公路隧道通风流场分布及壁面压力特性研究

陈爱娟,杨振峰

(1. 南京市溧水区交通运输局, 江苏 南京 211200;2. 水下隧道智能设计、建造与养护技术与装备交通运输行业研发中心, 江苏 南京 210014;3. 华设设计集团股份有限公司, 江苏 南京 210014)

隧道通风是长公路隧道建设和运营面临的重要问题,国内外建设经验表明,长大公路隧道通风设备及土建费用占整个工程造价的30%～40%,在隧道运营阶段,通风费用亦是一笔巨大开支.隧道内流场组成复杂,包括自然风、交通风和机械通风,建立隧道内交通风模拟方法、揭示交通风流场分布及壁面压力特性是公路隧道通风设计和优化的关键,具有重要的研究意义.

关于公路隧道内交通风流场分布及壁面压力特性已有大量研究.文献[1]以东天山隧道1号斜井为依托,提出节能型全拼装式钢波纹板中隔墙技术,通过数值模拟及理论计算方法验证其在单洞四风道通风斜井中的可行性;文献[2]以青岛地铁1号线瓦屋庄站—贵州路站海底区间隧道为研究对象,建立了隧道通风排烟物理模型系统;文献[3]基于Fluent软件对自然风与交通风在公路隧道内运动特性进行数值模拟,考虑车辆行驶速度、交通量、自然风风速与风向对隧道通风的影响;文献[4]依托乐红特长隧道工程,介绍了工程概况、需风量计算、通风方案论证;文献[5]介绍了苏锡常太湖隧道的通风系统,重点对纵向通风方式的选取、需风量的计算、排烟设计以及排烟控制逻辑进行了分析;文献[6]为了研究通风风管在隧道施工通风中对瓦斯扩散的影响,通过计算流体动力学数值仿真,建立瓦斯在隧道内的运移模型,详细探究了不同风管直径、风管口距工作面距离、风管悬挂位置以及风管贴壁间隙对隧道风流场及瓦斯分布规律的影响;文献[7]采用Fluent软件对隧道通风中轴流风机并联运行工况进行了仿真分析;文献[8-10]对隧道通风系统优化措施进行了研究.

现有研究对隧道交通风、自然风规律以及壁面压力较少涉及.本文以204省道溧水段华侨城隧道工程为工程背景,基于计算流体力学软件Fluent结合动网格和嵌套网格技术,开展公路隧道内交通风场数值模拟研究,旨在揭示公路隧道内流场分布及隧道壁面压力规律,为隧道通风设计和优化提供参考.

1 基于动网格和嵌套网格技术的公路隧道内交通风场模拟方法

1.1 工程背景

华侨城隧道位于204省道溧水段,起于204省道与滨淮大道交叉处,为下穿机场路、荷花路、一干河的地下通道,采用一级公路兼顾城市主干路标准,主线为双向六车道,设计速度为80 km/h,隧道总长2 015 m,其中暗埋段1 545 m,主线隧道暗埋标准段为单箱双室结构,双向六车道,单孔主线隧道建筑限界: 净宽为13.50 m=0.25 m(安全带)+0.50 m(路缘带)+3.75 m×3(行车道)+0.75 m(路缘带)+0.75 m(检修道);净高为5.0 m.隧道断面如图1所示.通风系统采用射流风机诱导的纵向通风兼排烟方式,正常交通情况下车辆时速为40～80 km/h,可利用车流产生的活塞风实现节能运行;全程怠速车辆时速为20～40 km/h,局部阻滞车辆时速为≤20 km/h,采用射流风机通风;火灾时采用纵向排烟.

图1 隧道断面布置示意图(单位:cm)

1.2 计算原理

根据送风方式和送风原理,公路隧道的通风方式可以划分为自然通风方式和机械通风方式.隧道内的自然压差和车辆行驶时产生的活塞作用形成的风压称为自然通风.自然通风不需要机械设备及电力,理想情况下最节能.机械通风方式又分为纵向、全横向和半横向等通风方式.

本文基于流体力学有关理论,通过ICEM CFD软件建立公路隧道全尺寸模型,研究自然通风和机械通风是否满足隧道需风量要求,隧道与车辆模型如图2和图3所示.

图2 三维隧道(右线)网格图(1 545 m)

1.3 边界条件设定

本文设定计算边界类型及条件如表1所示.隧道主道、匝道入口为速度入口条件,出口为压力出口条件,设为大气压强值,这与隧道的实际情况相符;隧道四周、车辆为壁面边界条件,其粗糙度由隧道实际粗糙度给定.采用k-epsilon湍流模型模拟隧道内空气情况.

表1 计算模型边界条件

2 隧道内自然风通风规律

为了尽可能利用隧道内自然风,通过仿真方法分析三种工况下(见表2)华侨城隧道内自然风分布规律,得到三种工况下壁面静压力、速度矢量、动应力云图结果如图4至图6所示.

表2 三种工况下通风计算主要参数

(a) 靠近匝道一侧壁面

正常行车工况下设计控制风速假定为10 m/s,隧道壁面压力变化如图4所示.根据《公路隧道通风设计细则》[11]计算隧道自然风出入口处静压力约为311.2 Pa.Fluent数值模拟计算入口处静压力约为319.0 Pa,计算值与模拟值基本吻合,验证了模型与方法的准确性.

