2车道公路隧道射流风机空间布局优化的CFD分析

赵　黎， 闫治国,2,3

(1. 同济大学土木工程学院地下建筑与工程系， 上海　200092； 2. 同济大学土木工程防灾国家重点实验室， 上海　200092； 3. 同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室， 上海　200092)



2车道公路隧道射流风机空间布局优化的CFD分析

赵黎1， 闫治国1,2,3

(1. 同济大学土木工程学院地下建筑与工程系， 上海200092； 2. 同济大学土木工程防灾国家重点实验室， 上海200092； 3. 同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室， 上海200092)

摘要：为解决2车道公路隧道射流风机的空间布局优化问题，依托明堂山隧道工程，采用以往公路隧道射流风机通风效果数值模拟研究中不同的边界条件，将隧道出入口边界条件均设为大气压强，并不预先给定隧道入口风速大小。对影响射流风机升压力大小的因素，如风机纵向间距、风机布置高度、风机横向间距展开讨论，得到： 风机应设在距建筑限界15～30 cm高度处；风机横向净距应设为1.5～2倍风机直径；风机纵向间距应设在150 m以上。明堂山隧道实际风机布置方式所采用的参数均在优化结果范围内，按隧道实际长度及设计射流风机台数建模，模拟结果表明风机在进行优化布局后，隧道通风效果能够达到设计要求。

关键词：明堂山公路隧道; 射流风机; 空间布局优化; 数值模拟; CFD

0引言

伴随着我国公路隧道的大发展，隧道纵向通风方式得到越来越广泛的应用，而任何形式的纵向通风方法都离不开射流风机的作用。射流风机在公路隧道中的布置位置受限于建筑限界与拱顶之间的空间，隧道中的风机射流是一种有限空间射流，具有多股平行并列、多组纵向串联、以通风气流为伴随流动等特点[1]，因此，射流风机的通风效果与其空间布局有很大关系。

我国很多学者都对优化射流风机在隧道空间中的布局问题展开过研究。如张林[1]对公路隧道射流风机的安装参数优化进行了数值模拟研究，分析了风机与拱顶距离、风机左右间距及不同功率风机组合等对流态的影响；杨秀军等[2]对公路隧道通风中射流风机纵向最小间距进行了研究；胡纯良等[3]对不同风机轴距下某隧道内气流分布进行了研究，得出在射流风机后150 m处风速基本不再变化，隧道内气流均匀性较好，处于完全稳定的状态；方勇等[4]对3车道公路隧道射流风机的设置位置展开了数值模拟分析，得出为了减小2股射流之间的干扰及隧道壁面影响，2台风机的最佳横向净距应在3～4倍风机直径。

在已有的对隧道射流通风的数值模拟研究中，均给定了隧道入口风速，但在实际施工中，隧道入口风速是由射流风机、交通风和自然风综合影响决定的，这种边界条件显然与实际不符。因此，本文提出了将隧道入口设为压力边界条件(即给定大气压强值)的模拟方法，并不强制隧道入口风速为定值，而是完全靠射流风机的升压作用吸进风量，即隧道入口的风速是计算得到的。同时，为简化计算，忽略交通风和自然风的影响，将其提供的动力或阻力用射流风机或沿程阻力损失代替[5]。

本文依托明堂山公路隧道，利用CFD软件Fluent按隧道实际长度及设计射流风机台数建模，分析2车

道公路隧道中射流风机的安装高度、横向间距及纵向间距对通风效果的影响，并将模拟结果应用于优化明堂山隧道中射流风机的空间布局，应用效果证明隧道通风效果能够达到设计要求。

1基于压力边界的公路隧道射流通风数值模拟方法

1.1隧道模型说明

岳武高速明堂山特长公路隧道长7 500 m，双向4车道，单洞隧道截面宽11 m，高7 m，面积为65.18 m2。其中，左线采用全射流通风方式，拟布置54台1120型射流风机，见图1。

图1　明堂山隧道左线风机布置平面图

按照明堂山隧道的结构参数建模，模型取500 m长，在隧道内布置2组(每组2台)射流风机。风机出口风速为30 m/s，入口风量为29.56 m3/s。射流风机用直径1.12 m、长1.5 m的圆筒模拟[6]，如图2所示。

图2　隧道模型网格正视图

1.2边界条件设定

数值计算是在有限区域内进行的，因此，在区域的边界上需要给定边界条件。边界条件要求在数学上满足适定性，在物理上具有明显的意义。本文的计算边界类型及条件如表1所示。

隧道进出口均为压力边界条件，且设为大气压强值，这与隧道的实际情况相符。风机进口为质量流量边界条件，其数值为所选用风机的吸入风量参数；风机出口为速度边界条件，其数值为所选用风机的出口流速参数，保证了质量守恒定律[7]。隧道底部和顶部为壁面边界条件，其粗糙高度由隧道实际粗糙度给定[8]。

