施工橫通道交叉口射流風機布置方式優化研究

聶清文

（中鐵十二局集團第一工程有限公司 陜西西安 710038）

1 前言

射流風機在隧道施工通風中具有射流、卷吸和誘導風流的作用。在長大隧道施工過程中，單一的壓入式通風方式不足以稀釋大量有毒有害氣體和粉塵，往往需要通過布置射流風機進行輔助通風［1－3］。我國對于射流風機輔助通風的研究起步雖然較晚，但經過學者們的不斷努力仍積累了一定的成果。

目前對于射流風機輔助通風的研究主要可分為特殊隧道環境下射流風機的應用研究和射流風機的優化布置研究兩個方面。在特殊隧道環境下射流風機的應用方面，李景銀［4］系統討論了射流風機的參數、推力計算公式并針對高海拔地區研究風機的設計要點。王峰等［5］分析了小半徑曲線隧道射流風機布置方式對風機升壓折減效率的影響。康小兵等［6］針對高瓦斯隧道研究了射流風機的合理布置方式。方勇等［7］研究了低瓦斯隧道射流風機輔助通風技術。上述研究極大地拓寬了射流風機在隧道通風中的應用范圍。

在射流風機的優化布置方面，戴國平等［8］對射流風機在公路隧道中的應用及選型進行了系統分析。馮煉［9］結合新龍門隧道污染物濃度分布對射流風機的送風方向進行了研究。王海橋等［10］建立獨頭巷道壓入式受限附壁射流通風的紊流k－ε數學模型，研究了射流通風典型截面的流場規律。曹正卯等［11］研究了全射流誘導式通風中多種射流風機組合布置形式對升壓效率的影響。上述研究為射流風機在隧道通風組織中的布置選型提供了較為科學的參考，但在這一領域仍存在很多需進一步研究的地方。

壓入式通風的極限距離為5 km，單頭掘進3 km以上巷道式通風比壓入式通風更節能。在隧道巷道式通風中射流風機布置在隧道主洞與施工（車行）橫通道交叉口處，于交叉口處形成匯流三通和分流三通，已有研究［12］表明三通局部阻力損失與總管和支管間的夾角、面積比及流量比有關，對此種匯流形式目前尚缺乏足夠的理論依據，需要采用試驗和數值模擬的方法來研究。因此本文將基于FLUENT流體分析軟件，討論交叉口處射流風機的布置位置和角度，并提出射流風機的最優布置形式。

2 數值計算方法及原理

2.1 模型參數

以成昆鐵路老鼻山隧道為依托工程，隧道幾何模型尺寸如圖1所示。利用FLUENT前處理軟件Gambit建立主洞與施工橫通道（車行橫通道）交叉口射流風機三維通風模型。主洞長度為100 m，施工橫通道長度為80 m，交叉口位于主洞中部，如圖2所示，射流風機參數如表1所示。

圖1 橫斷面模型（單位：m）

表1 射流風機參數

根據模型特點選擇分區劃分方式，所用網格類型有Cooper及Hybrid兩種。體網格元素主要為四面體網格和六面體網格。在隧道主洞和橫通道周邊區域網格尺寸為1.2 m，在主洞和橫通道交叉口網格加密為0.3 m。網格劃分完成后共有30 234個節點、91 283個單元，模型如圖2所示。

圖2 隧道主洞模型

選取標準K－ε兩方程紊流模型，速度－壓力耦合采用SIMPLE算法。定義邊界條件為：入風口為速度入口邊界條件，速度 v＝3 m／s；出風口為壓力出口邊界條件，初始壓力p＝0 Pa；射流風機進口為速度入口邊界條件，速度v＝30 m／s；隧道及風管管壁邊界類型均為壁面邊界，滿足無滑移條件，壁面摩阻系數設為0.015；所有壓力值的相對壓力取為0，即沒有附加壓力。

2.2 計算工況

施工橫通道作為主洞通風聯絡通道，在隧道施工過程中，主要有兩種風流組織形式，如圖3和圖4所示。

圖3 工況1計算模型示意

圖4 工況2計算模型示意

2.3 計算原理

射流風機和軸流風機通風的隧道流場可簡化為三維粘性不可壓縮流場。不可壓縮粘性流體的雷諾平均Navier-Stokes方程表述如下：

在三維的情況下，式中：i，j＝ 1，2，3，分別表示笛卡爾坐標系三個方向和為相應方向的平均速度為雷諾應力為平均動壓；ρ為流體密度；v 和分別為粘性系數與慣性力平均值。

求解方程式（1）必須首先模擬雷諾應力使方程式封閉，基于各向同性的Boussinesq假設，認為雷諾應力與平均速度梯度成正比，表述如下：

式中：νT為湍流粘度；k 為湍動能；δij為 Kronecker函數。標準的K－ε模型首先由Majumdar和Rodi在1985年用來計算漩渦分離流動，其湍動能和耗散率方程：

