公路隧道通風流場分布及壁面壓力特性研究

陳愛娟,楊振峰

(1. 南京市溧水區交通運輸局, 江蘇 南京 211200;2. 水下隧道智能設計、建造與養護技術與裝備交通運輸行業研發中心, 江蘇 南京 210014;3. 華設設計集團股份有限公司, 江蘇 南京 210014)

隧道通風是長公路隧道建設和運營面臨的重要問題,國內外建設經驗表明,長大公路隧道通風設備及土建費用占整個工程造價的30%～40%,在隧道運營階段,通風費用亦是一筆巨大開支.隧道內流場組成復雜,包括自然風、交通風和機械通風,建立隧道內交通風模擬方法、揭示交通風流場分布及壁面壓力特性是公路隧道通風設計和優化的關鍵,具有重要的研究意義.

關于公路隧道內交通風流場分布及壁面壓力特性已有大量研究.文獻[1]以東天山隧道1號斜井為依托,提出節能型全拼裝式鋼波紋板中隔墻技術,通過數值模擬及理論計算方法驗證其在單洞四風道通風斜井中的可行性;文獻[2]以青島地鐵1號線瓦屋莊站—貴州路站海底區間隧道為研究對象,建立了隧道通風排煙物理模型系統;文獻[3]基于Fluent軟件對自然風與交通風在公路隧道內運動特性進行數值模擬,考慮車輛行駛速度、交通量、自然風風速與風向對隧道通風的影響;文獻[4]依托樂紅特長隧道工程,介紹了工程概況、需風量計算、通風方案論證;文獻[5]介紹了蘇錫常太湖隧道的通風系統,重點對縱向通風方式的選取、需風量的計算、排煙設計以及排煙控制邏輯進行了分析;文獻[6]為了研究通風風管在隧道施工通風中對瓦斯擴散的影響,通過計算流體動力學數值仿真,建立瓦斯在隧道內的運移模型,詳細探究了不同風管直徑、風管口距工作面距離、風管懸掛位置以及風管貼壁間隙對隧道風流場及瓦斯分布規律的影響;文獻[7]采用Fluent軟件對隧道通風中軸流風機并聯運行工況進行了仿真分析;文獻[8-10]對隧道通風系統優化措施進行了研究.

現有研究對隧道交通風、自然風規律以及壁面壓力較少涉及.本文以204省道溧水段華僑城隧道工程為工程背景,基于計算流體力學軟件Fluent結合動網格和嵌套網格技術,開展公路隧道內交通風場數值模擬研究,旨在揭示公路隧道內流場分布及隧道壁面壓力規律,為隧道通風設計和優化提供參考.

1 基于動網格和嵌套網格技術的公路隧道內交通風場模擬方法

1.1 工程背景

華僑城隧道位于204省道溧水段,起于204省道與濱淮大道交叉處,為下穿機場路、荷花路、一干河的地下通道,采用一級公路兼顧城市主干路標準,主線為雙向六車道,設計速度為80 km/h,隧道總長2 015 m,其中暗埋段1 545 m,主線隧道暗埋標準段為單箱雙室結構,雙向六車道,單孔主線隧道建筑限界: 凈寬為13.50 m=0.25 m(安全帶)+0.50 m(路緣帶)+3.75 m×3(行車道)+0.75 m(路緣帶)+0.75 m(檢修道);凈高為5.0 m.隧道斷面如圖1所示.通風系統采用射流風機誘導的縱向通風兼排煙方式,正常交通情況下車輛時速為40～80 km/h,可利用車流產生的活塞風實現節能運行;全程怠速車輛時速為20～40 km/h,局部阻滯車輛時速為≤20 km/h,采用射流風機通風;火災時采用縱向排煙.

圖1 隧道斷面布置示意圖(單位:cm)

1.2 計算原理

根據送風方式和送風原理,公路隧道的通風方式可以劃分為自然通風方式和機械通風方式.隧道內的自然壓差和車輛行駛時產生的活塞作用形成的風壓稱為自然通風.自然通風不需要機械設備及電力,理想情況下最節能.機械通風方式又分為縱向、全橫向和半橫向等通風方式.

本文基于流體力學有關理論,通過ICEM CFD軟件建立公路隧道全尺寸模型,研究自然通風和機械通風是否滿足隧道需風量要求,隧道與車輛模型如圖2和圖3所示.

圖2 三維隧道(右線)網格圖(1 545 m)

1.3 邊界條件設定

本文設定計算邊界類型及條件如表1所示.隧道主道、匝道入口為速度入口條件,出口為壓力出口條件,設為大氣壓強值,這與隧道的實際情況相符;隧道四周、車輛為壁面邊界條件,其粗糙度由隧道實際粗糙度給定.采用k-epsilon湍流模型模擬隧道內空氣情況.

表1 計算模型邊界條件

2 隧道內自然風通風規律

為了盡可能利用隧道內自然風,通過仿真方法分析三種工況下(見表2)華僑城隧道內自然風分布規律,得到三種工況下壁面靜壓力、速度矢量、動應力云圖結果如圖4至圖6所示.

表2 三種工況下通風計算主要參數

(a) 靠近匝道一側壁面

正常行車工況下設計控制風速假定為10 m/s,隧道壁面壓力變化如圖4所示.根據《公路隧道通風設計細則》[11]計算隧道自然風出入口處靜壓力約為311.2 Pa.Fluent數值模擬計算入口處靜壓力約為319.0 Pa,計算值與模擬值基本吻合,驗證了模型與方法的準確性.

火災工況下設計控制風速假定為3 m/s,隧道壁面壓力變化如圖5所示.根據《公路隧道通風設計細則》計算隧道自然風出入口處靜壓力約為28.0 Pa,Fluent數值模擬計算入口處靜壓力約為30.2 Pa,計算值與模擬值基本吻合.

