2車道公路隧道射流風機空間布局優化的CFD分析

趙　黎， 閆治國,2,3

(1. 同濟大學土木工程學院地下建筑與工程系， 上海　200092； 2. 同濟大學土木工程防災國家重點實驗室， 上海　200092； 3. 同濟大學巖土及地下工程教育部重點實驗室， 上海　200092)

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2車道公路隧道射流風機空間布局優化的CFD分析

趙黎1， 閆治國1,2,3

(1. 同濟大學土木工程學院地下建筑與工程系， 上海200092； 2. 同濟大學土木工程防災國家重點實驗室， 上海200092； 3. 同濟大學巖土及地下工程教育部重點實驗室， 上海200092)

摘要：為解決2車道公路隧道射流風機的空間布局優化問題，依托明堂山隧道工程，采用以往公路隧道射流風機通風效果數值模擬研究中不同的邊界條件，將隧道出入口邊界條件均設為大氣壓強，并不預先給定隧道入口風速大小。對影響射流風機升壓力大小的因素，如風機縱向間距、風機布置高度、風機橫向間距展開討論，得到： 風機應設在距建筑限界15～30 cm高度處；風機橫向凈距應設為1.5～2倍風機直徑；風機縱向間距應設在150 m以上。明堂山隧道實際風機布置方式所采用的參數均在優化結果范圍內，按隧道實際長度及設計射流風機臺數建模，模擬結果表明風機在進行優化布局后，隧道通風效果能夠達到設計要求。

關鍵詞：明堂山公路隧道; 射流風機; 空間布局優化; 數值模擬; CFD

0引言

伴隨著我國公路隧道的大發展，隧道縱向通風方式得到越來越廣泛的應用，而任何形式的縱向通風方法都離不開射流風機的作用。射流風機在公路隧道中的布置位置受限于建筑限界與拱頂之間的空間，隧道中的風機射流是一種有限空間射流，具有多股平行并列、多組縱向串聯、以通風氣流為伴隨流動等特點[1]，因此，射流風機的通風效果與其空間布局有很大關系。

我國很多學者都對優化射流風機在隧道空間中的布局問題展開過研究。如張林[1]對公路隧道射流風機的安裝參數優化進行了數值模擬研究，分析了風機與拱頂距離、風機左右間距及不同功率風機組合等對流態的影響；楊秀軍等[2]對公路隧道通風中射流風機縱向最小間距進行了研究；胡純良等[3]對不同風機軸距下某隧道內氣流分布進行了研究，得出在射流風機后150 m處風速基本不再變化，隧道內氣流均勻性較好，處于完全穩定的狀態；方勇等[4]對3車道公路隧道射流風機的設置位置展開了數值模擬分析，得出為了減小2股射流之間的干擾及隧道壁面影響，2臺風機的最佳橫向凈距應在3～4倍風機直徑。

在已有的對隧道射流通風的數值模擬研究中，均給定了隧道入口風速，但在實際施工中，隧道入口風速是由射流風機、交通風和自然風綜合影響決定的，這種邊界條件顯然與實際不符。因此，本文提出了將隧道入口設為壓力邊界條件(即給定大氣壓強值)的模擬方法，并不強制隧道入口風速為定值，而是完全靠射流風機的升壓作用吸進風量，即隧道入口的風速是計算得到的。同時，為簡化計算，忽略交通風和自然風的影響，將其提供的動力或阻力用射流風機或沿程阻力損失代替[5]。

本文依托明堂山公路隧道，利用CFD軟件Fluent按隧道實際長度及設計射流風機臺數建模，分析2車

道公路隧道中射流風機的安裝高度、橫向間距及縱向間距對通風效果的影響，并將模擬結果應用于優化明堂山隧道中射流風機的空間布局，應用效果證明隧道通風效果能夠達到設計要求。