火灾工况下设计控制风速假定为3 m/s,隧道壁面压力变化如图5所示.根据《公路隧道通风设计细则》计算隧道自然风出入口处静压力约为28.0 Pa,Fluent数值模拟计算入口处静压力约为30.2 Pa,计算值与模拟值基本吻合.

稀释异味工况下设计控制风速假定为2.5 m/s,隧道壁面压力变化如图6所示.根据《公路隧道通风设计细则》计算隧道自然风出入口处静压力约为19.5 Pa,模拟入口处静压力约为21.4 Pa,计算值与模拟值基本吻合,验证了所建模型的准确性.

三种工况下隧道自然风壁面静压力结果表明,自然风进入隧道后,随着沿程长度增加,隧道内风压逐渐减小,到出口前基本降为0 Pa,难以产生足够压力差,无法满足通风要求,须采用机械通风予以解决.

3 隧道交通风通风规律

3.1 交通风下二维隧道流场及风压分布

车辆初始位置位于车尾距华侨城隧道入口2 m处,车辆行驶距离为1 545 m(隧道暗埋段总长)-5 m(车辆长度)-2 m=1 538 m,单一车辆以最大行车设计车速22 m/s(设计车速80 km/h)行驶时车辆总移动时间为69.9 s.Fluent瞬态模型设置时间步距为0.1 s,因此共需要699步,图7为第60 s时隧道内静压力、速度分布云图.

(a) 静压力分布云图

由图7可见,隧道中车辆行驶为一个动态过程,当车辆行驶至隧道某一局部环车辆前部空气的静压力会因为车辆行驶交通风的影响在局部范围内扩大,同时呈隧道沿程方向向前扩散分布.车辆行驶途经之处车辆后部空气瞬时静压力比前部空气静压力小,且车辆运动时隧道后方区域基本为负压.隧道内动压力与速度矢量只在车辆运动周围以及车辆行驶正后方分布明显,其他距离较远处以及隧道壁面量值较少或没有量值.

通过不同时刻车辆运行到不同位置时周围压力分布可以看出:由于受到交通风气流的正面影响,在车辆行驶过程中车辆正前部位压力随运动过程产生变化,车辆正前部位相对环车辆其他部位在行驶过程中静压力大,同时随着车辆行驶过程的递进逐步递减;车辆左前与右前部分静压力较小,且为负压力;接近车辆尾部流场区域产生速度矢量涡流聚集的情况,导致车辆尾部中心处交通风风量较其他部位大,由于涡流在车辆组件流场区域车辆正前方开始扩散,遇到边界便回扩到其他流体区域,这使得车辆侧边左前方与右前方同样出现速度矢量聚集的情况.

3.2 三车并排行驶工况流场分布及壁面压力

三车并排行驶车辆在隧道中以22 m/s速度行驶,通过模型模拟分析隧道中车辆运动至某一具体位置隧道两侧壁面压力的变化,研究隧道壁面压力特性分布规律.图8、图9 为 三车以22 m/s车速并排行驶时隧道内流场分布及壁面压力模拟结果.

(a) 第40 s动压力

图9 交通风作用下三车并排行驶时隧道两侧壁面压力变化图

由图8、图9可见,在隧道内三车并排行驶比单车作用下交通风影响更为明显,数值模拟分析结果表明交通风具有初期风速高、后逐渐稳定的变化特点.由于三车并排行驶时对前部空气扰动更为明显,局部范围内扩大效果也更为突出.采用动网格方法研究得出,三车并排行驶在局部隧道时每一车辆产生的交通风对前部隧道内空气静压力存在共同影响且相互加强,使得前部空气在较大范围内扩大;对行驶过后的隧道扰动范围较大,交通风风速矢量分布广,隧道内空气动压明显增强.

选择车辆尾部后0.5 m处与二维车辆宽度等长布置1条检测线,计算得出各时刻车辆运动到距隧道入口不同距离处时检测线上交通风速度矢量的平均值,如图10所示.

图10 各时刻车尾检测线交通风平均风速

由图10可见,车辆产生的交通风风速在车辆行进的过程中逐步减小,在行驶进程中由于气流推动的影响有少许波动,但车辆在隧道全程运动过程产生的交通风大小大致趋势维持稳定.根据本工程设计参数,在正常工况下(车速40～80 km/h)隧道内交通风速在10～26 m/s,能够满足行车需求,此时无需开启风机,设计方案中在车速大于40 km/h时依靠活塞风通风是合理的;在交通阻滞时,隧道内交通风在10 m/s以下,无法满足隧道内空气质量要求,此时需要设置和开启风机.

4 结论

本文进行了公路隧道内交通风流场分布及壁面压力特性研究,主要结论为:

1) 自然风进入隧道后,随着沿程长度增加,隧道内风压逐渐减小,到出口前基本降为0 Pa,难以产生足够压力差,无法满足通风要求,必须采用机械通风;

2) 车辆产生的交通风风速在车辆行进过程中逐步减小,在行驶进程中存在气流推动的影响有少许波动,但车辆在隧道全程运动过程产生的交通风大小大致趋势维持稳定,在正常工况下(车速40～80 km/h),隧道内交通风速在10～26 m/s,能够满足行车需求,此时无需开启风机,车速大于40 km/h时依靠活塞风通风是合理的;

3) 全程怠速(时速20～40 km/h)和局部阻滞(车速≤20 km/h)工况下,隧道内风速较低,不能依靠自然通风和交通风进行通风,需要采用机械通风改善隧道空气环境,设计时应该考虑采用合理的射流风机形式,建议采用三台射流风机布置于隧道顶部.