石平1 晏丽霞2
1.湖北省交通规划设计院股份有限公司 武汉 430050
2.中交第二公路勘察设计研究院有限公司 武汉 430051
摘要：公路隧道通风系统斜、竖井送排风道与隧道主洞之间存在三通型式连接风道结构。现有文献及通风设计规范虽有涉及三通风道的参数选取，但远远不能满足设计和资源节约的要求，特别是对长、特长隧道运营通风能耗影响显著，甚至造成很大的资源浪费。文章应用著名的流体力学有限元软件Fluent提供的数值模拟方法，研究了公路隧道通风中三通型结构合流局部效应阻力损失特征。
关键词：公路隧道 通风 三通合流 局部效应 数值模拟
1引言
在公路隧道分段纵向通风系统中，斜、竖井送排风道与隧道主洞连接段存在三通形式的连接风道结构。这些三通风道截面面积及形状、截面积比值、截面流量比和风道截面连接角度等参数如何选取，现有文献及通风设计规范虽有涉及但不够全面具体，为了使通风能耗达到最小，从而最大限度降低隧道通风运营成本，文章拟采用CFD有限元数值模拟方法，分别对三通合流结构风道流场进行三维数值模拟，分析研究几何参数变化时的局部损失系数，提出三通风道在不同气流状态条件下的优化建议及最优参数范围，为公路隧道通风设计提供有益参考。
2 研究的方法及内容
文章采用有限元数值模拟方法，计算理论为K～ε双参数方程。研究的内容包括三通合流主要包括900合流、直向及900合流。模型参数、边界条件取隧道实际设计参数。
2.1 900合流损失分析
三通局部效应影响因素：截面面积及形状、截面积比值、截面流量比和风道截面的连接角度等。模拟计算采用的物性参数为标准状况下空气参数[1]，参数值如表1所示。
表1 空气性质和参数值
为考察900合流三通结构的局部损失，建立如图1所示三通模型，并设定主流和支流截面积比A3：A1=1.0和0.5，改变截面流量比Q1：Q3的大小，通过数值分析可得到模型两端的压差，进而应用模拟计算公式可计算得到三通风道的损失系数。
图1 900合流模型
模拟计算公式：
其中P13＝P1－P3，△P1、△P2、△P3分别为各段的沿程阻力P23＝P2－P3，P13、P23分别为截面间的总压力差（总压力＝静压＋动压）。
经分析，可以得到如下结论[1] [3]：
（1）主流和支流截面积比A3：A1一定时，对称合流的阻力系数相同，不对称合流阻力系数不同，流量大的支流损失系数较大，但是两支流阻力系数差距受流量差距的影响并不明显。
（2）主流和支流截面积比A3：A1减小时，两支流损失系数ζ13和ζ23保持流量比相同时，其值明显增大。
（3）三通连接处当流体通过突变的局部阻碍时，由于惯性力处于支配地位，流体不能像边壁那样突然转折，于是在边壁突变的地方，出现主流与边壁脱离的现象。
（4）三通合流处隧道气流逐渐向风道一侧偏流，并且愈接近风道偏流现象越显著，这正是气流断面收缩﹑流动加速的合流调整过程。
（5）90o合流三通，支流流量宜取总流量的40%～60%。
2.2 直向及900合流损失分析
为考察直向及900合流三通结构的局部损失，建立如图2所示三通模型，并设定主流和支流截面积比A3：A1=1.0和0.5，改变截面流量比Q3：Q2的大小，通过数值分析可得到模型两端的压差，进而模拟计算公式可计算得到三通风道的损失系数，根据表2模拟计算值、经验值计算结果。
图2 直向及900合流模型
模拟计算公式：
其中P12＝P1－P2，△P1、△P2、△P3分别为各段的沿程阻力，P32＝P3－P2，P12、P32分别为截面间的总压力差（总压力＝静压力＋动压力）。
对于直向及900合流损失系数，为便于计算结果的分析，并验证其正确性。参考有关三通阻力系数的经验计算公式[4]，并把模拟计算值和经验值进行对比分析。
经验计算公式：
表2 直向及900合流损失系数模拟计算值、经验值计算表
经分析，可以得到如下结论[1] [3]：
（1）支流和主流截面积比A3：A1一定时，各支流损失系数随支流流量的增大而增大。
（2）支流损失系数受支流和主流截面积比值A3：A1影响较大，相同流量比情况下，支流损失系数随截面积比值A3：A1的增大而显著减小。
（3）相同条件下损失系数的模拟计算值与经验值的误差大小，随着流量比Q3：Q2值的增大而减小。
（4）进行直向及900合流三通设计时，尽量增大支流和主流截面积比值并适当减小支流和主流截面流量比，可有效降低局部损失。
（5）进行直向及90o合流设计时，建议直向支流流量与总流量比值不超过55%为宜。
3 结语
文章应用著名的流体力学计算软件FLUENT中提供的有限元数值模拟方法，通过大量模拟计算数据并结合国内经典研究成果[4] [5]，分析研究了公路隧道通风中三通合流局部效应的阻力特性，得出有关三通合流局部效应损失系数的影响因素、基本规律及定量结论，并将研究成果运用于G42沪蓉高速界岭隧道（长5600m）、沪蓉国道主干线湖北省恩施至利川高速乌池坝隧道（长6708m）等特长隧道的通风设计中，达到“经济、安全、合理、可靠”的预期目标，取得较好的经济效益，实践证明文章研究成果和结论是值得借鉴的。
参考文献：
[1] 中华人民共和国交通部.公路隧道通风照明设计规范（JTJ 026.1－1999）[S].北京：人民交通出版社，2000.6.
[2] 夏永旭，王永东，赵峰.秦岭终南山公路隧道通风方案探讨[J].长安大学学报（自然科学版），2002，22（5）：48-50.
[3] 王永东，夏永旭.公路隧道通风设计中若干问题的探讨[J].公路，2006，（02）：185-187.
[4] 张祉道.公路隧道的火灾事故通风[J].现代隧道技术，2003.2.Vol.40.No.1：34-49.
[5] 石 平.公路隧道通风局部效应三维数值模拟分析与研究[D].硕士学位论文.西安：长安大学，2004.5.
论文作者:石平1,晏丽霞2
论文发表刊物:《建筑模拟》2018年第32期
论文发表时间:2019/2/13
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