特長跨海公路隧道排煙道輔助通風(fēng)下排風(fēng)口設(shè)計(jì)參數(shù)的數(shù)值模擬研究
——以青島第二海底隧道為例

張逸敏, 田嘯宇, 姚文浩, 付朝暉, 陳玉遠(yuǎn), 曾艷華, *

(1. 西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031；2. 四川路橋建設(shè)股份有限公司，四川 成都 610031； 3. 中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063)

0 引言

隨著我國地下工程建造技術(shù)水平的提高，水下隧道成為滿足人們快速跨越水域需求的重要交通形式。近年來，上海、武漢、南京、廈門等城市開始涌現(xiàn)出一大批跨江、跨海的水下隧道工程。而水下隧道的運(yùn)營通風(fēng)事關(guān)行車人員的生命健康和財產(chǎn)安全，必須重視。青島第二海底隧道屬于特長跨海公路隧道，其運(yùn)營通風(fēng)有如下特點(diǎn)： 1) 隧道較長，需采用分段通風(fēng)才能達(dá)到較好的通風(fēng)效果； 2) 隧道水域段設(shè)置豎井通風(fēng)非常困難，且會帶來巨額的土建費(fèi)用。

截至目前，國內(nèi)外研究者通過理論推導(dǎo)、數(shù)值模擬、現(xiàn)場實(shí)測等手段研究了排風(fēng)口參數(shù)在隧道運(yùn)營通風(fēng)設(shè)計(jì)中的影響。馬超超[1]利用CFD軟件Fluent分析研究了豎(斜)井送排縱向通風(fēng)方式中隧道內(nèi)流態(tài)、排風(fēng)口構(gòu)造和角度等對排風(fēng)效率的影響；方磊等[2]以秦嶺終南山隧道為原型建立了縮尺模型，研究了隧道排風(fēng)口與主隧道夾角對排風(fēng)段隧道平均風(fēng)速的影響；高陽等[3]通過對排風(fēng)口面積等參數(shù)進(jìn)行研究分析發(fā)現(xiàn)，斜井底部送排風(fēng)口之間短道風(fēng)速隨排風(fēng)口面積的增大而減小；許雷挺等[4]基于污染物的對流擴(kuò)散方程，結(jié)合TOP公式，構(gòu)建了縱向通風(fēng)隧道頂部排風(fēng)口對環(huán)境影響的理論模型；劉卡[5]采用CFD軟件Fluent數(shù)值模擬的方法，對隧道中排風(fēng)口形式及最佳排風(fēng)口角度進(jìn)行了研究；蔣樹屏[6]建立了公路隧道豎井送排式組合通風(fēng)的計(jì)算模式，并結(jié)合具體工程，對送排風(fēng)口的構(gòu)造、形狀、角度和間距進(jìn)行了分析； 方磊[7]通過大比尺模型試驗(yàn)，分別對長大公路隧道送、排風(fēng)井底部中隔板的高度和豎井送排式通風(fēng)送、排風(fēng)口的角度進(jìn)行了模型試驗(yàn)分析，并給出了優(yōu)化建議；呂康成等[8]根據(jù)空氣動力學(xué)基本方程推導(dǎo)了特長隧道排送組合通風(fēng)中排風(fēng)口與送風(fēng)口的升壓力計(jì)算公式，特別考慮了排風(fēng)道與隧道交角對排風(fēng)口升壓力的影響，建立了新的送風(fēng)口通風(fēng)分析計(jì)算模型；李航[9]依托西山特長公路隧道，通過物理模型試驗(yàn)以及數(shù)值仿真試驗(yàn)對送排風(fēng)豎井送風(fēng)口處隔板長度、排風(fēng)口角度以及兩送排風(fēng)豎井之間的間隔距離進(jìn)行了優(yōu)化；馬佳[10]對公路隧道通風(fēng)系統(tǒng)中的送排風(fēng)口局部阻力損失系數(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)數(shù)值模擬研究，分析了多種因素對風(fēng)道局部阻力損失系數(shù)的影響，并給出了相應(yīng)的優(yōu)化參數(shù)。