1基于壓力邊界的公路隧道射流通風數值模擬方法

1.1隧道模型說明

岳武高速明堂山特長公路隧道長7 500 m，雙向4車道，單洞隧道截面寬11 m，高7 m，面積為65.18 m2。其中，左線采用全射流通風方式，擬布置54臺1120型射流風機，見圖1。

圖1　明堂山隧道左線風機布置平面圖

按照明堂山隧道的結構參數建模，模型取500 m長，在隧道內布置2組(每組2臺)射流風機。風機出口風速為30 m/s，入口風量為29.56 m3/s。射流風機用直徑1.12 m、長1.5 m的圓筒模擬[6]，如圖2所示。

圖2　隧道模型網格正視圖

1.2邊界條件設定

數值計算是在有限區域內進行的，因此，在區域的邊界上需要給定邊界條件。邊界條件要求在數學上滿足適定性，在物理上具有明顯的意義。本文的計算邊界類型及條件如表1所示。

隧道進出口均為壓力邊界條件，且設為大氣壓強值，這與隧道的實際情況相符。風機進口為質量流量邊界條件，其數值為所選用風機的吸入風量參數；風機出口為速度邊界條件，其數值為所選用風機的出口流速參數，保證了質量守恒定律[7]。隧道底部和頂部為壁面邊界條件，其粗糙高度由隧道實際粗糙度給定[8]。

表1　計算模型邊界條件設置

1.3通風效果優劣判斷標準

(1)

式中： vr為隧道斷面平均風速； vj為射流風機出口風速； Ar為隧道截面積； Aj為風機截面積； n為風機臺數。

(2)

以往學者在對射流風機空間布局進行數值模擬分析時，因給定了隧道入口風速，并將出口相對靜壓強制為0，所以，往往將得到的入口靜壓與沿程損失之和作為射流提供升壓力的模擬值[9]，但這樣得到的升壓力模擬值不能很好地體現射流風機的升壓作用。本文在確定升壓力模擬值時，是從計算結果中找出氣流在到達射流風機前隧道截面靜壓的最小值和氣流經射流風機升壓后隧道截面靜壓的最大值，二者之差即為射流風機提供的升壓力。

2射流風機空間布置位置優化分析

2.1射流風機安裝高度對通風效果的影響

JTG/T D70/2-02—2014《公路隧道通風設計細則》[10]中規定，射流風機在隧道橫斷面上的布置應不侵入建筑限界，射流風機的邊沿與隧道建筑限界的凈距不宜小于15 cm。因此，為研究射流風機安裝高度對通風效果的影響，設定風機距建筑限界分別為15、30、45、60 cm 4組工況進行計算。

第1組風機距隧道入口50 m，第2組風機距隧道入口200 m，氣流在到達各組射流風機前隧道截面靜壓的最小值和氣流經射流風機升壓后隧道截面靜壓的最大值如圖3所示。

圖3射流風機前后截面最大及最小靜壓值(風機距建筑限界不同時)

Fig. 3Maximum and minimum static pressures of tunnel cross-section(with different distances between fan and building boundary)

風機布置高度對升壓力的影響見表2。由表2可知，風機布置得越高，越接近隧道拱頂，風機調壓綜合影響系數k值越小，表明風機提供的升壓力越小。因此，建議明堂山隧道在進行風機布置時，風機設在距建筑限界15～30 cm高度處。

表2　風機布置高度對升壓力的影響

風機距建筑限界60 cm和15 cm時，風機出口處風速矢量圖如圖4和圖5所示。隨風機布置高度增加沿風機軸線剖面速度變化云圖如圖6所示。

圖4風機距建筑限界60 cm時風機出口處風速矢量圖(單位： m/s)

Fig. 4Vectogram of air velocity at fan exit when distance between fan and building boundary of 60 cm (m/s)

圖5風機距建筑限界15 cm時風機出口處風度矢量圖(單位： m/s)

Fig. 5Vectogram of air velocity at fan exit when distance between fan and building boundary of 15 cm (m/s)

