祥和隧道不同氣候因素自然風分布規律研究

楊建華

摘要：杭紹臺高速公路祥和隧道地處低山丘陵地區，屬越嶺隧道，由于洞口氣候環境、海拔等自然因素差異，導致隧道各洞口存在一定的溫度、氣壓差，從而在洞內形成不穩定的自然風。為考慮將自然風充分利用，實現隧道節能運營，結合祥和隧道，通過數值模擬的方法對不同氣候工況下隧道內的自然風分布情況進行研究，以獲得洞外氣候因素對隧道內自然風的影響規律，為隧道的自然風利用提供理論基礎。

Abstract： Xianghe tunnel of Hangzhou-Taizhou Expressway is located in the low mountain and hilly area， which belongs to the tunnel crossing the mountains. Due to the differences in the climatic environment， altitude and other natural factors at the entrance of the tunnel， there is a certain temperature and air pressure difference at each opening of the tunnel， thereby forming an unstable natural wind. In order to make full use of the natural wind and realize the energy-saving operation of the tunnel， combined with the Xianghe tunnel， the distribution of the natural wind in the tunnel under different climatic conditions is studied by numerical simulation， so as to obtain the influence law of the external climatic factors on the natural wind in the tunnel and provide theoretical basis for the use of the natural wind in the tunnel.

關鍵詞：祥和隧道;自然風;數值模擬;氣候變化

Key words： Xianghe tunnel;natural wind;numerical simulation;climate change

中圖分類號：U453.5 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2020）17-0212-04

1 ?工程概況

祥和公路隧道為分離式雙洞隧道，隧道左右線長度分別為1792m和1654m，隧道無豎井。其地處杭紹臺高速南部，屬亞熱帶季風氣候，四季分明，熱量充足，可利用自然風充足，通過對自然風的利用，實現隧道節能，綠色運營。

祥和隧道設置為單向坡，隧道洞口高度差約為120m，由于各洞口環境差異和高度差異的影響，導致隧道洞口溫度、氣壓存在一定的差異，從而在隧道洞內產生一定程度的自然風。

現行設計規范中通常將自然風看做通風阻力，近期研究表明，當設計風向和自然風方向一致時，不開啟通風設備或開啟少量風機即可滿足通風需求，即將自然風當做隧道通風的通風助力，以大幅降低隧道通風成本。

為考慮隧道自然通風的可能性，采集祥和隧道兩個洞口處的氣候因素，包括溫度、大氣壓強、風速、風向等，經過劃分工況，通過數值模擬的方法，分析洞口處不同氣候條件下隧道內自然風分布規律，為自然風的利用提供理論依據。

2 ?工況劃分

對于祥和隧道，地表自然風是引起隧道兩洞口超靜壓差、形成自然通風的直接原因之一，因此研究隧道自然通風必須了解掌握當地地表自然風產生和分布的規律。而隧道內外的自然條件控制著隧道內外自然通風風量的大小和作用方向，因此，對祥和隧道東西兩洞口處的氣候數據進行采集是有必要的。

2.1 數據采集

對祥和隧道洞口區域氣象資料進行采集，據此劃分氣候工況。

采集數據見表1。

2.2 季節工況劃分

由表2可知，一年十二個月的大氣壓力、風速都比較接近，而溫度差異較大，按照溫度進行劃分研究，可分為三種季節工況，見表2。

2.3 風速風向工況劃分

當地的風向是自然風工況劃分的重要參考依據，依照當地風玫瑰圖是參考當地風向風速的主要方法。風玫瑰圖一般可反應2個重要信息：風向，風頻。本次工況劃分根據風枚圖選取出現頻率較高的東南、西北風向，和相對洞口風向極端值南北風向。風速的選取則是根據祥和隧道洞口處的數據，取其均值和極端情況下的2.0m/s、2.5m/s和1.2m/s。祥和隧道地區風玫瑰圖如圖1。