式中：vT＝Cuk2／ε。

其他模型參數：C1＝1.44，C2＝1.96，Cu＝0.09，σκ＝1.0，σε＝1.3。

《公路隧道通風設計細則》（JTG／T D70／2—02—2014）規定射流風機理論升壓力ΔPfan計算公式：

式中：Aj、Ar分別為射流風機出口面積和隧道當量面積；vj、vr分別為射流風機出口風速和隧道風速。

本次數值模擬實際射流風機升壓力計算公式為：

式中：P入口為隧道入口處風壓；ΔP為隧道沿程阻力損失（包括局部阻力）。

通過對射流風機模型計算得到風流沿橫通道和主洞一側的沿程阻力損失ΔP分別為3.84和0.12 Pa。理論計算結果與實際數值模擬計算結果表明，實際計算升壓力值為理論計算值的75%以上。數值計算能夠反映實際情況，結果較為可靠。以射流風機布置在橫通道為例，橫通道升壓力理論值和數值模擬計算結果對比見表2。

表2 射流風機升壓力計算結果對比

3 射流風機布置優化研究

3.1 工況1結果分析

針對工況1主要討論射流風機布置在主洞和橫通道兩種情況，具體如圖3所示。情況1為射流風機布置在橫通道，以隧道主洞內邊緣和橫通道的側壁交點為原點，以橫通道出口方向為正方向，與原點距離為5、10、15和20 m的四種位置；情況2為射流風機布置在主洞中，施工橫通道中線與隧道外側壁交點處，以順時針方向為正方向，與隧道軸線呈60°、75°、105°和 120°的四種安裝角度。

為研究射流風機的升壓和導流作用，以橫通道內的升壓力和出口流量為評價指標，壓力以流出為正，流量以流出為負。情況1和情況2的風壓計算結果以及流量計算結果如圖5和圖6所示。

圖5 工況1壓力分布曲線

圖6 工況1流量變化曲線

由圖5可知：隨著橫通道長度的增加，橫通道中風壓呈對數型減小趨勢，計算出情況1四種布置位置的風機升壓力分別為15.54、15.96、14.26和15.2 Pa，在10 m時升壓力最大，其值為15.96 Pa，在15 m時升壓力最小，其值為14.26 Pa。計算出情況2四種安裝角度下的風機升壓力分別為7.49、6.71、7.06、5.32 Pa，在60°最大為7.49 Pa，在120°最小為5.32 Pa。

由圖6可知：在情況1中隨著風機布置位置與原點之間距離增加，橫通道出口流量呈先降后升的趨勢，在5 m時最大，其值為－127.58 kg／s，在15 m時最小，其值為－115.65 kg／s。在情況2中隨著風機安裝角度增加，橫通道中的流量呈先緩后急的增加趨勢，在 60°最大，其值為 －93.32 kg／s，在 120°時最小，其值為 －36.85 kg／s。

3.2 工況2計算結果分析

分射流風機布置在橫通道和主洞兩種情況討論，情況1為射流風機布置在橫通道中；情況2為射流風機布置在主洞中，與原點距離為15、10、5、0、－5、－10和－15 m七種位置。

工況2取主洞出口1側的升壓力和流量為評價指標。情況1和情況2下的風壓計算結果如圖7所示，流量計算結果如圖8所示。情況2的風壓計算結果只取流量較大的一側制圖。

圖7 工況2風壓分布曲線

圖8 工況2流量變化曲線

由圖7可知：在情況1中隨著主洞距離的增加，主洞出口1側的風壓呈整體減小趨勢，4種布置位置風機升壓力為2.03、1.81、1.90和1.41 Pa，在5 m 時最大，其值為2.03 Pa，在20 m最小，其值為1.41 Pa。在情況2中隨著主洞距離的增加，主洞出口1側的風壓呈先升后降的趨勢，4種布置位置風機升壓力為 0.27、0.46、0.47 和 0.48 Pa，在 15 m 時最大，其值為0.48 Pa，0 m時最小，其值為0.27 Pa。

由圖8可知：在情況1中隨著風機與原點之間距離增加，主洞出口1的流量呈先升后降的“V”型趨勢，在10 m時最大，其值為－157.48 kg／s，在5 m時最小，其值為－134.07 kg／s。在情況2中隨著風機與原點之間距離增加，主洞出口1的流量呈階梯型減小趨勢，在15 m時最大，其值為－192.58 kg／s，在 －15 m時最小，其值為 －91.25 kg／s。

4 結論

通過對不同風向下施工橫通道交叉口處射流風機布置位置和安裝角度的綜合討論，得到以下結論：

（1）在風流方向為主洞入、橫通道出且風流偏角為60°的條件下（工況1），射流風機布置在橫通道時的升壓和導流效果優于布置在隧道主洞中。

（2）在風流方向為橫通道入、主洞出且風流偏角為60°的條件下（工況2），射流風機布置在橫通道時的升壓效果優于布置在隧道主洞中，而布置在隧道主洞時的導流效果優于布置在橫通道中，此時射流風機的升壓效果遠低于導流效果。