表1　计算模型边界条件设置

1.3通风效果优劣判断标准

(1)

式中： vr为隧道断面平均风速； vj为射流风机出口风速； Ar为隧道截面积； Aj为风机截面积； n为风机台数。

(2)

以往学者在对射流风机空间布局进行数值模拟分析时，因给定了隧道入口风速，并将出口相对静压强制为0，所以，往往将得到的入口静压与沿程损失之和作为射流提供升压力的模拟值[9]，但这样得到的升压力模拟值不能很好地体现射流风机的升压作用。本文在确定升压力模拟值时，是从计算结果中找出气流在到达射流风机前隧道截面静压的最小值和气流经射流风机升压后隧道截面静压的最大值，二者之差即为射流风机提供的升压力。

2射流风机空间布置位置优化分析

2.1射流风机安装高度对通风效果的影响

JTG/T D70/2-02—2014《公路隧道通风设计细则》[10]中规定，射流风机在隧道横断面上的布置应不侵入建筑限界，射流风机的边沿与隧道建筑限界的净距不宜小于15 cm。因此，为研究射流风机安装高度对通风效果的影响，设定风机距建筑限界分别为15、30、45、60 cm 4组工况进行计算。

第1组风机距隧道入口50 m，第2组风机距隧道入口200 m，气流在到达各组射流风机前隧道截面静压的最小值和气流经射流风机升压后隧道截面静压的最大值如图3所示。

图3射流风机前后截面最大及最小静压值(风机距建筑限界不同时)

Fig. 3Maximum and minimum static pressures of tunnel cross-section(with different distances between fan and building boundary)

风机布置高度对升压力的影响见表2。由表2可知，风机布置得越高，越接近隧道拱顶，风机调压综合影响系数k值越小，表明风机提供的升压力越小。因此，建议明堂山隧道在进行风机布置时，风机设在距建筑限界15～30 cm高度处。

表2　风机布置高度对升压力的影响

风机距建筑限界60 cm和15 cm时，风机出口处风速矢量图如图4和图5所示。随风机布置高度增加沿风机轴线剖面速度变化云图如图6所示。

图4风机距建筑限界60 cm时风机出口处风速矢量图(单位： m/s)

Fig. 4Vectogram of air velocity at fan exit when distance between fan and building boundary of 60 cm (m/s)

图5风机距建筑限界15 cm时风机出口处风度矢量图(单位： m/s)

Fig. 5Vectogram of air velocity at fan exit when distance between fan and building boundary of 15 cm (m/s)

对比图4和图5可知，风机布置在距建筑限界60 cm高度时，其出口附近风速明显要比布置在距建筑限界15 cm高度时小。由图6可知，随风机布置高度的增加，出口附近风速越来越小。这是因为风机出口风流受到拱顶影响没有足够竖向空间充分扩展，高速风流撞击到拱顶或受到隧道壁面摩阻影响导致动能大量损失，使其带动未被风机吸入的低速风流流动的效果变差[11]，这从流体运动学的机制上解释了风机布置得越高，其提供的升压力越小这一结论。

图6随风机布置高度增加沿风机轴线剖面速度变化云图(单位： m/s)

Fig. 6Nephograms of air velocity variation along fan axis vs. installing height of fan (m/s)

2.2射流风机横向间距对通风效果的影响

JTG/T D70/2-02—2014《公路隧道通风设计细则》[10]中规定，当同一断面布置2台及以上射流风机时，相邻风机的横向净距不宜小于1倍风机直径。因此，为研究射流风机横向间距对通风效果的影响，设定2台风机净距1倍直径、2台风机净距1.5倍直径、2台风机净距2倍直径、2台风机净距2.5倍直径4组工况进行计算。

第1组风机距隧道入口50 m，第2组风机距隧道入口200 m，气流在到达各组射流风机前隧道截面静压的最小值和气流经射流风机升压后隧道截面静压的最大值如图7所示。

图7射流风机前后截面最大及最小静压值(风机横向净距不同时)

Fig. 7Maximum and minimum static pressures of tunnel cross-section(with different transverse distances among fans)

风机横向间距对升压力的影响见表3。由表3可知，当2台风机横向净距在1～2倍直径时，风机调压综合影响系数k值随横向净距的增大而增大；但当风机横向净距为2.5倍直径时，k值则大大减小。因此，建议明堂山隧道在进行风机布置时，风机横向净距设为1.5～2倍风机直径。