由以上文獻(xiàn)可以看出，目前對隧道排風(fēng)口的研究多基于常規(guī)的豎井送排的運(yùn)營通風(fēng)方式，而對于水中不設(shè)豎井的新型通風(fēng)模式下，利用排煙道輔助通風(fēng)的頂部排煙口的參數(shù)研究較少，研究內(nèi)容也多限于排風(fēng)口面積和排風(fēng)口的角度對通風(fēng)效果的影響，對整體式與分離式排風(fēng)口、風(fēng)閥與排煙口的距離以及煙道分岔口與排風(fēng)口的距離對通風(fēng)效果的影響研究較少。

本文進(jìn)行了不同排風(fēng)口形式及面積、風(fēng)閥及分岔口等因素對排風(fēng)口附近局部阻力系數(shù)的影響規(guī)律研究，確定了最優(yōu)排風(fēng)口參數(shù)及相應(yīng)的局部阻力系數(shù)，以期為運(yùn)營通風(fēng)計(jì)算提供依據(jù)。

1 工程背景

1.1 工程概況

青島第二海底隧道主線隧道北線全長15.89 km，南線長15.80 km。隧道在黃島岸澎湖島街設(shè)置1對進(jìn)出匝道，秦皇島路上預(yù)留1處出口匝道。在黃島側(cè)，主線隧道以2條主線隧道+中間服務(wù)隧道的形式穿越膠州灣；在近青島側(cè)，海底處每條主線隧道分岔變?yōu)?管隧道，2管隧道向北接入環(huán)灣大道出地，向東接入海泊河兩岸接地面路基段，并向東接入杭鞍高架和溫州路。

隧道預(yù)計(jì)在2023年通車，公路等級為高速公路，主隧道單向行車，為雙洞6車道，設(shè)計(jì)車速80 km/h；分岔隧道單向行車，為雙洞4車道，設(shè)計(jì)車速60 km/h。隧道聯(lián)絡(luò)煙道段橫斷面示意如圖1所示。

圖1 青島第二海底隧道聯(lián)絡(luò)煙道段橫斷面示意圖(單位： mm)

1.2 新型通風(fēng)方案

考慮到青島第二海底隧道海中建造豎井難度大、土建費(fèi)用高等問題，提出了海中不設(shè)豎井的新型通風(fēng)方案。該方案為： 在黃島岸設(shè)送排風(fēng)通風(fēng)豎井，海中不設(shè)豎井；利用服務(wù)隧道向南北線隧道海中送風(fēng)； 將南北線頂部排煙道作為南北線隧道海中排風(fēng)道； 在海中通過設(shè)置聯(lián)絡(luò)風(fēng)道的方式將南北線排煙道連通，以增加風(fēng)道的面積，減小通風(fēng)能耗。新型運(yùn)營通風(fēng)方案示意如圖2所示。

圖2 青島第二海底隧道新型運(yùn)營通風(fēng)方案示意圖(單位： m)

由圖2可知，新型運(yùn)營通風(fēng)方案在海中利用頂部排煙道進(jìn)行排風(fēng)。北線風(fēng)流在海中排風(fēng)位置通過排風(fēng)口進(jìn)入排煙道后，一部分風(fēng)流仍沿著北線排煙道流動，并由北線煙道排出；另一部分風(fēng)流通過南北線聯(lián)絡(luò)煙道進(jìn)入南線排煙道，并由南線煙道排出。南線通風(fēng)方案原理與北線類似，風(fēng)流在海中排風(fēng)位置通過頂部排風(fēng)口進(jìn)入南線隧道頂部排煙道后，一部分沿著南線煙道流動，最后由分岔隧道出口前風(fēng)塔排出；另一部分風(fēng)流通過聯(lián)絡(luò)煙道進(jìn)入北線頂部排煙道，然后通過北線分岔隧道風(fēng)塔排出。

