曲線線型對公路隧道運營通風影響研究

白 赟 袁 松

(四川省交通勘察設計研究院有限公司，四川 成都 610017)

近年來，隨著我國山區高速公路的大力發展，為了提升線路高程、縮短隧道長度和選擇合適的洞口，曲線線型越來越多地在隧道平面設計中被采用。但曲線隧道運營通風時的通風阻力明顯異于常規直線隧道，而我國公路隧道運營通風的計算與設計仍停留在直線隧道層面上，《公路隧道通風設計細則》關于直線隧道運營通風的計算，對不同曲率的曲線隧道適用性如何，是在隧道通風設計階段一個亟待解決的問題[1]。

對于公路隧道通風阻力問題，已有很多學者進行了研究。Martegani采用數值模擬方式對隧道側壁粗糙度與隧道通風阻力之間的關系進行了研究，得到的模擬結果與試驗結果吻合度較高[2]；Bener等采用理論公式和CFD模擬相結合的方法對公路隧道洞口局部阻力及局部摩阻損失系數進行了相關研究，經驗證，其值與實際情況較為貼合[3]；仇玉良等以秦嶺終南山特長公路隧道為工程背景，對噴射混凝土壁面的摩阻損失系數進行了測算與分析，并總結了壁面粗糙度與沿程阻力系數的關系[4]；王亞瓊等以茅荊壩隧道的通風斜井為依托，對隧道通風斜井壁面的沿程阻力系數進行了測算并對隧道通風相關計算提出了參考建議[5]；溫玉輝采用數值模擬的方法對公路隧道沿程阻力系數進行了模擬分析，并給出了最小值和最大值的取值參考[6]；武義凱基于隧道通風與流體力學的基本理論，采用CFD軟件FLUENT進行模擬，得出壁面在不同粗糙單元高度和不同粗糙單元間距下壁面的摩阻損失系數及規律[7]。針對曲線隧道的通風問題，王峰等采用CFD方法對曲線公路隧道的沿程阻力系數及射流風機的布置方式進行了研究，并提出了小半徑隧道沿程阻力系數的計算方法[8,9]；蘆峰以一半橫向通風的曲線公路隧道為研究對象，對曲線型公路隧道的火災煙氣控制進行了數值模擬研究，并探討了在曲線區域應用射流風機控制煙氣的可行性[10]；何佳以干海子曲線公路隧道為工程依托，應用大渦模擬技術，對小半徑曲線公路隧道火災煙氣蔓延規律進行了數值模擬研究，并提出了煙氣危害的控制方法[11]。通過查閱文獻可以發現，國內外學者對于直線公路隧道的通風問題研究較多，關于曲線隧道通風問題有一些研究，但也多是針對曲線公路隧道火災控煙問題的研究，僅有王峰針對曲線公路隧道沿程阻力系數做了相關研究，并無針對曲線公路隧道較直線隧道通風效率的相關研究。

本文采用流體力學計算軟件FLUENT，對不同曲率半徑的曲線隧道通風過程進行三維模擬計算，通過對通風過程中曲線隧道內相對通風阻力的對比，探究曲線線型對公路隧道運營通風效率的影響。

1 計算理論

空氣在隧道內流動屬于非定常湍流流動，而湍流的特點是任一時刻流體內任意點的運動仍然滿足連續介質的流動特征，即隧道內流場中所有的空間點滿足質量守恒、動量守恒和能量守恒三大方程[12]。各方程表達如下[13,14]：

質量守恒方程為:

(1)

其中，ρ為流體密度；ui為流體在i方向的速度；xi為i方向的坐標。

動量守恒方程為:

(2)

其中，ρ為微元體上的壓力；σij為微元體受到的粘性應力；ρgi為i方向的體積力；Fi為污染源、熱源等引起的源項。

能量守恒方程為:

(3)

其中:

其中，T為絕對溫度；E為單位體積總能，E=CVT，CV為定容比熱；K為熱傳導系數；μ為動力粘性系數；δij為克羅內克符號，當i=j時，δij=1，當i≠j時，δij=0。

