浙江省交通规划设计研究院 浙江 杭州 310006
摘要：本文通过数值模拟软件，对矩形隧道断面进行模拟，比较了同样风机配置下，不同断面高度和局部加高事的流场、风速情况，并综合路线、地质和造价情况，为隧道方案提供参考依据。
关键词：隧道；矩形断面；风速；局部加高
1前言
目前长隧道为了充分利用交通风，普遍采用纵向机械通风方式。纵向通风一般采用悬挂在顶部的射流风机对隧道间隔升压，具有布置安装简单，控制管理方便，效率高等特点。
根据隧道的通风理论，布置隧道射流风机，需要先根据交通量和交通组成计算需风量，换算成设计风速，进而根据沿途摩擦阻力得到所需风压，最后根据射流风机的升压能力计算风机配置。在此过程中需要隧道长度和纵坡，断面尺寸，两端气压，车辆组成和车速等参数，计算复杂，相互关系不够清晰。特别是矩形断面隧道的尺寸对风机安装空间比较敏感，造价影响大，因此本文利用CFD软件对某三车道公路隧道中射流风机的射流场进行模拟研究，以揭示不同断面对风机通风效果的影响，为设计提供参考[4-6]。
2工程概况
2.1隧道设计标准
某海底隧道位于宁波象山港，为双向六车道公路隧道，纵坡为w型，暗埋段长约1.6km。隧道采用双洞一管廊的矩形断面，单条隧道建筑限界净宽14m（含检修道），净高5m。隧道设计采用的通风卫生标准如下表1。
3通风需求对断面加高的影响
由于本隧道断面大，长度较短，火灾规模小，危险性相对较小。考虑到纵向通风具有投资节省、运行节能等优点，经综合比较，本设计采用射流风机诱导式纵向通风方式。根据规范公式初步估算采用三台一组、直径900mm或者1120mm公路隧道专用风机比较合适，这就需要隧道断面全长加高或者局部加高90cm以上，才能满足建筑界限要求，而加高具体数值对于通风效果最有利需要进一步验证。
4模型建立及计算
为考虑不同断面加高对通风效果的不同影响，本次采用CFD软件进行三维建模计算，充分考虑到风机射流效应的影响范围，取模型纵向长280 m，风机布置在距进口80m处，模型网格在风机段加密，其余位置沿纵向约每2 m划分一个单元，紊流模型采用标准的k—s二方程模型，假设隧道内无内热源，围护结构绝热。隧道外界压力为大气压，隧道进口设为速度进口(velocity-inlet)2.5 m／s；隧道出口设为压力出口(pressure—out1et)，相对压力为0 Pa；墙壁设为绝热壁面，隧道的摩擦阻力系数为0.5；射流风机直径900mm出口风速30 m／s。相应计算简图如下；
图3 隧道通风计算模型
在隧道断面宽度14.3m保持不变的前提下，对隧道高度进行调整，从7.05m开始,按0.3m间隔增加，建立4种高度模型。模型流场中，一组3台射流风机喷射出的气流会相互影响，3股射流相互卷吸和干扰，逐渐汇聚成一股气流，最终与隧道内的气流完全混合并达到稳定状态。
为了揭示隧道断面高度对射流风机流场的影响，取Y=180m,Z=2m处风速作为对比。其中局部加高方案为在Y=80m风机悬挂处，前后20m局部加高到7.05m，之外10m线性过渡到6.25m正常高度，计算结果如下表。
图4 不同断面高度纵向风速分布
对比5种模型计算结果，局部加高方案应该是最有效的，模型显示在局部加高向正常断面收缩过渡位置，流场比较紊乱外，纵向流速分布比较均匀，能量损失很小，如果将局部加高位置进行更顺滑的过渡，结果可能更理想。总体而言，断面高度对通风效果影响比较大，断面减小，空气阻力和壁面摩阻力都大为减少，导致纵向风速显著增加。
5 结论
根据本文的模拟结果，隧道断面高度对射流风机的通风效果影响很大。一般情况下，断面越低，流场稳定后风速越高，对通风越有利。正常断面不加高而局部加高保证风机悬挂空间的方案，可以明显提高风速。
由于本文模型比较理想化，没有考虑车辆运行阻力，风机间距和喷口方向，局部加高过渡段倾角等影响，还需进一步研究。另外隧道断面设计还需考虑公路路线的纵坡设置和地质情况，如果一味降低断面高度，抬高纵坡，将可能不满足路面排水需要，或者将隧道洞身置于不良地层中，虽然通风效率提高，断面建筑成本降低，但隧道地基处理难度和围护成本将提高，这些需要综合考虑权衡。
参考文献
[1] JTG D70-2004.公路隧道设计规范[S].
[2] JTG D70/2-02-2014.公路隧道通风设计细则[S].
[3] DGTJ08-2033-2008.道路隧道设计规范[S].
[4] 胡纯良,张海琳,王 敏,余跃进.不同风机轴距下某隧道内气流分布研究[J]. 四川建筑科学研究,2014,(01):94-97
[5] 苑郁林. 公路隧道运营通风辅助坑道断面比选确定[J].公路,20101,(12):69-70.
[6] 王亚琼,辛韫潇,武义凯,王金宝. 隧道断面形状对通风摩擦阻力损失的影响[J]. 西安大学学报,2015,35(8):617-422.
论文作者:董增春,任小峰,丁志宇
论文发表刊物:《防护工程》2017年第11期
论文发表时间:2017/9/19
标签：隧道论文; 断面论文; 风机论文; 射流论文; 风速论文; 纵向论文; 局部论文; 《防护工程》2017年第11期论文;