新型通風(fēng)方案利用頂部排風(fēng)口排煙道排風(fēng)，風(fēng)流進(jìn)入隧道后一部分通過頂部排風(fēng)口進(jìn)入排煙道，進(jìn)入后的風(fēng)流沿著行車方向流動，在頂部煙道分岔口處分流進(jìn)入南北線煙道，且在頂部排風(fēng)口另一側(cè)采用風(fēng)閥將排煙道封堵，以防風(fēng)流進(jìn)入另一側(cè)煙道。

新型運(yùn)營通風(fēng)方案解決了海中不設(shè)豎井的問題，但排風(fēng)效果還需探究，所以頂部排風(fēng)口面積、頂部煙道分岔口及風(fēng)閥位置對排風(fēng)效果的影響需進(jìn)一步研究。

2 理論分析

新型通風(fēng)方案下不同排風(fēng)口面積、風(fēng)閥、分岔口位置及南北線排煙道排風(fēng)比等均會對局部阻力系數(shù)產(chǎn)生不同的影響，所以根據(jù)該工程新型通風(fēng)方案的結(jié)構(gòu)設(shè)置，構(gòu)建局部阻力系數(shù)研究模型。

以排煙道分岔段為例,局部阻力系數(shù)ζAC、ζAD理論計(jì)算模型如圖3所示。

其中，截面A-A的速度為vA，截面C-C的速度為vC，截面D-D的速度為vD，沿流動方向?qū)孛鍭-A與截面C-C運(yùn)用伯努利方程，得到式(1)和式(2)。將隧道設(shè)置為絕對光滑壁面，取沿程阻力系數(shù)λA=λC=λD=0，則可以得到局部阻力系數(shù)ζAC、ζAD的表達(dá)式，分別見式(3)和式(4)。

(1)

(2)

(3)

(4)

式(1)—(4)中：vi(i=A、C、D)為各管段內(nèi)的空氣流速，m/s；ρ為空氣密度，kg/m3；Pi(i=A、C、D)為各管段的靜壓，Pa；Di(i=A、C、D)為各管段的水力直徑，m；li(i=A、C、D)為排風(fēng)口至i-i斷面的距離，m。

(a) 隧道風(fēng)流示意圖

(b) 特征斷面示意圖

3 數(shù)值模擬

3.1 模型建立

本文利用CFD數(shù)值模擬軟件Fluent及網(wǎng)格劃分軟件Gambit對隧道進(jìn)行1∶1全尺寸建模，并分別建立2種風(fēng)道模型對應(yīng)的1∶1全尺寸模型及部分計(jì)算域網(wǎng)格。

第1種模型為主隧道風(fēng)流通過排風(fēng)口進(jìn)入頂部排煙道的風(fēng)道模型。模型邊界條件為： 1)隧道進(jìn)口設(shè)置為速度入口，用以設(shè)置入口風(fēng)量； 2)隧道出口與外界大氣相連，設(shè)為表壓為0的壓力出口； 3)將上部煙道出口設(shè)置為速度出口，以模擬不同排風(fēng)比工況，排風(fēng)比即為排風(fēng)量與豎井上一段隧道風(fēng)量的比值。此模型可以研究在不同排風(fēng)比下不同排風(fēng)口形式、排風(fēng)口面積、排風(fēng)閥位置對局部阻力系數(shù)的影響，計(jì)算模型見圖4。

(a) 幾何模型及局部網(wǎng)格劃分

(b) 隧道風(fēng)流示意圖

第2種模型為主隧道風(fēng)流通過排風(fēng)口進(jìn)入頂部排煙道后分流，一部分風(fēng)流仍沿著原排煙道方向流動，另一部分風(fēng)流通過聯(lián)絡(luò)煙道進(jìn)入另一條隧道頂部排煙道的風(fēng)道模型。其中，北線排煙道需預(yù)留送風(fēng)道，送風(fēng)道與排風(fēng)道用隔板分隔，送排風(fēng)互不影響。模型邊界條件為： 1)隧道進(jìn)口設(shè)置為速度入口； 2)隧道出口設(shè)為表壓為0的壓力出口； 3)隧道出口上部煙道、聯(lián)絡(luò)煙道設(shè)置為速度出口，以模擬南北線隧道不同排風(fēng)比。此模型研究南北煙道排風(fēng)比及頂部煙道分岔口位置對局部阻力系數(shù)的影響，計(jì)算模型見圖5。

