公路隧道縱向射流通風的三維數值模擬與分析

王松任剛崔興華石明楊楊洪海

1東華大學環境科學與工程學院

2南方風機股份有限公司

公路隧道縱向射流通風的三維數值模擬與分析

王松1任剛2崔興華2石明楊1楊洪海1

1東華大學環境科學與工程學院

2南方風機股份有限公司

以隧道縱向射流通風基本理論為基礎，采用FLUENT軟件，對隧道內空氣的速度場及壓力場作三維數值模擬與分析。在此基礎上，將模擬后得到的風機升壓力值與經典理論公式計算值比較，得到射流風機綜合影響系數K，并進一步分析其影響因素及變化規律。研究工作可以為進一步優化縱向射流通風設計提供參考。

公路隧道 射流通風 速度場 壓力場 綜合影響系數

0 引言

近年來，在公路隧道建設中，通風設施及費用所占比例與日俱增。對于隧道通風來說，較高的通風效率是良好經濟效益的保證，合理的氣流組織是良好環境效益的體現。因此，合理經濟地采用公路隧道通風方案，對現代隧道通風技術有著重要的意義。隧道縱向通風無需通風管道，從而也無需增大隧道斷面，被稱為經濟節能型通風方式[1]。本文以某公路隧道縱向射流通風為例，運用Fluent軟件研究了隧道內空氣的速度場、壓力場，并在此基礎上分析研究了射流風機綜合影響系數K的影響因素及變化規律，希望能為公路隧道的縱向通風設計和優化提供參考。

1 模擬條件及計算方法

1.1 物理模型

以某隧道的實際尺寸為依據，截取隧道長度300m作為計算模型，如圖1所示。隧道高7.5m，橫斷面積及周長分別為68.8m2及31.57m，隧道當量直徑8.7m。在距離隧道入口150m處布置2臺射流風機，風機長0.7m，直徑0.112m，安裝位置如圖2所示[2]。

圖1 隧道射流風機計算模型

圖2 隧道橫斷面圖

1.2 邊界條件

由于隧道空間較大，網格數較多，且射流風機尺寸相對于隧道空間很小，因此模型按非結構網格劃分，并對網格進行自適應加密。應用FLUEN軟件[3～4]，選取RNG k-ε兩方程紊流模型，速度-壓力耦合采用SIMPLE算法。

計算邊界類型及條件設置如下：①隧道底部和上部設為壁面邊界條件，并根據實際的粗糙度給定相應的壁面函數中的參數[5]；②隧道入口設為等速邊界條件，速度值為隧道入口風速Ve；③隧道出口設為壓力邊界條件，壓力與當地大氣壓相等；④風機壁面設為固體壁面條件，摩擦阻力系數設為0；⑤風機入口設為定流量邊界條件，其數值為所選用風機的風量；⑥風機出口設為等速邊界條件，速度值為射流風機的出口速度Vj。

2 計算結果及分析

在隧道入口風速為4m/s，射流風機出口風速為35m/s工況下，選取y=3.4m，z=1.0m（如圖2所示A-A及B-B）截面，計算分析隧道內速度場；通過其中一臺風機中心，沿隧道縱向方向，計算分析壓力場。在此基礎上，計算風機綜合影響系數K，并分析其影響因素及變化規律。

2.1 速度場分析

如圖3所示為隧道內沿風機軸向水平面（A-A截面）與鉛錘面（B-B截面）速度分布云圖。結果表明：1）風機對上游處的空氣流速影響較小，只在風機入口3～4m處，流速增加；風機出口處的流速增加明顯，影響距離較長，約有100m左右；2）氣流在風機入口處大量涌入，有小部分氣流不通過風機，在風機出口段與高速氣流摻混形成新的氣流。這種卷吸作用，使射流范圍擴展，流量增加，速度減小，壓力上升，形成射流發展過程；3）隧道內水平面的風速呈均勻對稱分布，風機出口的高風速沿射流方向迅速下降；4）在風機安裝處的下方區域，空氣流速較低，速度分布比較均勻，存在回流現象。

圖3 隧道內沿風機軸向水平面與鉛錘面速度分布云圖

2.2 壓力場分析

如圖4、圖5所示分別為隧道內的靜壓圖與動壓圖。結果表明：1）在隧道入口至風機吸入口（3～4m外），射流風機增壓效果不明顯，隧道內靜壓略有下降，動壓幾乎不變；2）在距風機入口3～4m處，靜壓急劇下降；3）在距風機出口50m范圍內，壓力有較大提升。其中，靜壓連續升高，動壓躍升到最高值，然后迅速下降；4）在距風機出口50m后，靜壓與動壓的變化均趨緩，并于100m后趨于穩定。