對比圖4和圖5可知，風機布置在距建筑限界60 cm高度時，其出口附近風速明顯要比布置在距建筑限界15 cm高度時小。由圖6可知，隨風機布置高度的增加，出口附近風速越來越小。這是因為風機出口風流受到拱頂影響沒有足夠豎向空間充分擴展，高速風流撞擊到拱頂或受到隧道壁面摩阻影響導致動能大量損失，使其帶動未被風機吸入的低速風流流動的效果變差[11]，這從流體運動學的機制上解釋了風機布置得越高，其提供的升壓力越小這一結論。

圖6隨風機布置高度增加沿風機軸線剖面速度變化云圖(單位： m/s)

Fig. 6Nephograms of air velocity variation along fan axis vs. installing height of fan (m/s)

2.2射流風機橫向間距對通風效果的影響

JTG/T D70/2-02—2014《公路隧道通風設計細則》[10]中規定，當同一斷面布置2臺及以上射流風機時，相鄰風機的橫向凈距不宜小于1倍風機直徑。因此，為研究射流風機橫向間距對通風效果的影響，設定2臺風機凈距1倍直徑、2臺風機凈距1.5倍直徑、2臺風機凈距2倍直徑、2臺風機凈距2.5倍直徑4組工況進行計算。

第1組風機距隧道入口50 m，第2組風機距隧道入口200 m，氣流在到達各組射流風機前隧道截面靜壓的最小值和氣流經射流風機升壓后隧道截面靜壓的最大值如圖7所示。

圖7射流風機前后截面最大及最小靜壓值(風機橫向凈距不同時)

Fig. 7Maximum and minimum static pressures of tunnel cross-section(with different transverse distances among fans)

風機橫向間距對升壓力的影響見表3。由表3可知，當2臺風機橫向凈距在1～2倍直徑時，風機調壓綜合影響系數k值隨橫向凈距的增大而增大；但當風機橫向凈距為2.5倍直徑時，k值則大大減小。因此，建議明堂山隧道在進行風機布置時，風機橫向凈距設為1.5～2倍風機直徑。

表3風機橫向凈距對升壓力的影響

Table 3Influence of transverse distance among fans on pressure rise

風機橫向凈距psj/Papj/Pak2臺風機凈距1倍直徑47.5636358.870.8082臺風機凈距1.5倍直徑50.7642458.870.8622臺風機凈距2倍直徑55.7169158.870.9462臺風機凈距2.5倍直徑41.6124058.870.707

當2臺風機橫向凈距為2倍直徑時，風機前后縱向靜壓變化云圖如圖8和圖9所示。

圖8風機橫向凈距為2D時第1組射流風機前后縱向靜壓變化云圖(單位： Pa)

Fig. 8Nephogram of static pressure variation of Jet Fan Group No. 1 when clear distance among fans is 2D(Pa)

圖9風機橫向凈距為2D時第2組射流風機前后縱向靜壓變化云圖(單位： Pa)

Fig. 9Nephogram of static pressure variation of Jet Fan Group No. 2 when clear distance among fans is 2D(Pa)

2臺風機橫向凈距為1倍和2倍風機直徑時，風機出口處速度矢量圖如圖10和圖11所示。對比圖10和圖11可知，風機橫向凈距為1D時，其出口附近風速明顯要比風機橫向凈距為2D時小。

圖102臺風機凈距為1倍風機直徑時風機出口處風速矢量圖 (單位： m/s)

Fig. 10Vectogram of air velocity at fan exit when clear distance among fans is 1D(m/s)

隨風機橫向間距增加沿風機軸線剖面速度變化云圖如圖12所示。由圖12可知，當風機橫向凈距在1～2倍直徑時，風機出口附近風速逐漸增大；而當風機橫向凈距為2.5倍直徑時，其出口附近風速大大減小，甚至比風機凈距為1倍直徑時還要小。這是因為風機橫向間距越小，2臺風機出口風流越易相互受到影響，即風機噴射的高速風流在風機后方匯聚時相互卷吸和干擾，使本應被射流卷吸進來的周圍速度相對小的隧道氣流未能通過射流微團產生的橫向脈動得到動量與能量交換[12]，因此通風效果變差。當風機橫向凈距為2.5倍直徑時，雖然2臺風機間距離足夠大，但每臺風機與各自一側的隧道壁面距離變得很小，而風機與隧道壁面空間越小，射流發展越受到限制，升壓作用越不明顯，所以此時k值變小。

