基于不同射流溫度的公路隧道縱向間距分析

邵振宇 陳軍強 王文

摘要：為探究不同射流溫度時隧道風機縱向間距的影響，以某公路隧道實際工程為研究背景，運用FLU-ENT軟件，模擬分析了當開啟一組射流風機時，不同射流溫度對隧道內速度場和溫度場的影響。結果表明：在不同射流溫度工況下射流風機縱向控制間距的模擬數值與經驗公式的計算結果吻合，驗證了模擬方法的正確性;射流溫度越高，隧道內溫度衰減趨勢越明顯，誘導段的風機軸線縱向速度越低，從而不利于氣流組織的發展。

關鍵詞：射流溫度;公路隧道;速度場;溫度場;縱向間距

中圖分類號：U403

文獻標識碼：A

文章編號：1674-9944（2018）8-0188-03

1 引言

隧道通風技術是制約長大公路隧道建設的一項重要技術。為長大隧道設計通風系統時，經常選用射流風機。由于公路隧道交通量大，機動車排熱多日一照明系統長期持續運行，導致隧道內溫度不斷升高;再者射流風機工作時本身就是熱源，在長期運行中必然使射流溫度升高。隧道內射流特性及風機位置的優化研究都離不開對速度場、溫度場的分析，而機組的縱向控制間距直接影響射流通風效果。研究基于Fluent軟件，采用標準k-ε湍流模型模擬分析了射流風機出口風速一定、風機吸入并射出不同溫度氣流的條件下，隧道內通風流場變化及射流主體段溫度對風機組縱向控制間距的影響。

2 射流作用范圍的理論分析

射流通風是在隧道中將多組風機按一定間距串聯，利用射流的誘導效應和增壓效應，在隧道中形成空氣的縱向流動·滿足隧道通風換氣的需要[1]。風機性能不僅取決于出口射流的特性，還與人口的吸人流動有關。完善的吸入條件和充分發展的射流，是射流風機正常工作的重要條件，也是獲得良好通風效果的基本保證[2]。為此，風機組之間應保持定的最小縱向距離，以使射流的產生、發展和完成形成一個完整的過程（圖1）。

機組的縱向控制間距lmc可表示為[3]：

lmc=lj+lst=lsu+lin+lst

（1）

式中，lj為風機工作段長度，lst為均勻流長度，lsu為吸人段長度，lin為誘導段長度。

根據射流風機工作原理，風機吸人段長度lsu對縱向控制間距影響很小，按lsu≈1.5de [8]，均勻流長度可按lst≈de控制，其中de為隧道斷面當量直徑。射流通風系統中的高速紊動射流，因伴隨作用延緩了射流的發展過程，使誘導段長度lin成為影響縱向控制間距lmc的主要因素。

誘導段長度lin的回歸方程為 [1]：

lin=（7.16+62.93α-108.2mβ）de

（2）

式中：α為速度比，α= Vt/Vj，Vt與Vj分別為隧道通風速度和射流出口速度;m為風機臺數，m=2;口為面積比，β=Aj/At，At與At分別為射流出口面積和隧道斷面面積;d為隧道的當量直徑。

聯立式（2），整理得到機組縱向控制間距為：

lmc=（9.66+62.93a-108.2mβ）de

（3）

射流風機出口風速、風機尺寸、布置參數對射流誘導段長度均有影響，這些兇素的影響已有理論及試驗研究成果。但風機出口不同射流溫度對誘導段的影響日前未見研究報道。

3 計算模型的建立及邊界設定

3.1 數學模型的假設

在確定主控方程之前，先作如下假設[2]：①隧道內空氣視為不可壓縮流體。②隧道內空氣流動為穩態紊流。③隧道入口風速設為均勻風速。④射流風機假定為一個圓柱體管，風機噴口風速假設為均勻速度。

3.2 幾何模型的建立及網格劃分

為了節省計算時間，截取隧道縱向400 m作為隧道模型的計算長度，按照隧道其他實際尺寸建立幾何模型。隧道斷面高度7.2 m，寬度10.5 m，斷面面積64.07 m2，當量直徑8.18 m。采用長5 m，直徑Im的風機，按2臺1組布置在隧道頂部，風機間距2m，距隧道入口120 m，風機中心距底部6m。模型橫斷面如圖2所示。

應用ICEM CFD劃分網格，需要對隧道和風機兩部分進行網格劃分。隧道內部空間采用非結構四面體網格，風機進出口及表面采用四邊形網格，為確保計算精度，加密風機附近網格。單組風機計算模型的網格總數為798754個，已進行網格無關性檢測。

3.3 邊界條件的設定

應用Fluent軟件對隧道內流場模擬計算時，采用穩態SIMPLE算法，湍流模型選取標準k-ε雙方程模型，速度、溫度求解器均采用三對角矩陣法，離散格式采用二階迎風格式。各個相關參量的松弛因子為0.5，收斂準則均為le-4。

具體的邊界條件設置如下：隧道入口、風機入口和出口沒為速度入口邊界，其中隧道入口風速為3 m/s，風機射流風速為30 m/s;溫度分別沒置為297 K、303K、309 K、314 K。隧道出口設為壓力出口，相對壓力為0。隧道底部和上部設為無滑移壁面邊界，并設定相應的粗糙度;風機壁面設為光滑固體壁面邊界[4]。