(a) 幾何模型及局部網(wǎng)格劃分

(b) 隧道風(fēng)流示意圖

模型中設(shè)置2種排風(fēng)口形式，即整體式與分離式排風(fēng)口。整體式排風(fēng)口斷面為矩形； 分離式排風(fēng)口由3個小型整體式排風(fēng)口間隔一定距離組合而成。

3.2 頂部排風(fēng)口面積對局部阻力系數(shù)的影響

計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分如圖4所示。在不考慮頂部排煙道分岔的模型下研究不同排風(fēng)口面積對局部阻力系數(shù)的影響。

3.2.1 計(jì)算工況

模型隧道入口風(fēng)量保持600 m3/s不變。設(shè)置2種排風(fēng)口形式(整體式和分離式)，排風(fēng)口面積分別設(shè)置為30 m2、45 m2和60 m23種。每種工況排風(fēng)比設(shè)置為30%、40%、50%、60%，具體工況設(shè)置見表1。文中為方便排風(fēng)口工程參數(shù)取值，近似將3.5 m×5.5 m×3面積等效為60 m2。

表1 排風(fēng)口面積工況設(shè)置

3.2.2 結(jié)果分析

通過模擬計(jì)算可得到不同排風(fēng)口面積下不同排風(fēng)比時A-A斷面、B-B斷面排風(fēng)口的壓力，進(jìn)而計(jì)算得到不同工況下A-A斷面至B-B斷面間風(fēng)道的局部阻力系數(shù)ζAB。不同工況下局部阻力系數(shù)ζAB隨排風(fēng)比的變化規(guī)律見圖6。

圖6 不同工況下局部阻力系數(shù)ζAB隨排風(fēng)比的變化規(guī)律

由圖6可知： 1)各工況下局部阻力系數(shù)ζAB變化規(guī)律相同，即隨著排風(fēng)比增大，局部阻力系數(shù)逐漸減小直至趨于穩(wěn)定。2)當(dāng)排風(fēng)口面積為30 m2時，局部阻力系數(shù)較大，采用分離式排風(fēng)口時約為2.60，采用整體式排風(fēng)口時約為2.15；排風(fēng)口面積為45 m2時，局部阻力系數(shù)明顯減小，采用分離式排風(fēng)口時約為1.35，采用整體式排風(fēng)口時約為1.28；排風(fēng)口面積為60 m2時，局部阻力系數(shù)進(jìn)一步減小，采用分離式排風(fēng)口時約為1.00，采用整體式排風(fēng)口時約為1.04。所以適當(dāng)增大排風(fēng)口面積可以減小局部阻力系數(shù)，但排風(fēng)口面積過大時局部阻力系數(shù)并不能明顯減小。

以排風(fēng)比為50%為例，此時局部阻力系數(shù)ζAB已趨于穩(wěn)定，對風(fēng)道內(nèi)的速度分布情況進(jìn)行分析。排風(fēng)口速度云圖及流線圖如圖7所示。

