某地下廠房通風結構改造與實踐研究

趙合全

(中鐵十四局集團大盾構工程有限公司 江蘇南京 211899)

1 引言

改革開放以來，我國地下工程發展迅速，無論是在水利水電工程，還是在礦井開挖或隧道開挖領域，其數量呈指數型增長，涌現出越來越多的地下洞室群。而地下洞室群中地下廠房通風是保障施工安全的主要技術手段之一[1－3]。地下洞室群具有縱橫交錯，平、斜、豎相貫等特點，洞內的施工通風氣流是一種復雜的三維非穩態流動，流體的各種物理參數都隨時間和空間發生隨機變化，其施工通風特性具復雜性和相異性。如何更好地真實模擬通風方案及施工條件下的實際通風效果以及優化通風設計是目前工程設計人員面臨的主要難題。

近年來，基于計算流體動力學的施工通風流場三維數值模擬逐漸運用于地下洞室群施工期通風優化設計，該方法能考慮實際通風流場中存在射流、回流、紊流等區域的各向異性，模擬不同通風方案。Musto[4]和Nan Chunzi[5]采用數值模擬方法研究了射流風機參數對隧道通風系統的影響。Isidro Diego[6]提出了一種利用CFD手段計算任意幾何形狀隧道內空氣損失的方法并通過理論計算驗證了該方法的準確性和適用性。孫會想等[7]依托白鶴灘水電站工程，構建了三維非穩態湍流場模型，研究了復雜地下洞室群開挖期通風散煙特點和規律，提出一套高效節能的“進＋排”通風系統。高彥明等[8]優化了現有自然通風網絡模型，并利用優化后的模型計算了大萬山島海水抽水蓄能電站全年的自然通風情況。施晨等[9]運用CFD方法結合現場測試數據進行模型驗證之后，針對2種優化方案進行CFD數值計算選取優化方案，并根據該方案進行現場試驗。馬希平[10]運用數值模擬方法，結合二郎山特長隧道現場測試數據，研究熱位差對斜井反井法施工通風的影響。

目前的研究大部分都是針對其特定結構洞室，對本廠房的通風結構不適用。因此，本文以某洞室群地下廠房區域為研究對象，對洞室群前期的通風結構進行改造，使其保證后續施工中主廠房內的流場流動性，并將此方案運用于實際工程，最終確定其通風可行性。

2 廠房前期通風情況

某地下廠房前期采用雙向同時爆破的方式進行開挖，如圖1所示，在未貫通前通道1及通道2同時施工，均采用壓入式送風的通風方式。待廠房貫通后，原有的通風方式已經不能滿足正常的工作，因此需要對之前的通風結構進行改造。改造方案初步定為在現有結構上增加一通風豎井，將一風機置于主廠房入口送風，一風機置于豎井下端抽風，形成壓入抽出式的混合型通風方式。

圖1 某地下廠房前期施工布置

3 通風優化數值模型

3.1 數學模型選定

為了準確描述洞室內的氣體流動，數學模型的建立需滿足以下假設:

(1)氣體為非定常的粘性不可壓穩態湍流流動。

(2)不考慮洞室內的機電設備散熱，計算域內無內熱源，不與外界發生熱量交換，忽略通風氣體流動過程中的溫度變化。

基于以上假設，氣體的流動遵循質量守恒定律、動量定理、能量守恒與轉換定律等定理，由此導出的控制方程如下:

式中:ρ為空氣密度；U＝(u，v，w)為氣體流速；p為氣流壓力:τ為粘性應力:SM為動量方程的廣義源項；T為溫度；k為空氣熱傳導率；SE為能量方程的源項。

地下洞室群內的氣體流動為典型的湍流流動，其中RNGk-ε模型考慮到了湍流旋渦，而且在預測近壁面流動和低雷諾數流動方面具有很大的優勢，在精度和效率方面表現良好。因此，本文采用RNGk-ε模型來模擬地下洞室群內的通風情況。湍流動能k和湍流動能耗散率ε由以下輸運方程得到:

式中:μe＝μl＋μt為有效湍流粘度，μl為運動粘度系數，μt為湍流粘度系數；Gk為平均速度梯度產生的湍流動能；Gb為浮力產生的湍流動能；αk和αε分別為k和ε的反有效普朗特數；Cε1和Cε2為常數，其值分別為1.42和1.68。

