基于流體力學的三維數值模擬隧道通風影響因素研究綜述

王閱章 李鳴 宿成智 張立爽 閆少澤

摘? 要：隨著近年來隧道工程得到不斷的高速發展，在隧道開挖過程中的通風方案的優劣影響著整個隧道工程。流體力學軟件的發展給如何對隧道通風方案進行優化帶來了實際指導意義。本文針對各個學者利用流體力學計算軟件進而研究出的影響隧道通風的一些因素的成果進行歸納總結，其研究結論對于隧道施工中通風方案的優化具有實際的工程意義。

關鍵詞：隧道通風? 流體力學? 三維數值模擬? 影響因素

中圖分類號：TV554.15? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）12（c）-0059-03

Abstract： With the rapid development of tunnel engineering in recent years， the quality of ventilation scheme during tunnel excavation affects the whole tunnel engineering. The development of fluid mechanics software provides practical guidance for the optimization of tunnel ventilation scheme. In this paper， the results of some factors affecting tunnel ventilation obtained by various scholars by using fluid mechanics calculation software are summarized， and the research conclusions are of practical engineering significance for ventilation scheme optimization in tunnel construction.

Key Words： Tunnel ventilation; Fluid mechanics; Three-dimensional numerical simulation; Influencing factor

在交通飛速發展的現代，隧道工程的發展也變得十分迅速。隧道作為一個相對比較封閉的環境其出入口相對比較少、通風照明的條件比較差，并且疏散路線比較長。隨著開挖隧道的深度和長度的加大，開挖過程中瓦斯等有害氣體的突出現象也十分普遍，因此對于隧道通風影響因素的研究迫在眉睫。隨著信息技術的普及，計算流體力學（ Computa-tional Fluid Dynamics，CFD）、FLUENT等有限元軟件在各種流體仿真模擬領域得到了廣泛使用，國內外也有學者采用該方法在隧道施工通風中并且取得了不錯的成果[1]。采用有效的三維數值模擬的方式可以模擬出隧道中瓦斯等有害氣體發生突出的位置，并且通過在模型中不斷調整通風方案也可以找到最優的通風方式。本文歸納了國內眾多學者基于流體力學的三維數值模擬研究出的一些隧道通風影響因素。

1? 流體力學數值模擬

數值模擬主要是指利用計算機來獲得流體力學和彈塑性動力學模型等一維或三維的線性和非線性偏微分方程、常微分方程、積分方程、泛函方程以及代數方程的一個封閉方程組的數值解[2]。近年來世界上應用最廣泛的流體力學三維數值模擬軟件就是CFD（Computational Fluid Dynamic）。

現有的流體力學計算軟件都經過了大量的工業測試，用戶可以節省大量的代碼編寫時間去專注于所需要解決的物理現象，并且通用的流體計算軟件的使用范圍比較廣泛，用戶往往可以只采用一款流體力學計算軟件就可以應用于絕大多數的物理現象。

目前國內隧道通風的研究絕大部分都是采用流體力學計算軟件對隧道進行三維模擬后改變控制條件得出研究成果。大量學者[3-14]基于實際工程建立隧道通風模型并與實際工程數據進行比對驗證了模型的準確性后，更加直觀、精準地分析研究出了隧道工程中影響通風的一系列因素。

2? 通風影響因素

2.1 風筒直徑

王禮、吳超[3，4]等人采用定性定量的方式分析出如果條件允許應盡可能的選擇大直徑風筒來改善隧道的通風情況。但是風筒直徑過大會使工程投資的費用增加，也會減緩施工進程;王凱[5]利用FLUENT對西曲礦8103掘進工作面粉塵測點布置巷道內粉塵進行模擬研究，采用（0.6m，0.7m，0.8m）三種不同直徑的風筒進行對比驗證得出直徑為0.7m的風筒為粉塵濃度最小的最優選擇。。李波[6]也通過控制風筒直徑為變量，采用FLUENT建立隧道模型進行分析得出，如果采用直徑比較大的風筒可以降低風阻同時也可以降低漏風率，但是會增加工程的投資費用。如果采用小直徑的風筒，雖可以減少工程投資金額，但是會加大風筒的通風阻力從而增加風機的功耗，最后導致通風系統的工程費用增加。這說明風筒的選擇不是一味追求大直徑，而是要結合工程實際，考慮經濟效益和實際通風量進行選擇。

2.2 風筒懸掛位置

張云龍[7]等針對白楊林瓦斯隧道實際工況采用Gambit作為前處理建立隧道模型，研究得出當風管懸掛于單側時，另一側的風速明顯大于其余區域的風速，這表明另一側的通風效果較好。而在風管一側產生了回流區進而大大地影響了其通風效果。劉敦文[8]等根據重慶某公路瓦斯工程實際尺寸利用Gambit建立了三維隧道模型，他們的研究表明風筒分別位于拱腰、拱頂、拱腳這三處不同的地方時，隧道掌子面的瓦斯濃度不同，當風筒懸掛于拱腰處時掌子面的瓦斯濃度明顯低于拱頂于拱腳處的掌子面瓦斯濃度。同時由于風筒位置不同也會引起風流場受到改變從而改變了瓦斯的擴散范圍。因為，在瓦斯隧道掌子面的作業過程中應將風筒設置在拱腰附近的范圍內，可以有效的減少瓦斯的濃度進而提高工程進度。張恒[9]等利用ICEM對鷓鴣山瓦斯隧道進行數值模擬，旨在研究出不同風筒懸掛位置對隧道瓦斯濃度的影響并采用FLUENT進行求解，研究得出由于瓦斯的密度比空氣的密度要小，瓦斯更易聚積在隧道的頂部，因而風管布置在較高的位置比布置在較低的位置其掌子面處的風速分布均勻并且更有利于瓦斯的稀釋。