因此結合以上幾種工況，祥和隧道總體工況劃分如表3所示。

3 ?數值模擬分析

為了對隧道內自然風加以利用，就必須研究自然風在隧道內的分布規律以及提供的自然風量大小。以劃分的氣候工況為基礎，通過仿真的方法分析在不同的工況下隧道內自然風分布規律，得到不同環境溫度下自然風量大小，為自然風的利用提供基礎。

3.1 模型構建及網格劃分

對祥和隧道進行建模，在該模型下，網格大小設置為0.4m，采用結構網格，網格圖如圖2所示。

3.2 控制條件

隧道模型為自然通風靜態模型，做了壓力仿真，驗證無壓力差下隧道內風速以及壓力分布。前期理論分析可知，在隧道出入口無壓力差時，隧道內風速為0，壓力差為0。以此為先決條件，將速度與壓力的仿真云圖輸出。

3.2.1 壓力邊界

壓力進口的邊界條件需要定義進口的溫度、壓力、動能耗散率及紊流動能等。在流體仿真分析時，可以根據不同的仿真模式定義對應的邊界條件。

3.2.2 空氣密度

在對流體進行空氣密度定義的過程時應遵守以下設置原則：可壓縮的流體直接定義為理想氣體狀態方程。

3.2.3 定義求解器

定義求解器為3D，穩態，開啟能量方程，選用標準k-？著方程以及標準壁面函數，添加 DO 輻射模型，松弛因子選用默認值，壓力和速度耦合求解，SIMPLE算法，動量和能量方程選擇二階迎風差分格式;采用壓力入口邊界，壓力出口邊界，環境為常態。

定義求解器：在構建模型時選擇構建三維模型，所以選擇3D求解器。穩態計算是指流場中流體各參數不隨時間變化，到達相對穩定的狀態;瞬態計算是指流場中某一時刻的運動狀態。在傾斜式太陽能棚熱數值模擬中，得到的是在給定初始狀態下流體達到穩定狀態時的結果，所以選用穩態計算。

在計算控制中，松弛因子的輸入值如表4所示。

3.3 自然風作用規律分析

仿真方案：模擬分析祥和隧道在36種氣候工況下在不考慮橫通道狀態時（全部默認為橫通道關閉）隧道內部的空氣流動規律及風速、風量大小。在統計數據時，均勻選取隧道內16個截面作為自然風速檢測面，加上隧道出入口，共計18個數據統計點，分析隧道內部不同位置的自然風速分布規律。

3.3.1 風向工況對洞內自然風作用規律

圖3 所示為工況1-1-1下隧道局部自然風速度分布。由圖3可以看出，工況1-1-1時，隧道內部自然風小于外部自然風，由于山體的阻礙，來自東南方向的自然風只有少部分能吹到隧道內部，故洞口處自然風較隧道內部大，可適當減少隧道洞口處的風機布設。

由仿真結果，對祥和隧道工況1-1-1、1-1-2、1-1-3、1-1-4沿程風速統計如圖4所示。

由圖4可以看出，同等溫度、風速工況下，洞口外部自然風向為東風時隧道內自然風速度最大，東南風次之，北風和西北風洞內自然風最小（約為洞外自然風速的二十分之一）。

3.3.2 風速工況對洞內自然風作用規律

對祥和隧道工況1-1-1、1-2-1、1-3-1沿程風速統計如圖5所示。

由圖5可以看出，同等溫度、風向工況下，洞內自然風速和洞外自然風速呈正相關，其他氣候條件相同時，隧道內自然風速隨外部環境風速增大增大。

3.3.3 溫度工況對洞內自然風作用規律

由圖6可以看出，同等風速、風向工況下，洞內自然風速和洞外溫度呈正相關其他氣候條件相同，隧道內自然風速隨外部溫度增大而增大。

4 ?結論

針對祥和隧道各種工況下的自然風進行數值模擬，通過分析經過檢測斷面的速度，分析交通流量不同工況下隧道內自然風速。在統計數據時，均勻選取隧道內十八個界面作為自然風速檢測面。

可見不同工況下外部氣候環境對自然風的影響是有區別的，通過計算隧道內自然風可以計算其等效機械通風量，減少隧道機械通風所需風量，在一定程度上減輕隧道通風所帶來的經濟負擔。

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