西秦嶺隧道互補式通風數值仿真分析

周家才,熊 雅,王建宇,王亞瓊

(1.中交第二勘察設計研究院有限公司,湖北武漢 430052; 2.長安大學陜西省公路橋梁與隧道重點實驗室,陜西西安 710064)

西秦嶺隧道互補式通風數值仿真分析

周家才1,熊 雅2,王建宇2,王亞瓊2

(1.中交第二勘察設計研究院有限公司,湖北武漢 430052; 2.長安大學陜西省公路橋梁與隧道重點實驗室,陜西西安 710064)

為研究換氣風量與換氣通道位置對互補式通風隧道內污染物濃度的影響規律,建立隧道通風三維數值仿真計算模型,分析4種不同組合工況下換氣風量和換氣通道位置對污染物濃度的變化影響。結果表明:隨著換氣風量的增加,上坡隧道排風段污染物濃度減小,下坡隧道全段污染物濃度減小;隨著換氣通道與上坡隧道入口距離的增加,上坡隧道排風段污染物濃度增加,下坡隧道排風段污染物濃度減小。

隧道工程;互補式通風;污染物濃度;三維數值仿真

0 引 言

近年來,世界各國的隧道專業人員一直致力于隧道通風的程序化[1-4],如易賽莉等基于計算流體動力學模型,通過數值模擬試驗和理論分析,研究隧道火災的發生、發展狀況以及延期的擴散和運動規律[5];祝兵等采用有限元法進行隧道射流通風和具有射流調壓的豎井吸出式通風系統的空氣動力學特性數值研究[6];王永東等在Matlab語言環境下,按照不同的通風方案,調用相關功能模塊進行組合,實現了長大公路隧道多種通風方案的比選和運營調控效果的數值模擬[7];王亞瓊等采用Fluent軟件建立模型,通過改變隧道壁面粗糙單元的高度、間距以及斷面直徑等控制因素來研究通風摩阻的變化[8-14]。

本文依托西秦嶺特長公路隧道工程,采用理論計算和流體應用軟件Fluent進行數值模擬,對雙洞互補式通風方式下換氣風量與換氣通道在隧道內位置的不同情況進行模擬,得出換氣風量與換氣通道位置對隧道內污染物濃度的影響規律,用以指導隧道后期的運營管理。

1 工程概況

十堰至天水高速公路是福州至銀川國家高速公路(G70)的橫向聯絡線,東起湖北省十堰市,西至甘肅省天水市,走向與316國道大致相同,自東向西依次連接了福銀高速(G70)、包茂高速(G65)、京昆高速(G5)和連霍高速(G30)四條國家級高速公路,途經湖北、陜西、甘肅三省,全線規劃總里程約833 km。

西秦嶺特長公路隧道位于徽縣大石碑——徽縣立交路段,是十天高速甘肅段全線控制性工程,穿越軟巖大變形和斷裂破碎帶,地質情況極為復雜,施工難度極大。隧道相關參數如表1所示。

表1 西秦嶺特長公路隧道相關參數

西秦嶺公路隧道左右洞遠期需風量極不平衡,左線遠期需風量為598.18 m3·s-1,右線遠期需風量為291.13 m3·s-1,左洞的遠期需風量是右洞需風量的2.055倍。通風負荷較小的隧道內由于需風量遠小于其最大允許通風量,采用最經濟的縱向通風方式就可以滿足通風需求;而通風負荷較大的隧道內風速達到9.53 m·s-1,因此采用雙洞互補式網絡通風方式,在上行線與下行線之間增加2處換氣通道,使上、下行線的通風資源得到有效利用[15-17],且運用右洞遠期富余的新風可以減少左洞通風井的建設費用。

2 數值仿真模型的建立

2.1 數學模型

運用計算流體力學軟件Fluent建立1∶1的隧道通風數值仿真模型,由于運營期間隧道內流體流動狀態為湍流狀態,因此選擇k-e湍流模型,控制方程組如式(1)、(2)所示。

連續性方程

動量方程

式中:ρ為流體介質的密度(m3·s-1);t為時間(s); υi、υj為速度分量(m·s-1);υ'i、υ'j為速度分量的脈動值(m·s-1);xi、xj為位置張量;p-為壓強的平均值(Pa)