2.3射流風機縱向間距對通風效果的影響

在射流通風中，考慮到電纜線路的電力損耗、風機管理和維護等因素，射流風機一般集中布置。在集中布置中只有每組風機之間保持足夠的距離，噴射氣流才會在到達下一組風機位置之前充分減速。如果噴射氣流減速不完全，將會影響到下一級風機的工作性能[13]。因此，為研究射流風機縱向間距對通風效果的影響，設定2組風機縱向間距50 m、2組風機縱向間距100 m、2組風機縱向間距150 m、2組風機縱向間距200 m 4組工況進行計算。

圖112臺風機凈距為2倍風機直徑時風機出口處風速矢量圖 (單位： m/s)

Fig. 11Vectogram of air velocity at fan exit when clear distance among fans is 2D(m/s)

圖12隨風機橫向間距增加沿風機軸線剖面速度變化云圖 (單位： m/s)

Fig. 12Nephograms of air velocity variation along fan axis vs. transverse distance among fans (m/s)

隨射流風機縱向間距的增加沿風機軸線剖面風速變化云圖如圖13所示。由圖13可知，2組風機間隧道部分的速度是先增大后減小，這是由于射流微團的卷吸作用，將動量和能量交換給隧道氣流，使射流范圍擴展，流量增加，壓力上升形成射流發展過程，這時隧道內速度是增大的；當伴隨流動范圍逐漸減少，整個隧道氣流沿著縱向呈現一種漸變的、非均勻的逆壓流動，直至射流發展完全，伴隨流消失，斷面形成均勻速度分布[14]，這一階段隧道內速度是減小的。當2組風機縱向間距為50 m和100 m時，第2組風機前的速度還沒有完全下降到隧道斷面平均速度大小；而當2組風機縱向間距為150 m和200 m時，第2組風機前的速度已基本下降到隧道斷面平均速度大小。表明隨著射流風機縱向間距的增加，噴射氣流逐漸減速完全，射流得到更充分發展。因此，建議明堂山隧道在進行風機布置時，將風機縱向間距設在150 m以上。

圖13隨射流風機縱向間距的增加沿風機軸線剖面風速變化云圖 (單位： m/s)

Fig. 13Nephograms of air velocity variation along fan axis vs. longitudinal distance among fans (m/s)

3明堂山隧道左線全射流通風方案數值模擬驗證

岳武高速明堂山特長公路隧道長7 500 m，分左右2條線。其中，左線采用全射流通風方案，設計風量為456 m3/s(即斷面平均風速可達7 m/s)，共布置了54臺1120型射流風機。

隧道實際風機布置方式為： 風機距建筑限界高度為20 cm，風機橫向凈距為2倍風機直徑，風機縱向間距為170 m。

現按隧道實際長度及設計射流風機臺數建模，風機空間布局采用明堂山隧道實際布置方案。模型總長5 000 m，第1組風機距隧道入口200 m，每組風機縱向間距170 m，最后一組風機距隧道出口380 m。為確保數值模擬的準確性，將距出口200 m處的隧道截面設置為局部阻力格柵(邊界條件為散熱器，損失系數經大量試算后設為2.7)，以保證5 000 m隧道模型的總阻力損失達到克服實際隧道長度阻力所需的升壓力值。隧道出入口和風機出入口的邊界條件與2.2中設定的一致。