(a) 工況1

(b) 工況2

(c) 工況3

(d) 工況4

(e) 工況5

(f) 工況6

對圖7分析可以得出： 1)當(dāng)排風(fēng)口面積為30 m2時，整體式排風(fēng)口氣流流入排煙道內(nèi)風(fēng)速變化較大，風(fēng)速經(jīng)過約5 m后便從15 m/s降至9 m/s，經(jīng)過約30 m后從9 m/s升至11 m/s，流場較不穩(wěn)定，局部阻力系數(shù)較大； 分離式排風(fēng)口3個排風(fēng)口風(fēng)速均較大，且風(fēng)速變化不穩(wěn)定，局部阻力系數(shù)亦較大。2)當(dāng)排風(fēng)口面積為45 m2時，整體式排風(fēng)口的排煙道內(nèi)風(fēng)速變化減緩，風(fēng)速經(jīng)過約25 m后從16 m/s降至11 m/s，之后不再變化，流場較為穩(wěn)定，局部阻力系數(shù)減小；分離式排風(fēng)口下靠近出口側(cè)排風(fēng)口風(fēng)速較大，其余2個小排風(fēng)口風(fēng)速較小，整體風(fēng)速變化較穩(wěn)定，局部阻力系數(shù)也隨之減小。3)當(dāng)排風(fēng)口面積為60 m2時，整體式排風(fēng)口下排煙道內(nèi)風(fēng)速變化不大，風(fēng)速從15 m/s緩慢降至11 m/s，不存在急劇的風(fēng)速變化，流場穩(wěn)定，局部阻力系數(shù)較小；分離式排風(fēng)口下風(fēng)流變化規(guī)律與排風(fēng)口面積為45 m2時基本一致。綜上，頂部排風(fēng)口面積取為45 m2左右時已能滿足工程需求。

3.3 風(fēng)閥位置對局部阻力系數(shù)的影響

計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分如圖4所示。在不考慮頂部排煙道分岔的模型下研究不同風(fēng)閥位置對局部阻力系數(shù)的影響。不同風(fēng)閥位置設(shè)置如圖8所示。

圖8 不同風(fēng)閥位置設(shè)置示意圖

3.3.1 計(jì)算工況

模型隧道入口風(fēng)量設(shè)為600 m3/s，根據(jù)3.2節(jié)的分析結(jié)果取排風(fēng)口面積為45 m2,并設(shè)2種排風(fēng)口形式(整體式和分離式)，風(fēng)閥與排風(fēng)口的距離分別設(shè)為0、5、10 m 3種。每種工況排風(fēng)比設(shè)置為30%、40%、50%、60%。風(fēng)閥位置工況設(shè)置見表2。

表2 風(fēng)閥位置工況設(shè)置

3.3.2 結(jié)果分析

通過數(shù)值模擬結(jié)果可計(jì)算得到不同風(fēng)閥位置下不同排風(fēng)比時A-A斷面、B-B斷面排風(fēng)口的風(fēng)壓，進(jìn)而計(jì)算出不同工況下A-A斷面至B-B斷面間風(fēng)道的局部阻力系數(shù)。局部阻力系數(shù)ζAB隨排風(fēng)比的變化規(guī)律如圖9所示。

圖9 不同風(fēng)閥位置下局部阻力系數(shù)ζAB隨排風(fēng)比的變化規(guī)律

由圖9可知： 1)不同風(fēng)閥位置下，局部阻力系數(shù)隨排風(fēng)比的變化規(guī)律相同，即隨著排風(fēng)比增大，局部阻力系數(shù)先快速減小，繼而趨于穩(wěn)定。2)在整體式排風(fēng)口形式下，風(fēng)閥位置對局部阻力系數(shù)的影響不大，3種工況下局部阻力系數(shù)的減幅相差不大，穩(wěn)定后的局部阻力系數(shù)亦相差很小，局部阻力系數(shù)穩(wěn)定在1.29。3)分離式排風(fēng)口形式下，風(fēng)閥在距離排風(fēng)口10 m時，初始局部阻力系數(shù)最小，隨著排風(fēng)比的增大，其數(shù)值較其他工況小，最終穩(wěn)定在1.31附近。綜上，在工程實(shí)際允許的情況下，風(fēng)閥與排風(fēng)口的距離推薦取10 m。

3.4 頂部煙道分岔口位置對局部阻力系數(shù)的影響

計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分見圖5，考慮頂部排煙道分岔。風(fēng)流通過排風(fēng)口進(jìn)入排煙道后分流，一部分進(jìn)入北線排煙道，另一部分通過聯(lián)絡(luò)煙道進(jìn)入南線排煙道。其中，北線頂部排煙道預(yù)留寬4 m、長100 m的送風(fēng)道。具體頂部煙道分岔口位置布置示意見圖10。