表3风机横向净距对升压力的影响

Table 3Influence of transverse distance among fans on pressure rise

风机横向净距psj/Papj/Pak2台风机净距1倍直径47.5636358.870.8082台风机净距1.5倍直径50.7642458.870.8622台风机净距2倍直径55.7169158.870.9462台风机净距2.5倍直径41.6124058.870.707

当2台风机横向净距为2倍直径时，风机前后纵向静压变化云图如图8和图9所示。

图8风机横向净距为2D时第1组射流风机前后纵向静压变化云图(单位： Pa)

Fig. 8Nephogram of static pressure variation of Jet Fan Group No. 1 when clear distance among fans is 2D(Pa)

图9风机横向净距为2D时第2组射流风机前后纵向静压变化云图(单位： Pa)

Fig. 9Nephogram of static pressure variation of Jet Fan Group No. 2 when clear distance among fans is 2D(Pa)

2台风机横向净距为1倍和2倍风机直径时，风机出口处速度矢量图如图10和图11所示。对比图10和图11可知，风机横向净距为1D时，其出口附近风速明显要比风机横向净距为2D时小。

图102台风机净距为1倍风机直径时风机出口处风速矢量图 (单位： m/s)

Fig. 10Vectogram of air velocity at fan exit when clear distance among fans is 1D(m/s)

随风机横向间距增加沿风机轴线剖面速度变化云图如图12所示。由图12可知，当风机横向净距在1～2倍直径时，风机出口附近风速逐渐增大；而当风机横向净距为2.5倍直径时，其出口附近风速大大减小，甚至比风机净距为1倍直径时还要小。这是因为风机横向间距越小，2台风机出口风流越易相互受到影响，即风机喷射的高速风流在风机后方汇聚时相互卷吸和干扰，使本应被射流卷吸进来的周围速度相对小的隧道气流未能通过射流微团产生的横向脉动得到动量与能量交换[12]，因此通风效果变差。当风机横向净距为2.5倍直径时，虽然2台风机间距离足够大，但每台风机与各自一侧的隧道壁面距离变得很小，而风机与隧道壁面空间越小，射流发展越受到限制，升压作用越不明显，所以此时k值变小。

2.3射流风机纵向间距对通风效果的影响

在射流通风中，考虑到电缆线路的电力损耗、风机管理和维护等因素，射流风机一般集中布置。在集中布置中只有每组风机之间保持足够的距离，喷射气流才会在到达下一组风机位置之前充分减速。如果喷射气流减速不完全，将会影响到下一级风机的工作性能[13]。因此，为研究射流风机纵向间距对通风效果的影响，设定2组风机纵向间距50 m、2组风机纵向间距100 m、2组风机纵向间距150 m、2组风机纵向间距200 m 4组工况进行计算。

图112台风机净距为2倍风机直径时风机出口处风速矢量图 (单位： m/s)

Fig. 11Vectogram of air velocity at fan exit when clear distance among fans is 2D(m/s)

图12随风机横向间距增加沿风机轴线剖面速度变化云图 (单位： m/s)

Fig. 12Nephograms of air velocity variation along fan axis vs. transverse distance among fans (m/s)

随射流风机纵向间距的增加沿风机轴线剖面风速变化云图如图13所示。由图13可知，2组风机间隧道部分的速度是先增大后减小，这是由于射流微团的卷吸作用，将动量和能量交换给隧道气流，使射流范围扩展，流量增加，压力上升形成射流发展过程，这时隧道内速度是增大的；当伴随流动范围逐渐减少，整个隧道气流沿着纵向呈现一种渐变的、非均匀的逆压流动，直至射流发展完全，伴随流消失，断面形成均匀速度分布[14]，这一阶段隧道内速度是减小的。当2组风机纵向间距为50 m和100 m时，第2组风机前的速度还没有完全下降到隧道断面平均速度大小；而当2组风机纵向间距为150 m和200 m时，第2组风机前的速度已基本下降到隧道断面平均速度大小。表明随着射流风机纵向间距的增加，喷射气流逐渐减速完全，射流得到更充分发展。因此，建议明堂山隧道在进行风机布置时，将风机纵向间距设在150 m以上。

图13随射流风机纵向间距的增加沿风机轴线剖面风速变化云图 (单位： m/s)

Fig. 13Nephograms of air velocity variation along fan axis vs. longitudinal distance among fans (m/s)

3明堂山隧道左线全射流通风方案数值模拟验证

岳武高速明堂山特长公路隧道长7 500 m，分左右2条线。其中，左线采用全射流通风方案，设计风量为456 m3/s(即断面平均风速可达7 m/s)，共布置了54台1120型射流风机。