2.2 物理模型與參數

模型全長5 600 m,斷面面積為62.79 m2,換氣通道縱向間距為100 m。1#換氣通道位于近上坡隧道入口側,其一側連接上坡隧道排風口,另一側連接下坡隧道送風口;2#換氣通道位于近下坡隧道出口側,其一側連接上坡隧道送風口,另一側連接下坡隧道排風口。計算過程中隧道入口、出口的相對大氣壓為0 Pa,隧道沿程阻力系數為0.002。互補式通風隧道模型如圖1所示。

圖1 互補式通風隧道模型

3 研究結果與分析

計算過程中固定2#換氣通道風量為350 m3·s-1,變化1#換氣通道風量,使其從300 m3·s-1依次遞增到450 m3·s-1;上坡隧道污染物排放量為2.939 cm3·m-3,下坡隧道污染物排放量為0.704 cm3· m-3;調整換氣通道相對位置分別為2 240、2 800、3 360、3 920 m,研究換氣風量與煙氣通道位置對隧道內污染物濃度分布的影響規律。

3.1 換氣風量對污染物濃度分布的影響規律

工況1下,即換氣通道距上坡隧道入口2 240 m時,隧道風量計算結果如圖2、3所示。

圖2 工況1上坡隧道風量分布

圖3 工況1下坡隧道風量分布

由圖2、3可以看出:換氣通道位于距上坡隧道入口2 240 m時,隨著1#通道換氣風量由300 m3·s-1增加至450 m3·s-1,上坡隧道的排風段風量增加27.65%,送風段風量減小14.53%,短道風量減小133.6%,短道流態由順流轉為回流;下坡隧道的排風段風量增加26.33%,送風段風量增加81.88%,短道風量明顯增加,短道流態由回流轉為順流。

工況2下,即換氣通道距上坡隧道入口2 800 m時,隧道風量計算結果如圖4、5所示。

圖4 工況2上坡隧道風量分布

圖5 工況2下坡隧道風量分布

由圖4、5可以看出:換氣通道距上坡隧道入口2 800 m處,隨著1#通道換氣風量由300 m3·s-1增加至450 m3·s-1,上坡隧道的排風段風量增加23.23%,送風段風量減小17.52%,短道風量減小148.4%,短道流態由順流轉為回流;下坡隧道的排風段風量增加22.42%,送風段風量增加76.55%,短道風量明顯增加,短道流態由回流轉為順流。

工況3下,即換氣通道距上坡隧道入口3 360 m時,隧道風量計算結果如圖6、7所示。

圖6 工況3上坡隧道風量分布

由圖6、7可以看出:換氣通道距上坡隧道入口3 360 m時,隨著1#通道換氣風量由300 m3·s-1增加至450 m3·s-1,上坡隧道的排風段風量增加19.43%,送風段風量減小20.41%,短道風量減小160.2%,短道流態由順流轉為回流;下坡隧道的排風段風量增加18.63%,送風段風量增加71.38%,短道風量明顯增加,短道流態為順流。

工況4下,即換氣通道距上坡隧道入口3 920 m時,隧道風量計算結果如圖8、9所示。

圖7 工況3下坡隧道風量分布

圖8 工況4上坡隧道風量分布

圖9 工況4下坡隧道風量分布

圖10 工況1上坡隧道污染物濃度

圖11 工況1下坡隧道污染物濃度

圖12 工況2上坡隧道污染物濃度

圖13 工況2下坡隧道污染物濃度

由圖8、9可以看出:換氣通道距上坡隧道入口3 920 m時,隨著1#換氣通道換氣風量由300 m3·s-1增加至450 m3·s-1,上坡隧道的排風段風量增加15.75%,送風段風量減小23.21%,短道風量減小169.9%,短道流態由順流轉為回流;下坡隧道排風段風量增加14.96%,送風段風量增加66.38%,短道風量明顯增加,短道流態由回流轉為順流。

3.2 換氣通道位置對污染物濃度分布的影響規律

分別計算工況1~4換氣通道位置對污染物濃度分布的影響,結果如圖10~17所示。

由圖10、11可以看出:換氣通道距上坡隧道入口2 240 m時,隨著1#通道換氣風量由300 m3·s-1增加至450 m3·s-1,上坡隧道排風段污染物濃度最大值C1減小21.36%,送風段污染物濃度最大值C2增加0.32%,短道污染物濃度減小24.05%;下坡隧道的排風段污染物濃度最大值C3減小20.84%,送風段污染物濃度最大值C4減小29.19%,短道污染物濃度減小36.6%。