圖10 頂部煙道分岔口位置布置示意圖(單位： m)

3.4.1 計(jì)算工況

模型隧道入口風(fēng)量設(shè)置為600 m3/s。根據(jù)3.2節(jié)、3.3節(jié)的分析結(jié)果，取排風(fēng)口面積為45 m2，排風(fēng)口尺寸為6.0 m×7.5 m，風(fēng)閥與排風(fēng)口距離為10 m。每種工況設(shè)置不同頂部煙道分岔口位置及不同排風(fēng)比，以研究煙道分岔口與排風(fēng)口的距離對局部阻力系數(shù)的影響規(guī)律。

由3.2節(jié)分析結(jié)果可知： 1)排風(fēng)比達(dá)到40%后局部阻力系數(shù)趨于穩(wěn)定，且海中排風(fēng)能力有限，排風(fēng)量不宜過大； 2)排風(fēng)比取為40%～60%時，排風(fēng)量為240～360 m3/s，此區(qū)間的排風(fēng)量均能滿足條件，計(jì)算結(jié)果具有適用性。每種工況下排煙道排風(fēng)分別按照北線煙道排風(fēng)比40%、50%、60%對應(yīng)南線煙道排風(fēng)比60%、50%、40%計(jì)算，具體工況見表3。

表3 頂部煙道分岔口位置工況設(shè)置

3.4.2 結(jié)果分析

由于排風(fēng)比對局部阻力系數(shù)的影響較小，各排風(fēng)比下局部阻力系數(shù)已趨于穩(wěn)定，以排風(fēng)比50%為例，繪制局部阻力系數(shù)隨頂部煙道分岔口位置的變化曲線，結(jié)果如圖11所示。

由圖11可以看出，南北線排風(fēng)比對局部阻力系數(shù)有較大的影響。以排煙道分岔口與排風(fēng)口距離10 m為例，頂部煙道分岔口位置不變時，當(dāng)北線煙道排風(fēng)比為40%、南線煙道排風(fēng)比為60%時，局部阻力系數(shù)ζAD較小，為1.58，局部阻力系數(shù)ζAC較大，為9.01；當(dāng)南、北線煙道排風(fēng)比均為50%時，局部阻力系數(shù)ζAD為3.47，局部阻力系數(shù)ζAC為4.67；當(dāng)北線煙道排風(fēng)比為60%、南線煙道排風(fēng)比為40%時，局部阻力系數(shù)ζAD較大，為8.08，局部阻力系數(shù)ζAC較小，為2.61。由于南北煙道排風(fēng)比不同，造成較大排風(fēng)比與較小排風(fēng)比煙道的局部阻力系數(shù)ζAC與ζAD相差懸殊，不利于提高運(yùn)營通風(fēng)的效率。因此，建議南北煙道排風(fēng)比盡量相等。

當(dāng)南北煙道排風(fēng)比相等時，隨著頂部煙道分岔口與排風(fēng)口間距的增大，局部阻力系數(shù)ζAC先減小后增大，但變化量較小。頂部煙道分岔口與排風(fēng)口的間距為10 m和20 m時，局部阻力系數(shù)ζAC、ζAD較小，而另外2種間距下則較大。

對各工況下風(fēng)道內(nèi)的速度分布情況進(jìn)行分析。以南北線煙道排風(fēng)比均為50%為例，各工況下隧道縱向(X=0 m)斷面、聯(lián)絡(luò)煙道縱向(Z=300 m)斷面、排風(fēng)口高度處(Y=7 m)斷面速度云圖及速度流線如圖12所示。