隧道实际风机布置方式为： 风机距建筑限界高度为20 cm，风机横向净距为2倍风机直径，风机纵向间距为170 m。

现按隧道实际长度及设计射流风机台数建模，风机空间布局采用明堂山隧道实际布置方案。模型总长5 000 m，第1组风机距隧道入口200 m，每组风机纵向间距170 m，最后一组风机距隧道出口380 m。为确保数值模拟的准确性，将距出口200 m处的隧道截面设置为局部阻力格栅(边界条件为散热器，损失系数经大量试算后设为2.7)，以保证5 000 m隧道模型的总阻力损失达到克服实际隧道长度阻力所需的升压力值。隧道出入口和风机出入口的边界条件与2.2中设定的一致。

计算结果表明，隧道入口截面的平均风速为6.58 m/s，隧道出口截面的平均风速为6.61 m/s，与设计值7 m/s相差很小，说明在这54台射流风机的作用下，隧道吸入的风量与设计风量基本一致。小于7 m/s是因为隧道设计风量是由阻滞工况时的需风量决定的，而设计风机台数是由隧道通风阻抗力、交通风动力和自然风阻力共同决定的[15]；但模拟时未考虑交通风动力的作用，导致在54台射流风机作用下隧道入口未能吸入达到设计值的风量，所以数值模拟计算得到的隧道出入口风速略小于设计值。风机轴线高度处截面的平均纵向速度如图14所示。

图14　风机轴线高度处截面的平均纵向速度

Fig. 14Diagram of average longitudinal velocity of cross-section at the axial height of fan

4结论与建议

本文依托明堂山隧道工程，针对射流风机的空间布局优化问题，开展了CFD数值模拟分析，得到以下结论。

1)在2车道公路隧道断面上布置射流风机时，风机布置得越高，越接近隧道拱顶，风机调压综合影响系数越小，即提供的升压力越小。建议明堂山隧道在进行风机布置时，将风机设在距建筑限界15～30 cm高度处。

2)在2车道公路隧道断面上布置射流风机时，随着2台风机横向净距的增加，风机调压综合影响系数也在增加，即提供的升压力也在增大，但离得过远又会使每台风机与各自一侧隧道壁面的空间不足以致射流发展受限，造成升压力下降。建议明堂山隧道在进行风机布置时，将风机横向净距设为1.5～2倍风机直径。

3)在2车道公路隧道断面上布置射流风机时，风机纵向间距应设置在150 m以上，以保证喷射气流在到达下一组风机位置之前充分减速，使射流得到充分发展。建议明堂山隧道在进行风机布置时，将风机纵向间距设在150 m以上。

隧道实际风机布置方式所采用的参数均在优化结果范围内，可见本文对2车道公路隧道射流风机空间布局优化问题所做的CFD数值分析具有指导意义。

本文在对明堂山隧道实际长度和设计射流风机台数建模时，未考虑交通风动力和自然风阻力的影响，仅做了简化处理，在后续研究中，期望借助Fluent动网格技术考虑交通风的影响，使数值模拟更加贴合实际。

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Computational Fluid Dynamics (CFD) Analysis of Spatial Layout Optimization of Jet Ventilation Fan Used in Two-lane Road Tunnel

ZHAO Li1, YAN Zhiguo1,2,3

(1.DepartmentofGeotechnicalEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China; 2.StateKeyLaboratoryforDisasterReductioninCivilEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China; 3.KeyLaboratoryofGeotechnicalandUndergroundEngineeringofMinistryofEducation,TongjiUniversity,Shanghai200092,China)

Abstract:The jet ventilation of Mingtangshan Two-lane Road Tunnel is numerically simulated so as to optimize the spatial layout of ventilation fans; and then the factors for the pressure rise of ventilation fan, i.e. longitudinal distance among fans, setting height of fan and transverse distance among fans, are discussed. The authors suggest that the jet fans should be installed at the position higher than building boundary about 15-30 cm； the transverse distance among fans should be 1.5-2 times fan diameter； and the longitudinal distance among fans should be larger than 150 m. The computational fluid dynamics (CFD) simulation results show that the jet ventilation fan after optimization can achieve good effect.

Keywords:Mingtangshan Road Tunnel; jet ventilation fan; spatial layout optimization; numerical simulation; computational fluid dynamics (CFD)

中图分类号：U 453.5

文献标志码：B

文章编号：1672-741X(2016)04-0411-07

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.04.007

第一作者简介：赵黎(1991—)，男，河北秦皇岛人，同济大学隧道与地下建筑工程专业在读硕士，研究方向为隧道通风。E-mail: 1009448957@qq.com。

基金项目：山区隧道防灾、资源利用及环保技术集成研究(2013318J02120)

收稿日期：2015-09-28; 修回日期: 2015-12-09