城市單艙綜合管廊最優通風量的數值模擬

劉士李, 王道靜, 劉麗, 殷敏

(國網安徽省電力有限公司經濟技術研究院, 安徽 合肥 230007)

0 引言

城市單艙綜合管廊的工程建設相比于地面建設具有難度大、投資高的特點，而城市單艙綜合管廊的通風系統作為綜合管廊工程建設的主要部分，在建設規模上占據的比例比較大，一直以來都是減少投資審查的重點[1]。國外在城市單艙綜合管廊最優通風量數值模擬的研究發展非常成熟，已經接近于完善，國外主要從1970年開始研究綜合管廊最優通風量的數值模擬，歐洲一些國家以數值模擬理論為基礎，通過流體動力學軟件來分析模擬管廊的最優通風量，并廣泛應用到工程建設的各個階段[2]；國內針對最優通風量數值模擬軟件的開發研究已有二十年左右的歷史，數值計算與模擬伴隨著計算機技術的應用得到廣泛發展，許多學者的實驗結果也驗證了數值模擬的可靠性，通過對不同數值模擬方法進行比較，得到了綜合管廊的最優通風量。

文獻[3]分析了分支風量之間的相互關系，通過改進靈敏度矩陣，建立了通風網絡故障范圍庫，利用全覆蓋法布置了風速傳感器及最優數量，通過數值模擬程序對風速傳感器進行了驗證，結果表明該方法是可行的，但是該方法不利于污染物氣體排放；文獻[4]根據地鐵隧道電纜的特點，采用數值模擬的方式，對地鐵隧道電纜的熱解產物在不同的通風模式下的毒害性分析，數值模擬結果顯示，該方法可以一定程度確保施工人員的安全，但是有毒物質沒有排放到規定范圍內，不利于統一管理。

基于以上背景，本文設計了一種城市單艙綜合管廊最優通風量數值模擬方法，為城市單艙綜合管廊提供安全保障。

1 城市單艙綜合管廊最優通風量數值模擬方法設計

1.1 設置最優通風量數值模擬的邊界條件

對城市單艙綜合管廊最優通風量進行數值模擬之前，先對數值模擬軟件初始化，將模擬參數導入到程序中，設置最優通風量數值模擬的邊界條件，最優通風量數值模擬的邊界條件包括綜合管廊風口邊界條件、墻面及近地面邊界條件以及其他邊界條件等[5]。

(1)綜合管廊風口邊界條件

綜合管廊風口邊界條件的設置采用綜合管廊污染物濃度稀釋法，根據污染物稀釋結果，得到綜合管廊風口的風速v、風向、湍流動能k等參數。選用速度出入口作為送風口和排風口，為綜合管廊風口的邊界條件提供速度值和方向、氣流動能k、氣流耗散率ε、氣溫以及污染物濃度等參數[6]。其中氣流動能k和氣流耗散率ε的計算式如式(1)—式(3)。

(1)

(2)

l=0.07L

(3)

式中，uavg表示綜合管廊中空氣的平均湍流速率;I表示氣體湍流強度;C表示給定的經驗理論值，通常設定為0.09;l表示氣體的湍流長度;L表示綜合管廊風口的關聯尺寸。針對綜合管廊處比較充分的氣體湍流而言，L通常可以近似于水力直徑。

為了使城市單艙綜合管廊處于微負壓狀態，防止綜合管廊內部污染物流入周圍其他管廊內，綜合管廊風口的送風量取排風量值的85%，將綜合管廊送風口的風速設置為3.07 m/s，排風口的風速設置為2.87 m/s，以滿足綜合管廊內部人員的舒適性[7]。綜合管廊風口溫度取室外通風設計參數，如表1所示。

表1 室外通風設計參數

排風口位于綜合管廊的側面，設置綜合管廊內部污染物的初始濃度為3 mg/m3，排風方向為水平向右，排風口處的風速風向為水平向左。

(2)墻面及近地面的邊界條件

將綜合管廊墻面和近地面的空氣流動速度看作是零，與此對應的氣流動能k和氣流耗散率ε的值也是零，綜合管廊內的氣體壓強值也為零，將綜合管廊的墻體設置為絕熱體，不讓其與外界發生熱傳導和熱交換。k-ε模型對于充分發展的氣體湍流才有效，而壁面函數的引入是對近地面和墻壁區的半經驗描述，但是考慮到近地面與墻壁區域的粘性影響，壁面函數可以將近地面和墻壁區與空氣流體的核心區域聯系起來，從而設定墻面及近地面的邊界條件[8]。