圖14 工況3上坡隧道污染物濃度

圖15 工況3下坡隧道污染物濃度

圖16 工況4上坡隧道污染物濃度

圖17 工況4下坡隧道污染物濃度

由圖12、13可以看出:換氣通道距上坡隧道入口2 800 m時,隨著1#通道換氣風量由300 m3·s-1增加至450 m3·s-1,上坡隧道排風段污染物濃度最大值C1減小18.85%,送風段污染物濃度最大值C2增加0.13%,短道污染物濃度減小30.46%;下坡隧道的排風段污染物濃度最大值C3減小18.32%,送風段污染物濃度最大值C4減小28.33%,短道污染物濃度減小36.21%。

由圖14、15可以看出:換氣通道距上坡隧道入口3 360 m時,隨著1#通道換氣風量由300 m3·s-1增加至450 m3·s-1,上坡隧道排風段污染物濃度最大值C1減小16.27%,送風段污染物濃度最大值C2減小1.03%,短道污染物濃度減小38.84%;下坡隧道排風段污染物濃度最大值C3減小15.71%,送風段污染物濃度最大值C4減小27.28%,短道污染物濃度減小34.95%。

由圖16、17可以看出:換氣通道距上坡隧道入口3 920 m時,隨著1#通道換氣風量由300 m3·s-1增加至450 m3·s-1,上坡隧道排風段污染物濃度最大值C1減小13.61%,送風段污染物濃度最大值C2減小4.1%,短道污染物濃度減小48.25%;下坡隧道排風段污染物濃度最大值C3減小13.02%,送風段污染物濃度最大值C4減小26.09%,短道污染物濃度減小33.38%。

4 結 語

(1)結合西秦嶺特長公路隧道雙洞互補式通風方式,運用Fluent流體力學軟件,建立1∶1三維數值仿真模型進行模擬,分析了不同工況下換氣風量和換氣橫通道位置對污染物濃度分布的影響規律。

(2)隨著1#通道換氣風量增加,上坡隧道排風段風量明顯增加,且污染物濃度明顯減小,送風段風量與污染物濃度呈減小趨勢;下坡隧道排風段、送風段的風量均增加,其污染物濃度均減小。

(3)隨著換氣通道距上坡隧道入口距離的增加,上坡隧道排風段污染物濃度增加,其受換氣風量變化的影響程度減小;送風段污染物濃度減小,其受換氣風量變化的影響程度增加。

(4)隨著換氣通道距上坡隧道入口距離的增加,下坡隧道排風段污染物濃度減小,其受換氣風量變化的影響程度減小;送風段污染物濃度增加,其受換氣風量變化的影響程度減小。

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[責任編輯:杜敏浩]

Numerical Simulation Analysis of Complementary Ventilation in West Qinling Mountains Tunnel

ZHOU Jia-cai1,XIONG Ya2,WANG Jian-yu2,WANG Ya-qiong2
(1.CCCC Second Highway Consultants Co.,Ltd.,Wuhan 430052,Hubei,China;2.Shaanxi Provincial Major Laboratory for Highway Bridge&Tunnel,Chang?an University,Xi?an 710064,Shaanxi,China)

In order to study the influence of the ventilation volume and the ventilation channel position on the concentration of pollutants in the complementary ventilation tunnel,a threedimensional numerical simulation model of the tunnel ventilation was established.The effects of ventilation volume and ventilation channel position on the concentration of pollutants in four different combinations were analyzed.The results show that with the increase of ventilation volume,the concentration of pollutants in the exhaust section of the uphill tunnel and the whole downhill tunnel decreases;with the increase of the distance between the ventilation channel and the entrance to the uphill tunnel,the pollutant concentration in the exhaust section of the uphill tunnel increases,while that of the downhill tunnel decreases.

tunnel engineering;complementary ventilation;pollutant concentration;threedimensional numerical simulation

U453.5

B

1000-033X(2017)07-0059-05

2017-01-05

國家自然科學基金項目(51408554);中央高校基本科研業務費專項資金項目(2013G1502027,2013G3214011)

周家才(1963-),男,湖北天門人,高級工程師,研究方向為交通工程。