稀釋異味工況下設計控制風速假定為2.5 m/s,隧道壁面壓力變化如圖6所示.根據《公路隧道通風設計細則》計算隧道自然風出入口處靜壓力約為19.5 Pa,模擬入口處靜壓力約為21.4 Pa,計算值與模擬值基本吻合,驗證了所建模型的準確性.

三種工況下隧道自然風壁面靜壓力結果表明,自然風進入隧道后,隨著沿程長度增加,隧道內風壓逐漸減小,到出口前基本降為0 Pa,難以產生足夠壓力差,無法滿足通風要求,須采用機械通風予以解決.

3 隧道交通風通風規律

3.1 交通風下二維隧道流場及風壓分布

車輛初始位置位于車尾距華僑城隧道入口2 m處,車輛行駛距離為1 545 m(隧道暗埋段總長)-5 m(車輛長度)-2 m=1 538 m,單一車輛以最大行車設計車速22 m/s(設計車速80 km/h)行駛時車輛總移動時間為69.9 s.Fluent瞬態模型設置時間步距為0.1 s,因此共需要699步,圖7為第60 s時隧道內靜壓力、速度分布云圖.

(a) 靜壓力分布云圖

由圖7可見,隧道中車輛行駛為一個動態過程,當車輛行駛至隧道某一局部環車輛前部空氣的靜壓力會因為車輛行駛交通風的影響在局部范圍內擴大,同時呈隧道沿程方向向前擴散分布.車輛行駛途經之處車輛后部空氣瞬時靜壓力比前部空氣靜壓力小,且車輛運動時隧道后方區域基本為負壓.隧道內動壓力與速度矢量只在車輛運動周圍以及車輛行駛正后方分布明顯,其他距離較遠處以及隧道壁面量值較少或沒有量值.

通過不同時刻車輛運行到不同位置時周圍壓力分布可以看出:由于受到交通風氣流的正面影響,在車輛行駛過程中車輛正前部位壓力隨運動過程產生變化,車輛正前部位相對環車輛其他部位在行駛過程中靜壓力大,同時隨著車輛行駛過程的遞進逐步遞減;車輛左前與右前部分靜壓力較小,且為負壓力;接近車輛尾部流場區域產生速度矢量渦流聚集的情況,導致車輛尾部中心處交通風風量較其他部位大,由于渦流在車輛組件流場區域車輛正前方開始擴散,遇到邊界便回擴到其他流體區域,這使得車輛側邊左前方與右前方同樣出現速度矢量聚集的情況.

3.2 三車并排行駛工況流場分布及壁面壓力

三車并排行駛車輛在隧道中以22 m/s速度行駛,通過模型模擬分析隧道中車輛運動至某一具體位置隧道兩側壁面壓力的變化,研究隧道壁面壓力特性分布規律.圖8、圖9 為 三車以22 m/s車速并排行駛時隧道內流場分布及壁面壓力模擬結果.

(a) 第40 s動壓力

圖9 交通風作用下三車并排行駛時隧道兩側壁面壓力變化圖

由圖8、圖9可見,在隧道內三車并排行駛比單車作用下交通風影響更為明顯,數值模擬分析結果表明交通風具有初期風速高、后逐漸穩定的變化特點.由于三車并排行駛時對前部空氣擾動更為明顯,局部范圍內擴大效果也更為突出.采用動網格方法研究得出,三車并排行駛在局部隧道時每一車輛產生的交通風對前部隧道內空氣靜壓力存在共同影響且相互加強,使得前部空氣在較大范圍內擴大;對行駛過后的隧道擾動范圍較大,交通風風速矢量分布廣,隧道內空氣動壓明顯增強.

選擇車輛尾部后0.5 m處與二維車輛寬度等長布置1條檢測線,計算得出各時刻車輛運動到距隧道入口不同距離處時檢測線上交通風速度矢量的平均值,如圖10所示.

圖10 各時刻車尾檢測線交通風平均風速

由圖10可見,車輛產生的交通風風速在車輛行進的過程中逐步減小,在行駛進程中由于氣流推動的影響有少許波動,但車輛在隧道全程運動過程產生的交通風大小大致趨勢維持穩定.根據本工程設計參數,在正常工況下(車速40～80 km/h)隧道內交通風速在10～26 m/s,能夠滿足行車需求,此時無需開啟風機,設計方案中在車速大于40 km/h時依靠活塞風通風是合理的;在交通阻滯時,隧道內交通風在10 m/s以下,無法滿足隧道內空氣質量要求,此時需要設置和開啟風機.

4 結論

本文進行了公路隧道內交通風流場分布及壁面壓力特性研究,主要結論為:

1) 自然風進入隧道后,隨著沿程長度增加,隧道內風壓逐漸減小,到出口前基本降為0 Pa,難以產生足夠壓力差,無法滿足通風要求,必須采用機械通風;

2) 車輛產生的交通風風速在車輛行進過程中逐步減小,在行駛進程中存在氣流推動的影響有少許波動,但車輛在隧道全程運動過程產生的交通風大小大致趨勢維持穩定,在正常工況下(車速40～80 km/h),隧道內交通風速在10～26 m/s,能夠滿足行車需求,此時無需開啟風機,車速大于40 km/h時依靠活塞風通風是合理的;

3) 全程怠速(時速20～40 km/h)和局部阻滯(車速≤20 km/h)工況下,隧道內風速較低,不能依靠自然通風和交通風進行通風,需要采用機械通風改善隧道空氣環境,設計時應該考慮采用合理的射流風機形式,建議采用三臺射流風機布置于隧道頂部.