(3)其他邊界條件

城市單艙綜合管廊最優通風量的數值模擬中，將污染源設置在綜合管廊的車道上，根據車道流線布置，將污染源簡化為3.6 m的帶狀污染源，空氣散發量的大小根據車道上不同路段的實際散發量來設定，而綜合管廊出入口邊界與外部氣流直接相通，將綜合管廊出入口選定為外部氣壓值的邊界條件。

在初始化數值模擬軟件的基礎上，利用室外通風設計參數，設置了綜合管廊風口的邊界條件，結合墻面及近地面邊界條件和其他邊界條件的設定，完成最優通風量數值模擬邊界條件的設置[9]。接下來通過消除余熱、污染物放散量以及換氣次數3個方面，來計算城市單艙綜合管廊的最優通風量。

1.2 計算城市單艙綜合管廊最優通風量

計算城市單艙綜合管廊最優通風量的方式有很多，城市單艙綜合管廊最優通風量的計算包括正常最優通風量計算和異常最優通風量計算。通過設計城市單艙綜合管廊的模擬示意圖，來計算城市單艙綜合管廊的最優通風量[10]。城市單艙綜合管廊模擬設計圖如圖1所示。

圖1 城市單艙綜合管廊模擬設計圖

一般情況下，城市單艙綜合管廊的正常通風量是根據綜合管廊內部余熱量或污染物氣體的放散量來計算，通常取兩者之間的最大值作為城市單艙綜合管廊正常狀態下的最優通風量，消除余熱最優通風量的計算式和污染物氣體放散量的最優通風量計算式如下。

(1)消除余熱的最優通風量計算

假設城市單艙綜合管廊在正常狀態下，開通n條管廊，單條管廊的散熱量為100kW，散熱總量為Q=100×103n，可以計算得到消除余熱的最優通風量為式(4)。

(4)

式中，a表示綜合管廊內部的設計溫度，單位℃；b表示四季通風計算溫度，單位℃；C表示比熱容;ρ表示綜合管廊內部空氣密度;Δt表示溫度差。

(2)排除污染物氣體放散量的最優通風量計算

同樣假設城市單艙綜合管廊處于正常狀態下，計算最優通風量為式(5)

(5)

式中，L表示最優通風量，單位m3/h；W表示污染物氣體的最大放散量，單位kg/h；LEL表示污染物氣體的排放下限，單位mg/m3；K表示綜合管廊的安全系數，最小取值為4；T表示綜合管廊的環境溫度，單位℃。

在計算消除余熱和排除污染物氣體放散量的最優通風量的基礎上，采用全面通風的方式，計算綜合管廊的進風量和排風量，使綜合管廊內部的污染物濃度降至最低[11]。當綜合管廊處于全面通風狀態時，綜合管廊內部的污染物氣體濃度值基本保持不變，令綜合管廊內部的污染物氣體濃度為C，污染物氣體量為G，綜合管廊通風系統在開啟dτ時間段內，最優通風量的有質量平衡方程如式(6)。

(6)

式中，G表示綜合管廊內部污染物氣體的散發量，單位mg/h；C0表示污染物氣體的濃度，單位mg/m3；V表示污染物氣體的體積。

當綜合管廊通風系統開啟t段時間之后，污染物氣體濃度就會從室外的濃度C0轉變成C，因此就形成了式(7)。

(7)

對式(7)求積分，可以得到式(8)。

(8)

當通風系統的開啟時間趨近于無窮大時，綜合管廊內部的污染物氣體濃度就會越趨于穩定[12]，那么就可以計算城市單艙綜合管廊的最優通風量為式(9)。

(9)

從式(9)可以看出，影響城市單艙綜合管廊通風量的因素有很多，污染物氣體濃度是影響最優通風量的直接因素，通風標準越苛刻，最優通風量就會越大。

以上模擬了城市單艙綜合管廊的設計圖，計算了消除余熱和排除污染物氣體放散量的最優通風量，在此基礎上，采用全面通風的方式，計算了城市單艙綜合管廊的最優通風量[13]，接下來通過建立綜合管廊最優通風量數值模擬模型，來實現綜合管廊最優通風量的數值模擬。