計算結果表明，隧道入口截面的平均風速為6.58 m/s，隧道出口截面的平均風速為6.61 m/s，與設計值7 m/s相差很小，說明在這54臺射流風機的作用下，隧道吸入的風量與設計風量基本一致。小于7 m/s是因為隧道設計風量是由阻滯工況時的需風量決定的，而設計風機臺數是由隧道通風阻抗力、交通風動力和自然風阻力共同決定的[15]；但模擬時未考慮交通風動力的作用，導致在54臺射流風機作用下隧道入口未能吸入達到設計值的風量，所以數值模擬計算得到的隧道出入口風速略小于設計值。風機軸線高度處截面的平均縱向速度如圖14所示。

圖14　風機軸線高度處截面的平均縱向速度

Fig. 14Diagram of average longitudinal velocity of cross-section at the axial height of fan

4結論與建議

本文依托明堂山隧道工程，針對射流風機的空間布局優化問題，開展了CFD數值模擬分析，得到以下結論。

1)在2車道公路隧道斷面上布置射流風機時，風機布置得越高，越接近隧道拱頂，風機調壓綜合影響系數越小，即提供的升壓力越小。建議明堂山隧道在進行風機布置時，將風機設在距建筑限界15～30 cm高度處。

2)在2車道公路隧道斷面上布置射流風機時，隨著2臺風機橫向凈距的增加，風機調壓綜合影響系數也在增加，即提供的升壓力也在增大，但離得過遠又會使每臺風機與各自一側隧道壁面的空間不足以致射流發展受限，造成升壓力下降。建議明堂山隧道在進行風機布置時，將風機橫向凈距設為1.5～2倍風機直徑。

3)在2車道公路隧道斷面上布置射流風機時，風機縱向間距應設置在150 m以上，以保證噴射氣流在到達下一組風機位置之前充分減速，使射流得到充分發展。建議明堂山隧道在進行風機布置時，將風機縱向間距設在150 m以上。

隧道實際風機布置方式所采用的參數均在優化結果范圍內，可見本文對2車道公路隧道射流風機空間布局優化問題所做的CFD數值分析具有指導意義。

本文在對明堂山隧道實際長度和設計射流風機臺數建模時，未考慮交通風動力和自然風阻力的影響，僅做了簡化處理，在后續研究中，期望借助Fluent動網格技術考慮交通風的影響，使數值模擬更加貼合實際。

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Computational Fluid Dynamics (CFD) Analysis of Spatial Layout Optimization of Jet Ventilation Fan Used in Two-lane Road Tunnel

ZHAO Li1, YAN Zhiguo1,2,3

(1.DepartmentofGeotechnicalEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China; 2.StateKeyLaboratoryforDisasterReductioninCivilEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China; 3.KeyLaboratoryofGeotechnicalandUndergroundEngineeringofMinistryofEducation,TongjiUniversity,Shanghai200092,China)

Abstract:The jet ventilation of Mingtangshan Two-lane Road Tunnel is numerically simulated so as to optimize the spatial layout of ventilation fans; and then the factors for the pressure rise of ventilation fan, i.e. longitudinal distance among fans, setting height of fan and transverse distance among fans, are discussed. The authors suggest that the jet fans should be installed at the position higher than building boundary about 15-30 cm； the transverse distance among fans should be 1.5-2 times fan diameter； and the longitudinal distance among fans should be larger than 150 m. The computational fluid dynamics (CFD) simulation results show that the jet ventilation fan after optimization can achieve good effect.

Keywords:Mingtangshan Road Tunnel; jet ventilation fan; spatial layout optimization; numerical simulation; computational fluid dynamics (CFD)

中圖分類號：U 453.5

文獻標志碼：B

文章編號：1672-741X(2016)04-0411-07

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.04.007

第一作者簡介：趙黎(1991—)，男，河北秦皇島人，同濟大學隧道與地下建筑工程專業在讀碩士，研究方向為隧道通風。E-mail: 1009448957@qq.com。

基金項目：山區隧道防災、資源利用及環保技術集成研究(2013318J02120)

收稿日期：2015-09-28; 修回日期: 2015-12-09