4 數值模擬計算結果及分析

4.1 縱向間距的確定和驗證

射流風機縱向最小間距的判斷依據為[5]：①射流與隧道內氣流充分混合，斷面速度分布均勻;②紊流強度趨于穩定;⑧工作段末端對應射流機組的最高升壓面。

以風機射流溫度為297K時隧道軸線的速度及紊流動能分布為例，計算分析射流風機的縱向控制間距，結果如圖3、圖4所示。

由圖3可看出，軸線處（y-6 m）氣流速度在125～140 m范圍內急劇下降，說明該區段誘導效應減弱;速度曲線在243 m處（距離風機出口118 m處）趨于穩定，隧道內氣流呈均勻流態，基本可以確定射流風機的縱向控制間距為118 m。從圖4可看出，軸線處紊流動能有兩個峰值。第一個峰值出現在距離隧道進口120 m處，這是由于此處風機的誘導效應最強，伴隨著隧道空氣的劇烈運動，紊流動能達到最大值;第二個峰值在距離隧道入口180 m處，南于紊動現象使得射流主體不斷卷吸周圍流體，伴隨紊動的發展，被卷吸并與射流一起運動的流體不斷增多，在180 m處紊動達到充分發展。之后卷吸作用逐漸減弱，射流主體和周圍空氣逐漸混合，到245 m左右（距離風機出口120 m）紊動趨于平穩。綜合圖3、圖4可以得出，當射流出口溫度為297 K時，縱向控制間距確定為118 m較為合理。

由模擬結果可知，297 K時隧道內的通風速度Vt為3.31 m，/s，聯立數據代入公式（3）算得風機的縱向控制間距為111 m，與模擬計算出的結果基本吻合，由此驗證了模擬方法的正確性。

4.2 不同溫度工況下隧道速度場和溫度場的分析

圖5所示為不同溫度工況下由風機出口至距隧道入口250 m范圍內風機軸線縱向速度分布圖。

由圖5可以看出：①距風機出口5 m范圍內，風機軸線縱向速度急劇減小，不同溫度工況下速度分布趨勢基本一致。這是由于風機出口處射流風速較大，軸線方向紊動劇烈，并不斷卷吸周圍流體，使得速度驟降，溫度對速度分布趨勢影響極小[6]。②距風機出口5m后，速度沿程衰減，最后趨于平穩，各工況下趨于平穩的位置大概都在240 m左右（距風機出口115 m）。③在距隧道入口125～175 m范圍內，射流溫度越高，風機軸線速度反而越低。這是由于風機出口溫度較高，出現回流現象，回流會導致大量的能量被消耗，不利于氣流組織的發展。④根據Fluent計算結果得出，溫度在297 K、303K、309 K、314 K工況下，隧道通風趨于穩定狀態時的風速分別是3.31 m;s、3.18 m，/s、3.30 m/s、3.30 m/s。通過比較模擬值和理論計算值，得出溫度在各工況下的風機縱向間距分別是118 m、112 m、115 m、115 m。由此看出隨著溫度的升高，風機縱向間距先逐漸減小，在303 K左右達到最小值，后緩慢增大，在309 K后溫度對縱向間距的影響減弱，縱向間距不再變化，最終穩定在115 m左右。

不同溫度工況下由風機出口至距隧道入口250 m范圍內風機軸線縱向溫度分布如圖6所示。

由圖6可以看出：①氣流進入射流風機時，溫度急劇上升，在風機出口處溫度達到最大值，在風機出口5m范圍內，風機軸線溫度急劇下降。之后沿程衰減，最終趨于平穩，說明隧道內氣流組織進入均勻流段。②在溫度急劇上升階段，射流溫度越高，其峰值越大，上升的趨勢也越明顯。同樣在溫度急劇下降階段，射流溫度越高，其下降的趨勢也越明顯。這是由于射流出口溫度越高時，風機軸線縱向溫度的波動越大，隧道內氣流組織的擾動越劇烈。③射流出口溫度在297 K、303 K、309K、314 K時，溫度趨于平穩的位置分別是197 m、210m、215 m、223 m。說明溫度越高，風機軸線縱向溫度趨于平穩的距離越遠，溫度衰減也越大，不利于隧道內氣流組織的發展。

5 結語

應用Fluent軟件，通過對某長大公路隧道入口的一組風機在4種不同射流溫度工況下隧道內溫度場和速度場的模擬分析，得出以下結論。

（1）根據數值模擬與運用經驗公式計算確定的射流風機縱向間距，計算結果接近，驗證了模擬分析的可行性。在工程實踐中，可利用兩種方法互相驗證來確定風機的縱向間距。

（2）同組射流風機噴出的兩股高速氣流在射流發展過程中會相互吸引混合，沿隧道縱向方向衰減，最終達到均勻流狀態。在不同射流溫度工況下，溫度越高，誘導段的風機軸線縱向速度越低，風機縱向控制闖距相應變大，從而影響了射流效率，不利于氣流組織的發展。

（3）射流溫度在303 K左右時對風機縱向間距的影響較明顯，比溫度在297 K和314 K工況下間距縮短了2.6%～5%。當溫度小于297 K或大于309 K時，對射流風機縱向間距的影響較小。

參考文獻：

[1]高孟理.武金明，孫三祥.隧道射流通風系統的優化分析[J].中國公路學報，2002（3）：66～69.

[2]李曉菲，孫三祥，吳林莊，公路隧道射流通風系統風機縱向間距分析[J].制冷與空調，2016，16（3）：26～29+53.

[3]孫三祥，高孟理。武金明，雙向行車公路隧道射流通風系統優化分析[J].公路交通科技，2006，23（12）：106～110.

[4]曹學明，張忠澤，公路隧道縱向射流通風數值模擬與分析[J].制冷與空調，2011，25（6）：558～561.

[5]楊秀軍，王曉雯，陳建忠.公路隧道通風中射流風機縱向最小間距研究[J].重慶交通大學學報，2008，27（1）：40～43.

[6]王松，任剛.公路隧道縱向射流通風的三維數值模擬與分析[J].建筑熱能通風空調，2015，34（2）：46～48.