1.3 數值模擬綜合管廊最優通風量

在數值模擬綜合管廊最優通風量之前，需要引入數值模擬程序，將綜合管廊最優通風量的邊界條件、求解得到的最優通風量數值導入到數值模擬程序中，利用數值模擬程序求解，來求出數值模擬最優通風量。數值模擬程序的求解流程如圖2所示。

圖2 數值模擬程序的求解流程

根據數值模擬程序的求解流程，通過建立能量守恒方程，來求出數值模擬綜合管廊的最優通風量[14]。k-ε模型中的k還可以通過式(10)來取值計算。

(10)

利用k-ε模型中的ε可以將粘度系數μt與k結合，即式(11)。

(11)

式中，Cμ表示經驗常數。

為了得到綜合管廊的溫度分布和通風能力，利用數值模擬求解得到綜合管廊的最優通風量守恒方程為式(12)。

(12)

基于以上求解過程，得到了綜合管廊最優通風量的數值模擬流程，如圖3所示。

圖3 綜合管廊最優通風量的數值模擬流程

綜上所述，先初始化數值模擬軟件，通過設置綜合管廊風口邊界條件、墻面及近地面邊界條件以及其他邊界條件，計算了城市單艙綜合管廊最優通風量，利用數值模擬程序求解，實現了綜合管廊最優通風量的數值模擬[15]。

2 實驗對比分析

2.1 速度場的通風效果對比分析

城市單艙綜合管廊的通風，要求通風系統必須具備全面均勻的布置，在最優通風量的數值模擬實驗中，利用文獻[1]數值模擬方法和文獻[2]數值模擬方法作為實驗對比對象，得到了速度場的分布結果，如圖4所示。

從圖4的實驗結果可以看出，提出的數值模擬方法在速度場的分布比較均勻，而采用文獻[1]和文獻[2]的數值模擬方法，在速度場的數值分布不均，主要集中在一處。可見，城市單艙綜合管廊內的空氣流量均勻度明顯好于文獻[1]和文獻[2]的數值模擬方法，使得綜合管廊的排風口都可以充分發揮作用，排風口處每一股空氣流之間沒有混雜，該方法雖然不會將從排風口出來的污染物氣體帶到室外，但是將污染物氣體進行了稀釋，從而使排風口下面的氣體濃度降低，效果明顯優于文獻[1]和文獻[2]的方法，整體的稀釋效果較好。

(a)提出的數值模擬方法

2.2 濃度場的通風效果對比分析

不同數值模擬方法下，濃度場的通風效果分布圖如圖5所示。

(a)提出的數值模擬方法

從圖5的實驗結果可以看出，文獻[1]和文獻[2]的數值模擬方法在濃度場的通風效果分布不均勻，主要集中在50-70 m3,而且整體數值都大于提出的數值模擬方法，不僅只有綜合管廊的落客平臺處濃度區域大，濃度數值也相對較高，而提出的數值模擬方法在濃度場的通風效果分布均勻，數值普遍較低，濃度數值大就不能滿足人員對綜合管廊的空氣質量的要求，而提出的數值模擬方法可以將綜合管廊內的分量送到需要的地方，具有很強的優越性。

2.3 壓強場的通風效果對比分析

不同數值模擬方法下，壓強場的通風效果分布圖如圖6所示。

(a)提出的數值模擬方法

從圖6的實驗結果可以看出，文獻[1]和文獻[2]的數值模擬方法在綜合管廊壓強場的通風效果分布不均勻，有的地方數值高，有的地方數值低，且高數值集中在一個區域，處于微負壓狀態，壓強場的通風效果分布與速度場的分布結果基本是一致的，但是提出的數值模擬方法在壓強場的通風效果分布是非常均勻的，這樣就會導致綜合管廊內的空氣流動的擾動加強，有利于氣體污染物的擴散，說明提出的數值模擬方法對綜合管廊內部的氣流有明顯的擾動，具有良好的通風效果。

綜合以上實驗結果可以看出，無論是在綜合管廊的速度場、濃度場還是壓強場，提出的數值模擬方法都具有良好的通風效果。

3 總結

本文提出了城市單艙綜合管廊最優通風量數值模擬研究。利用室外通風設計參數，設置了最優通風量數值模擬邊界條件，通過模擬城市單艙綜合管廊的設計圖，計算了城市單艙綜合管廊的最優通風量，結合綜合管廊最優通風量數值模擬流程，實現了城市單艙綜合管廊最優通風量的數值模擬。實驗結果顯示，提出的數值模擬方法具有良好的通風效果。