2.3 風筒口距掌子面的距離

根據壓入式隧道通風的風流射流、回流的特性，將隧道通風的流場主要分為渦流區、渦流影響區和穩定區三個區域。風筒口距掌子面的不同距離會改變隧道中的風流流場，這會改變瓦斯在隧道中的“運移”過程，最終影響瓦斯在隧道中的濃度變化[5]。張云龍[6]等利用CFD模擬隧道并與現場數據比對得出風管末端距離掌子面越大在掌子面降低瓦斯濃度的效果越差，瓦斯的聚集現象就越明顯。宋駿修[10]等對隧道通風中粉塵問題運用ANSYS ICEM CFD建立模型研究得出當風筒的位置布置得過大或過小時，粉塵沿隧道的濃度比較大，而當風管的距離布置適中時，隧道通風排塵效果比較好。劉春[11]等利用FLUENT軟件建立數學模型并與實際工程數據比對后研究得出同一斷面下的瓦斯濃度分布不均勻，隧道中導致回流區發生變化的范圍與風筒到掌子面的距離成正相關，并且隨著它們的距離加大，瓦斯濃度平穩的地方區域也跟著加大，并發現隧道中瓦斯在隧道中的濃度沿著隧道呈現出“下降-上升-平衡”的分布形式。邱童春[12]也利用FLUENT針對螺旋隧道施工建立模型研究得出風管口越接近掌子面，掌子面的瓦斯濃度就越低，但其周圍區域的濃度值就會隨之增大。因而風筒口到掌子面的距離應綜合考慮。同時張恒[9]等也研究得出不同的風筒距掌子面的距離大大影響了掌子面周圍區域的風速，如果風筒口離掌子面太近則會造成掌子面附近的風速有很大的差異;如果風筒口離掌子面太遠則會在掌子面附近形成渦流區也會影響瓦斯的排出從而導致掌子面附近的瓦斯濃度升高。

2.4 通風風速

陳乾陽[13]等運用CFD模擬了某客運隧道專線對隧道內部在不同風速下的溫度進行研究，模擬結果顯示僅僅改變通風速度對隧道內的最大氣溫沒有很多影響，在一定范圍內增加隧道的通風速度只會導致隧道內部氣溫減小的面積越大。當風速超過一定限額之后，氣溫降低的范圍增加幅度變小。邱童春[12]等人的研究則表明風管的通風風速越大，則風管末端瓦斯的濃度就越低。因此在不超過規范所規定的的風速前提下，在工程所能承擔的經濟范圍內，風管的通風速度越大對于降低瓦斯濃度的效果越好，并且能過增大隧道一定的氣溫降低范圍。

2.5 其他因素

除以上常見因素以外，還有研究人員也利用基于三維數值模擬軟件從不同的角度來探索影響隧道通風的因素。何坤[14]等基于實際隧道工程利用FLUENT軟件建立隧道模型研究了不同隧道掘進長度、斷面的尺寸以及洞壁的粗糙高度對通風流場的影響，最后分析表明當隧道掘進長度小于一定范圍時僅僅靠壓入式通風也能滿足最低通風要求;當隧道的掘進長度超過一定范圍時，需要采取負壓排風輔助通風。同時得出了結論，洞壁粗糙高度對隧道通風影響不大，實際通風中應該注重通風方案以及隧洞長度和斷面大小等方面。同時，通風的風量也是影響隧道通風的一個關鍵因素[15-16]。

2.6 影響因素重要性對比

劉敦文、李波[6，8]對風筒懸掛位置、風筒口距掌子面的距離以及風筒直徑的重要性進行正交實驗，對比得出三者重要性的排名為風筒直徑>風筒懸掛位置>風筒口距掌子面距離。故在考慮優化隧道通風工程時，應優先考慮最佳的風筒直徑，再考慮其余兩者因素。重要性的排名可以給實際工程中優化隧道通風項目提供參考，可以在同樣的投資下獲得更好的通風效果。

3? 結語

通過以上學者關于影響隧道通風的因素的研究可以證明采用流體力學數字模擬計算軟件可以有效、直觀的得到數值結果，并且便于對于各個影響參數進行比對分析，從而提高對于隧道通風方案的優化效率進而節約工程成本、提高工程效率。通過流體力學三維數值模擬軟件研究得出，在通風方案的設計當中應該注重通風量、通風風速、風筒口距掌子面的距離、風筒懸掛位置、風筒的直徑、隧道掘進長度以及洞壁粗糙高度等因素進行綜合考慮。在其余影響因素不變的情況下，在考慮對風筒直徑、風筒懸掛位置、風筒口距掌子面的距離三者進行通風方案優化時，應把這三者中的風筒直徑作為首要優化項其次考慮剩余二者，可以有效的提高工程投資收益。

參考文獻

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