3.2 幾何模型建立

在改造通風方案中，增加的排風豎井作為污風排出的主要通道，其布置位置對地下洞室群的整體通風效果有重要影響。結合工程實際以及現場地形因素限制，提出豎井通道與通道2夾角為115°的方案，如圖2所示，并建立其幾何模型，如圖3所示。

圖2 豎井位置示意

圖3 幾何模型

3.3 邊界條件設定

根據洞室內現場情況及實測數據確定數值模擬主要設置參數。數值模型中邊界條件具體設置如表1所示。

表1 數值模擬邊界條件及參數設置

4 通風優化結構模擬與實踐

4.1 通風結果模擬分析

速度場分布是分析流體動力學的關鍵特征之一。由于主廠房形狀不規則，且進出口與多條支洞相連，洞內通風氣流形態復雜，因此在主廠房不同的位置建立截面研究內部流場。由圖4可以看出，由于風機射流的存在以及主廠房形狀不規則，洞內流場分布較為復雜，來自入口風機的高速射流沿洞室底部向前流動，射流邊界不斷擴展；當氣流到達主廠房洞壁后受到阻擋向上流動，一部分由通風兼安全洞排出，另一部分受頂部洞壁阻擋后向后流動產生回流。由于上下兩股方向相反的氣流之間存在速度差，因此在洞室內形成漩渦，在x＝0 m到x＝120 m范圍內存在兩處較大范圍的漩渦，部分污染物會在渦流區域內循環，需要較長時間進行稀釋和排放，對污風的排出有不利影響。由圖5可以看到在排風豎井下端平洞與通道2的分叉口區域的流場情況，其左側流場流速大于右側流場流速，可知豎井平洞左側流場抑制了右側流場的空氣從排風豎井排出，因此從主廠房流入通道2的空氣也相應會被抑制。

圖4 主廠房速度矢量圖

圖5 分叉口區域速度矢量圖

針對上述通風情況，為增大負壓風機對主廠房空氣流動的作用，通過增設擋風隔板的方式來阻擋部分左側的空氣，改變隧道通風走向來改善主廠房的通風效果，擋風隔板位置如圖3所示。圖6為增設擋風隔板后主廠房內空氣流動的變化，圖6與圖4相比，圖6中的漩渦范圍明顯變小，且流場分布更均勻。從圖7中可知，擋風隔板的增加使得豎井平洞右側的空氣流速明顯增大，從而更有利于主廠房中的污風排出，對改善主廠房通風效果有一定作用。

圖6 主廠房速度矢量圖(優化后)

圖7 分叉口區域速度矢量圖(優化后)

為更加合理直觀地對比擋風隔板增設前后洞室內的氣流組織效果，引入速度非均勻系數對洞室內工作區域速度分布的均勻程度進行評價。速度不均勻系數由式(6)定義[11－12]:

式中:σv為速度的均方根偏差；為空氣的平均速度。

顯然，速度不均勻系數值越小，表明空氣分布越均勻。在距主廠房地面1.7 m處平面上選取500個等距測點，距主變洞地面1.7 m處平面上選取300個等距測點，調取各測點的風速值按式(6)進行計算，結果如表2所示。

表2 主廠房內工作平面速度不均勻系數

由表2可以看出，當洞內空氣達到穩態后，增設擋風隔板后主廠房工作平面的平均速度提高25.3%，而速度不均勻系數則降低了12.33%。

4.2 現場應用及模型驗證

將豎井通風以及增設擋風隔板的通風形式應用于實際工程中，如圖8所示，并沿通道1→主廠房→通道2方向上進行現場測試測量風速，測量點位置在圖3中標出。與仿真結果進行對比，結果如圖9所示，風速的數值模擬結果與現場實測結果變化規律大致相同，平均相對誤差為8.7%，仿真值與實測值基本吻合，證明了本文建立的數值模型的正確性。

圖8 風機增設及擋風隔板增設

圖9 特征點風速實測值與仿真值對比

5 結論

(1)本文以某洞室群工程地下廠房為例，對其施工前期的通風結構進行改造，應用FLUENT軟件對地下洞室群的通風情況進行了仿真研究。

(2)提出了增加豎井排風及增加擋風隔板的方式來改變通風系統結構，采用混合式通風方式使地下廠房形成下進上出的通風氣流。增設擋風隔板后主廠房工作平面的平均速度提高25.3%，而速度不均勻系數則降低了12.33%。

(3)將改造方案運用于實際工程，并通過現場測試驗證了仿真模型正確性，風速的數值模擬結果與現場實測結果變化規律大致相同，平均相對誤差為8.7%。