(a) A-A斷面至C-C斷面局部阻力系數(shù)ζAC

(b) A-A斷面至D-D斷面局部阻力系數(shù)ζAD

由圖12可知: 1)當(dāng)排風(fēng)口剛好位于頂部煙道分岔口處時，排風(fēng)口附近流場較復(fù)雜，整個排風(fēng)口風(fēng)速較大，進(jìn)入北線排煙道后風(fēng)速存在明顯的突變，排風(fēng)口與風(fēng)閥之間存在渦流，使得局部阻力系數(shù)較大； 2)當(dāng)頂部煙道分岔口距離排風(fēng)口10 m時，排風(fēng)口與風(fēng)閥之間仍存在渦流，但排風(fēng)口靠近出口段一側(cè)速度較大，分流進(jìn)入排煙道后，一部分風(fēng)流被迅速吸入聯(lián)絡(luò)通道，另一部分沿著北線煙道繼續(xù)流動，這種情況下局部阻力系數(shù)要小于排風(fēng)口位于頂部煙道分岔口處時的局部阻力系數(shù)； 3)當(dāng)頂部煙道分岔口距離排風(fēng)口20 m處時，風(fēng)流流動規(guī)律與頂部煙道分岔口距離排風(fēng)口10 m時相似，但整體流場較穩(wěn)定，風(fēng)速無明顯突變，局部阻力系數(shù)大小與10 m工況相當(dāng)； 4)當(dāng)頂部煙道分岔口距離排風(fēng)口30 m處時，流場比較穩(wěn)定，但排風(fēng)口至出口方向形成一個長約5 m的渦流，使得該處風(fēng)速分布不均，排煙道橫斷面兩側(cè)速度較大，中間風(fēng)速很小，使得該工況下局部阻力系數(shù)增大，大于距離排風(fēng)口20 m工況下的局部阻力系數(shù)。因此，排風(fēng)口與排煙道分岔口的距離推薦取20 m左右。

(a) 工況Ⅰ

(b) 工況Ⅱ

(c) 工況Ⅲ

(d) 工況Ⅳ

4 結(jié)論與展望

針對青島第二海底隧道采用不設(shè)海中豎井、利用排煙道輔助排煙的新型運(yùn)營通風(fēng)方案，利用CFD軟件Fluent研究不同排風(fēng)口形式、面積、風(fēng)閥位置及頂部煙道分岔口位置對局部阻力系數(shù)的影響，得到如下結(jié)論。

1)隨著排風(fēng)口面積增大，局部阻力系數(shù)逐漸減小；當(dāng)面積增大到一定值時，繼續(xù)增大排風(fēng)口面積局部阻力系數(shù)不再減小。因此，適當(dāng)增大排風(fēng)口面積可減小局部阻力系數(shù)，但面積過大時局部阻力系數(shù)減小并不明顯，建議排風(fēng)口面積取45 m2左右。

2)隨著風(fēng)閥與頂部排風(fēng)口距離的增大，局部阻力系數(shù)減小，建議風(fēng)閥與排風(fēng)口的距離取10 m左右。

3)新型通風(fēng)方案下，頂部煙道分岔口與排風(fēng)口距離宜取10～20 m；對于排煙道排風(fēng)比，只有當(dāng)南、北線排煙道排風(fēng)比均為50%時，南、北煙道局部阻力系數(shù)較小且差值最小，得出了南北煙道排風(fēng)量應(yīng)相等的結(jié)論。

對于青島第二海底隧道水中不設(shè)豎井、利用排煙道輔助運(yùn)營通風(fēng)的方案，排風(fēng)口的參數(shù)選取對運(yùn)營通風(fēng)設(shè)計(jì)、降低能耗起到關(guān)鍵作用。本文雖進(jìn)行了不同排風(fēng)口形式、面積、風(fēng)閥位置及頂部煙道分岔口位置對局部阻力系數(shù)的影響研究，得出了排風(fēng)口面積、風(fēng)閥位置及頂部煙道分岔口位置的推薦值，但全文以局部阻力系數(shù)變化規(guī)律為主，尚未考慮通風(fēng)整體阻力的影響，也未進(jìn)一步對通風(fēng)方案進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化，例如： 在排風(fēng)口處設(shè)置弧形板以減少通風(fēng)阻力等。今后將進(jìn)一步圍繞上述不足開展研究。