。

圖8 風(fēng)機(jī)不同縱向間距隧道斷面風(fēng)速變化Fig.8 Variations of wind speed at tunnel section with different longitudinal spacings of fans

分析圖7和圖8可知，第1組風(fēng)機(jī)和第2組風(fēng)機(jī)之間風(fēng)速由大逐漸減小，且在第1組風(fēng)機(jī)后一定區(qū)間內(nèi)隧道截面的風(fēng)速并不均勻，高速氣流由中心向兩邊逐漸擴(kuò)散，最后整個隧道內(nèi)風(fēng)速達(dá)到較為均勻的水平。這是由于隧道內(nèi)一部分空氣由風(fēng)機(jī)吸入后，經(jīng)葉輪做功后高速噴出，高速氣流的速度間斷面不連續(xù)，形成漩渦，產(chǎn)生卷吸現(xiàn)象，將周圍低速空氣卷吸進(jìn)入射流。這個過程伴隨著動量和動能在隧道空氣中的交換傳遞，射流范圍不斷擴(kuò)展，此時隧道截面的平均速度很大。當(dāng)射流不斷向前發(fā)展一段距離后，伴隨流動范圍逐漸減少，壓力同步上升，射流的誘導(dǎo)效應(yīng)會使氣流在隧道截面形成均勻速度分布。當(dāng)隧道截面氣流速度均勻分布后，風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的射流在動能交換的過程中逐漸減弱，風(fēng)速逐漸減小。

從圖8可知，當(dāng)2組風(fēng)機(jī)距離為50 m時，第1組風(fēng)機(jī)出口射流并未得到充分發(fā)展，在第2組風(fēng)機(jī)入口處風(fēng)速很大，且截面風(fēng)速不均勻，造成空氣紊亂，不利于第2組風(fēng)機(jī)再次對空氣升壓，降低了風(fēng)機(jī)的升壓工作效率；當(dāng)風(fēng)機(jī)縱向間距達(dá)到110 m時，第2組風(fēng)機(jī)入口處射流紊亂明顯得到改善，隧道截面風(fēng)速趨于均勻，但并未下降到隧道斷面的平均風(fēng)速；當(dāng)風(fēng)機(jī)縱向間距達(dá)到170 m時，氣流速度已基本下降到隧道斷面平均速度大小，此時第2組風(fēng)機(jī)對空氣的升壓效率和效果達(dá)到最佳；當(dāng)縱向間距繼續(xù)增大到200 m時，由于風(fēng)機(jī)縱向間距過長，第1組風(fēng)機(jī)的射流發(fā)展到一定距離時基本消失，導(dǎo)致未被風(fēng)機(jī)吸入的低速風(fēng)流流動的效果變差。因此，建議隧道在進(jìn)行射流風(fēng)機(jī)布置時，將風(fēng)機(jī)縱向間距設(shè)置在140～170 m為宜，此時升壓系數(shù)經(jīng)計算為0.887～0.936。最佳縱向間距可取150 m，此時2組風(fēng)機(jī)的升壓效率最高，既保證了隧道內(nèi)的通風(fēng)效果，又降低了經(jīng)濟(jì)成本。

3 結(jié)論

本研究以矩形大斷面水下隧道通風(fēng)設(shè)計和布局為目的，以太湖水下隧道為背景模型，針對單組3臺射流風(fēng)機(jī)的布設(shè)位置問題，建立了CFD隧道仿真模型，并使用FLUENT有限元軟件工具進(jìn)行數(shù)值模擬計算和分析，得到以下結(jié)論。

(1)風(fēng)機(jī)距隧道頂壁距離h越大，即風(fēng)機(jī)位置越靠近建筑限界，風(fēng)機(jī)升壓系數(shù)越大，表明風(fēng)機(jī)出口射流擴(kuò)散更充分，受到隧道頂壁影響越小，有助于提升隧道通風(fēng)效果。因此，建議太湖隧道在進(jìn)行射流風(fēng)機(jī)布置時，在滿足不侵入建筑限界條件時，風(fēng)機(jī)距隧道頂壁距離h以1.2D～1.4D為宜。

(2)風(fēng)機(jī)升壓系數(shù)隨風(fēng)機(jī)橫向凈間距的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。風(fēng)機(jī)橫向間距為1D～2.4D時，風(fēng)機(jī)升壓系數(shù)隨橫向間距的增大而增大；但當(dāng)風(fēng)機(jī)橫向凈距為2.4D～3D時，升壓系數(shù)值急劇減小，通風(fēng)效果變差。因此，建議太湖隧道的射流風(fēng)機(jī)橫向凈間距應(yīng)設(shè)置為2D～2.4D。

(3)通過風(fēng)機(jī)縱向間距與通風(fēng)效果的模擬分析研究，表明太湖隧道在進(jìn)行風(fēng)機(jī)布置時，2組風(fēng)機(jī)在縱向上的間距宜設(shè)為140～170 m，最佳縱向間距為150 m，使2組風(fēng)機(jī)的升壓效率和整個隧道的通風(fēng)效果達(dá)到最佳匹配。建議類似太湖隧道的矩形大斷面隧道在進(jìn)行風(fēng)機(jī)布置時，2組風(fēng)機(jī)在縱向上的間距應(yīng)為140～170 m，最佳縱向間距為150 m。