圖4 過一臺風機中心線沿軸線方向靜壓圖

圖5 過一臺風機中心線沿軸線方向動壓圖

2.3 綜合影響系數K及影響因素分析

本次模擬計算只考慮隧道壁面由于粗糙度而帶來的沿程損失△P，忽略隧道入口和出口的局部損失，則隧道中壓力變化只與隧道入口靜壓P1、隧道沿程阻力損失△P以及射流風機升壓力Pj三個因素有關，因此，可通過式（1）計算得到射流風機升壓力的模擬計算值。

通過式（2）計算得到射流風機升壓力的經典理論公式計算值[6]。

式中：Aj為射流風機的出口面積，m2；Ae為隧道橫截面積，m2；Ve為隧道入口風速，m/s；Vj為射流風機的出口風速，m/s；i為每一處設置射流風機的臺數。

將風機升壓力的模擬計算值與經典理論公式計算值進行比較，通過式（3）計算得到風機調壓的綜合影響系數K，該系數是評價射流風機性能發揮好壞的重要指標。

計算結果見圖6、圖7，可以看出：1）綜合影響系數K的范圍在0.81～0.95之間，小于1，說明模擬計算值小于經典理論公式計算值，這是由于模擬計算過程更接近實際情況，考慮了風機射流導致氣流之間的劇烈碰撞和摻混，以及存在不同程度的渦流等必然導致射流能量損失的因素；2）當Vj一定時，隨著Ve的增加，綜合影響系數K變小，Vj越大，綜合影響系數K的下降幅度越大；3）當Ve一定時，隨著Vj的增加，綜合影響系數K變大，Ve越大，綜合影響系數K的上升幅度越小。

圖6 Ve-K關系曲線

圖7 Vj-K關系曲線

3 結論

本文運用Fluent軟件，對某公路隧道縱向射流通風進行了數值模擬研究，并在此基礎上，分析研究了射流風機調壓能力的影響因素及變化規律。結果表明：

1）風機射流出口附近呈一定的自由射流屬性，沿射程方向邊界不斷擴大、軸心速度逐漸衰減。

2）射流風機的主射流區范圍可達到100m。其中風機的推動力主要集中在其出口處50m范圍，距離風機出口50～100m范圍為壓力通風段。

3）隧道入口風速Ve和射流風機出口風速Vj都對風機的調壓能力有影響。適當降低Ve，或適當增大Vj，有利于充分發揮射流風機的性能。

[1]王曉雯,蔣樹屏.公路長隧道縱向組合通風計算方法及應用[J].中國公路學報,1996,9(3):62-71

[2]李景銀.公路隧道射流風機設計和選型綜述[J].公路,2004,3(3): 141-144

[3]溫正,石良辰,任毅如.流體計算應用教程[M].北京:清華大學出版社,2009

[4]江帆,黃鵬.FLUENT高級應用與實例分析[M].北京:清華大學出版社,2008

[5]Schlichting Hermann.Boundary Layer Theory[M].New York: Mcgraw-hill Book Company,1968

[6]交通部.公路隧道通風照明技術規范(JTJ026.1-1999).北京:人民交通出版社,1999

[7]張林.公路隧道射流通風數值模擬與風機安裝參數優化[D].重慶:重慶交通大學,2009

The Num e ric a l Sim ula tion a nd Ana lys is of Roa d Tunne l Longitudina l Ve ntila tion

WANG Song1,REN Gang2,CUI Xing-hua2,SHI Ming-yang1,YANG Hong-hai1
1 School of Environmental Science and Engineering,Donghua University
2 Nanfang Ventilator Co.,Ltd.

Based on the basic theory of tunnel longitudinal jet ventilation,by the mean of FLUENT software,simulated the air distribution of tunnel longitudinal ventilation with jet fan in a three-dimensional model,and analyzed the velocity field and the pressure field of the tunnel.On this basis,get the changing discipline of comprehensive influence coefficient K influenced by the air velocity in the tunnel and the outflow velocity of the jet fan by means of comparing with the theoretical calculation results.In order to optimize the design of Longitudinal jet ventilation for reference.

road tunnel,efflux ventilation,velocity field,pressure field,comprehensive influence coefficient

1003-0344（2015）02-046-3

2013-10-29

楊洪海（1968～），女，博士，副教授；上海市松江區人民北路2999號東華大學環境科學與工程學院3163室（201620）；E-mail:yhh@dhu.edu.cn