基于熱力學的單向單豎井公路隧道冬季通風模式分析

陳外才 陳林翼

摘 要：分析熱位差對單向單豎井公路隧道冬季通風的影響規律，優化單向單豎井公路隧道冬季通風模式。

關鍵詞：單向單豎井公路隧道；熱位差；排送組合通風；數值模擬

單向單豎井公路隧道冬季運營時，排風井內存在較大的浮升熱位差（排風井內空氣較輕），研究如何利用排風井內浮升熱位差通風，可有效降低隧道通風能耗。

1 模型分析

隧道模型長6000m高9m，隧道進洞口坐標為（0，0），作為隧道起始點，隧道中間設置豎井，豎井高600m，總寬度為6m，其中排風井寬3m，送風井寬3m，并在隧道兩端洞口各加上100m×609m的外部空氣流場。隧道豎井與兩端空氣域等高，隧道與兩端空氣域一起構成U型管連通器通風系統。

2 單向單豎井公路隧道熱位差利用研究

因公路隧道一般建設在山嶺里，Fluent軟件數值模擬中的公路隧道冬季運營環境溫度設置為：-10℃、0℃、10℃，公路隧道兩端洞口溫度取運營環境溫度，豎井口溫度分別取-13.6℃、-3.6℃、6.4℃，公路隧道壁溫取20℃。公路隧道交通風壓可簡化為送風井內送風壓，為簡化模擬條件，故不設置交通風，豎井送風壓設置為：100Pa、200Pa、300Pa、400Pa、500Pa，公路隧道兩端洞口都取一個大氣壓，隧道壁粗糙度設0.07。在Fluent軟件中根據實際情況設置模擬系數，開能量方程進行數值模擬，各工況模擬計算結果如下表。

由上表知，單向單豎井公路隧道冬季（取0℃環境溫度條件的模擬數據分析）運營通風情況如下：（1）送風井內送風壓低于300Pa時，送風井內空氣密度與排風井內空氣密度分布情況基本一樣，因此送風井與排風井內浮升熱位差一樣，且兩個井都處于排風狀態。（2）送風井內送風壓增大到400Pa時，送風井內空氣密度與排風井內空氣密度分布情況開始分化，因排風井內空氣升溫時間遠大于送風井內空氣升溫時間，排風井內空氣平均溫度最終將接近壁溫，排風井內空氣密度遠低于隧道外空氣密度，排風井內存在較大的浮升熱位差，排風井處于自然排風狀態，且排風效果較好。同時送風井內空氣與外界空氣溫差不大（空氣升溫時間極短），送風井內空氣密度與隧道外空氣密度相近，浮升熱位差極小（利于送風井送風），此時送風井風機只需較小功耗克服浮升熱位差向隧道送風。故單向單豎井公路隧道冬季運營通風方案中關閉排風井內排風機，打開送風井內送風機送風具有一定可行性。

單向單豎井公路隧道冬季運營時送風井內風速隨送風壓增大存在突變現象，當送風壓小于某個臨界值時（送風壓未能克服送風井內浮升熱位差），送風井內處于排風狀態，送風井內風速隨送風壓增大逐漸減小。而當送風壓超過該臨界值時（送風壓剛好克服送風井內浮升熱位差），送風井內通風狀態由排風狀態轉變為送風狀態，且送風井內風速急劇增大，遠大于之前排風狀態下的風速。

分析知：單向單豎井公路隧道在-10℃環境溫度中運營時送風井送風壓臨界值介于400Pa至500Pa之間，在0℃環境溫度中運營時送風井送風壓臨界值介于300Pa至400Pa之間，在10℃環境溫度中運營時送風井送風壓臨界值介于100Pa至200Pa之間，送風井內送風壓取送風壓臨界值時隧道處于排送組合通風狀態，其通風節能效果最優。

3 結論

單向單豎井公路隧道冬季運營排送組合通風方案優化如下：

（1）送風井內存在送風壓臨界值，送風壓取該臨界值隧道通風節能效果最佳，且該臨界值與送風井內熱位差大小存在正相關性。

（2）關閉排風井內風機，打開送風井內部分送風機，送風壓取臨界值，可確保隧道冬季運營通風能耗最低。

參考文獻：

[1]陳外才.帶豎井公路隧道運營通風熱位差利用數值模擬[D].長安大學，2015.

作者簡介：陳外才（1986-），男，漢族，四川成都人，碩士，中級工程師，主要研究方向：橋梁與隧道工程；陳林翼（1995-），男，漢族，湖南郴州人，本科，主要研究方向：工程管理。