高豎井雙向公路隧道集中送風(fēng)模式分析

陳外才　陳林翼

摘 要：分析高豎井雙向公路隧道熱位差對(duì)公路隧道集中送風(fēng)的影響規(guī)律，進(jìn)而優(yōu)化高豎井雙向公路隧道通風(fēng)模式。

關(guān)鍵詞：高豎井雙向公路隧道；熱位差；集中送風(fēng)；數(shù)值模擬

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.19.084

0 引言

深埋長(zhǎng)大公路隧道一般都會(huì)設(shè)置高豎井，高豎井內(nèi)易產(chǎn)生較大的熱位差，將極大地影響公路隧道通風(fēng)。分析豎井內(nèi)熱位差對(duì)公路隧道運(yùn)營(yíng)通風(fēng)的影響，深入研究高豎井雙向公路隧道合理的通風(fēng)方案，可避免高豎井雙向公路隧道通風(fēng)能耗嚴(yán)重或通風(fēng)不足。

1 模型分析

公路隧道長(zhǎng)6000m高9m，豎井寬6m高600m（參考秦嶺鐘南山公路隧道最高豎井高度），隧道兩端洞口設(shè)置100m x 609m空氣流場(chǎng)。公路隧道豎井與兩端空氣域等高，隧道與兩端空氣域一起構(gòu)成U型管連通器通風(fēng)系統(tǒng)。

2 熱位差對(duì)高豎井雙向公路隧道集中送風(fēng)影響分析

進(jìn)行Fluent數(shù)值模擬，公路隧道運(yùn)營(yíng)環(huán)境溫度設(shè)置為：0℃、10℃、20℃、30℃，公路隧道兩端洞口溫度取運(yùn)營(yíng)環(huán)境溫度，豎井口溫度分別取-3.6℃、6.4℃、16.4℃、26.4℃，公路隧道壁溫取20℃。豎井送風(fēng)壓取100Pa、200Pa、300Pa，公路隧道兩端洞口都取一個(gè)大氣壓，隧道壁粗糙度設(shè)置為0.07，雙向公路隧道兩個(gè)方向都有來(lái)車(chē)，不考慮隧道交通風(fēng)壓。在Fluent軟件中根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置模擬系數(shù)，開(kāi)能量方程進(jìn)行數(shù)值模擬，各工況模擬計(jì)算結(jié)果如表1。

根據(jù)表1和圖2分析，高豎井雙向公路隧道冬季（取0℃環(huán)境溫度條件的模擬數(shù)據(jù)分析）運(yùn)營(yíng)采用豎井集中送風(fēng)方案的通風(fēng)情況如下：（1）豎井送風(fēng)壓低于200Pa時(shí)，隧道處于集中排風(fēng)狀態(tài)，送風(fēng)壓無(wú)法克服豎井內(nèi)浮升熱位差送風(fēng)。且隨著送風(fēng)壓增大，隧道和豎井內(nèi)風(fēng)速逐漸減小。（2）豎井送風(fēng)壓增大到200Pa時(shí)，隧道仍處于集中排風(fēng)狀態(tài)（弱排風(fēng)狀態(tài)），隧道和豎井風(fēng)速降至最低（送風(fēng)壓剛好克服浮升熱位差）。（3）豎井送風(fēng)壓增大到300Pa時(shí)，隧道通風(fēng)狀態(tài)開(kāi)始轉(zhuǎn)變成集中送風(fēng)狀態(tài)（豎井內(nèi)送風(fēng)壓克服浮升熱位差往隧道內(nèi)送風(fēng)），隧道和豎井內(nèi)風(fēng)速開(kāi)始隨著送風(fēng)壓增大逐漸增大。故高豎井雙向公路隧道冬季運(yùn)營(yíng)采用豎井集中送風(fēng)方案通風(fēng)能耗浪費(fèi)嚴(yán)重，此時(shí)送風(fēng)機(jī)需克服豎井內(nèi)浮升熱位差才能向隧道內(nèi)送風(fēng)，且豎井越高需克服的浮升熱位差越大。因此，高豎井雙向公路隧道冬季運(yùn)營(yíng)應(yīng)采用豎井集中排風(fēng)方案（有效利用浮升熱位差）。

由圖3知，高豎井雙向公路隧道夏季（30℃環(huán)境溫度）運(yùn)營(yíng)采用豎井集中送風(fēng)方案時(shí)，空氣從隧道外流入豎井（空氣加熱升溫時(shí)間較短），難以形成有效的沉降熱位差，熱位差作用極小，隧道和豎井內(nèi)風(fēng)速取決于豎井送風(fēng)壓大小（類似于純機(jī)械通風(fēng)）。此時(shí)，隨著豎井送風(fēng)壓增大，隧道和豎井內(nèi)風(fēng)速迅速增大（隧道一直處于集中送風(fēng)狀態(tài)），且風(fēng)速增大的速率逐漸增大，豎井內(nèi)風(fēng)機(jī)的送風(fēng)壓對(duì)隧道風(fēng)速影響越大。而高豎井雙向公路隧道夏季運(yùn)營(yíng)采用豎井集中排風(fēng)方案時(shí)，空氣經(jīng)過(guò)隧道段長(zhǎng)時(shí)間降溫，進(jìn)入豎井后形成較大的沉降熱位差，不利于隧道集中排風(fēng)，豎井內(nèi)風(fēng)機(jī)需克服較大的沉降熱位差（功耗大）往豎井外排風(fēng)。因此，高豎井雙向公路隧道夏季運(yùn)營(yíng)應(yīng)采用豎井集中送風(fēng)方案，以避免嚴(yán)重的能耗浪費(fèi)現(xiàn)象。但采用此方案污染空氣易在公路隧道兩端洞口積聚形成光幕效應(yīng)（隧道兩端洞口排出污染空氣）。對(duì)于單洞雙向公路隧道，兩個(gè)方向都有車(chē)輛進(jìn)出，隧道洞口容易發(fā)生交通事故，需加強(qiáng)隧道兩端洞口實(shí)時(shí)監(jiān)控，以防止洞口光幕效應(yīng)。

3 結(jié)論

高豎井雙向公路隧道合理設(shè)計(jì)通風(fēng)方案，可有效降低能耗或避免能耗浪費(fèi)：

（1）高豎井雙向公路隧道冬季通風(fēng)應(yīng)采用豎井集中排風(fēng)方案，可有效降低隧道通風(fēng)能耗；

（2）高豎井雙向公路隧道夏季通風(fēng)應(yīng)采用豎井集中送風(fēng)方案，可避免隧道通風(fēng)能耗浪費(fèi)，但需加強(qiáng)隧道兩端洞口監(jiān)控，避免隧道洞口出現(xiàn)光幕效應(yīng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳外才.帶豎井公路隧道運(yùn)營(yíng)通風(fēng)熱位差利用數(shù)值模擬[D].長(zhǎng)安大學(xué)，2015.

作者簡(jiǎn)介：陳外才（1986-），男，四川成都人，研究生，中級(jí)工程師，主要研究方向：橋梁與隧道工程。