2 數值模擬

2.1 計算模型的建立

采用建模軟件Gambit建立三維模型，隧道橫斷面采用高速公路隧道常用的兩車道斷面(如圖1所示)，分別建立曲率半徑為600 m，1 200 m，2 400 m的隧道模型，計算模型如圖2所示。

2.2 邊界條件的設定

隧道壁面和路面設定為壁面(wall)邊界條件，隧道入口設定為速度入口(velocity-inlet)邊界條件，隧道出口設定為壓力出口(pressure-outlet)邊界條件[15]。

2.3 模擬工況

為研究曲線線型對隧道通風阻力的影響，分別對曲率半徑為600 m，1 200 m，2 400 m和∞(直線)各1 000 m長的隧道進行通風模擬，計算時隧道入口風速取4 m/s。各數值模擬工況見表1。

表1 數值模擬工況

3 模擬結果及分析

分別就隧道內流速場和壓力場兩方面來分析曲率半徑對隧道通風的影響。

3.1 不同曲率半徑下隧道流速場分析

不同曲率半徑下隧道中部橫斷面風速分布云圖見圖3。

由圖3可知，隧道橫斷面風速受隧道曲線線型的影響，呈現出不對稱的特征，相同長度的隧道，曲率半徑越小，隧道橫斷面內風速不對稱性越明顯，隧道外側風速越大；當曲率半徑為600 m時，隧道內有效風速已偏移到斷面外側1/3區域處。反之，隧道曲率半徑越大，隧道中部斷面風速分布越均衡，其分布特點越接近直線隧道；當曲率半徑為2 400 m時，隧道中部斷面風速已接近于直線隧道的分布。

3.2 不同曲率半徑下隧道壓力場分析

不同曲率半徑下隧道中部橫斷面壓力分布云圖見圖4。

由圖4可知，曲線線型影響隧道橫斷面內壓力的分布，相同長度的隧道，曲率半徑越小，隧道橫斷面內壓力分布的不對稱性越明顯，隧道橫斷面內較大壓力區域越往外側偏移；當曲線半徑為600 m時，隧道中部橫斷面內較大壓力分布在斷面外側1/3區域。反之，曲線半徑越大，隧道橫斷面內的壓力越接近于對稱分布；當曲率半徑為2 400 m時，隧道橫斷面內的壓力分布與直線隧道類似，已接近于對稱分布。

將隧道出口斷面與入口斷面的平均壓力差視為該隧道的通風壓力損失，即通風阻力，并令該值與入口斷面初始壓力之比為該隧道的相對通風阻力，該值表示隧道通風動力損失率。通過模擬計算結果得到不同曲率半徑隧道的相對通風阻力如表2所示。

表2 不同曲率半徑隧道的相對通風阻力

由表2可知，相同長度的隧道，在入口通風風速相等的情況下，隧道線型的曲率半徑越小，隧道的相對通風阻力越大，表明隧道通風動力損失率越大，即隧道通風動力的有效利用率越低；反之，增大隧道線型的曲率半徑，隧道通風時可以有效利用通風動力，當曲率半徑大于1 200 m時，相對通風阻力與直線隧道較為接近；因此，從隧道通風動力利用率角度考慮，建議曲線隧道的曲率半徑不小于1 200 m。

4 結論

本文采用流體力學計算軟件FLUENT，計算分析了不同曲率半徑對曲線線型隧道通風效果的影響，并就曲率半徑、隧道長度和通風風速對曲線隧道通風動力利用率進行了研究，得到如下結論：

1)曲線隧道通風時，曲線線型影響隧道橫斷面內風速和壓力的分布；相同長度的隧道，曲率半徑越小，隧道橫斷面內風速和壓力分布的不對稱性越明顯，隧道橫斷面內較大的風速和壓力區域越往外側偏移。

2)相同長度的隧道，在入口通風風速相等的情況下，隧道線型的曲率半徑越小，隧道的相對通風阻力越大，表明隧道通風動力損失率越大，即隧道通風動力的有效利用率越低；反之，增大隧道線型的曲率半徑，隧道通風時可以有效利用通風動力。

3)當曲率半徑大于1 200 m時，相對通風阻力與直線隧道較為接近；因此，從隧道通風動力利用率角度考慮，建議曲線隧道的曲率半徑不小于1 200 m。