西秦岭隧道互补式通风数值仿真分析

周家才,熊 雅,王建宇,王亚琼

(1.中交第二勘察设计研究院有限公司,湖北武汉 430052; 2.长安大学陕西省公路桥梁与隧道重点实验室,陕西西安 710064)

西秦岭隧道互补式通风数值仿真分析

周家才1,熊 雅2,王建宇2,王亚琼2

(1.中交第二勘察设计研究院有限公司,湖北武汉 430052; 2.长安大学陕西省公路桥梁与隧道重点实验室,陕西西安 710064)

为研究换气风量与换气通道位置对互补式通风隧道内污染物浓度的影响规律,建立隧道通风三维数值仿真计算模型,分析4种不同组合工况下换气风量和换气通道位置对污染物浓度的变化影响。结果表明:随着换气风量的增加,上坡隧道排风段污染物浓度减小,下坡隧道全段污染物浓度减小;随着换气通道与上坡隧道入口距离的增加,上坡隧道排风段污染物浓度增加,下坡隧道排风段污染物浓度减小。

隧道工程;互补式通风;污染物浓度;三维数值仿真

0 引 言

近年来,世界各国的隧道专业人员一直致力于隧道通风的程序化[1-4],如易赛莉等基于计算流体动力学模型,通过数值模拟试验和理论分析,研究隧道火灾的发生、发展状况以及延期的扩散和运动规律[5];祝兵等采用有限元法进行隧道射流通风和具有射流调压的竖井吸出式通风系统的空气动力学特性数值研究[6];王永东等在Matlab语言环境下,按照不同的通风方案,调用相关功能模块进行组合,实现了长大公路隧道多种通风方案的比选和运营调控效果的数值模拟[7];王亚琼等采用Fluent软件建立模型,通过改变隧道壁面粗糙单元的高度、间距以及断面直径等控制因素来研究通风摩阻的变化[8-14]。

本文依托西秦岭特长公路隧道工程,采用理论计算和流体应用软件Fluent进行数值模拟,对双洞互补式通风方式下换气风量与换气通道在隧道内位置的不同情况进行模拟,得出换气风量与换气通道位置对隧道内污染物浓度的影响规律,用以指导隧道后期的运营管理。

1 工程概况

十堰至天水高速公路是福州至银川国家高速公路(G70)的横向联络线,东起湖北省十堰市,西至甘肃省天水市,走向与316国道大致相同,自东向西依次连接了福银高速(G70)、包茂高速(G65)、京昆高速(G5)和连霍高速(G30)四条国家级高速公路,途经湖北、陕西、甘肃三省,全线规划总里程约833 km。

西秦岭特长公路隧道位于徽县大石碑——徽县立交路段,是十天高速甘肃段全线控制性工程,穿越软岩大变形和断裂破碎带,地质情况极为复杂,施工难度极大。隧道相关参数如表1所示。

表1 西秦岭特长公路隧道相关参数

西秦岭公路隧道左右洞远期需风量极不平衡,左线远期需风量为598.18 m3·s-1,右线远期需风量为291.13 m3·s-1,左洞的远期需风量是右洞需风量的2.055倍。通风负荷较小的隧道内由于需风量远小于其最大允许通风量,采用最经济的纵向通风方式就可以满足通风需求;而通风负荷较大的隧道内风速达到9.53 m·s-1,因此采用双洞互补式网络通风方式,在上行线与下行线之间增加2处换气通道,使上、下行线的通风资源得到有效利用[15-17],且运用右洞远期富余的新风可以减少左洞通风井的建设费用。

2 数值仿真模型的建立

2.1 数学模型

运用计算流体力学软件Fluent建立1∶1的隧道通风数值仿真模型,由于运营期间隧道内流体流动状态为湍流状态,因此选择k-e湍流模型,控制方程组如式(1)、(2)所示。

连续性方程

动量方程

式中:ρ为流体介质的密度(m3·s-1);t为时间(s); υi、υj为速度分量(m·s-1);υ'i、υ'j为速度分量的脉动值(m·s-1);xi、xj为位置张量;p-为压强的平均值(Pa)

2.2 物理模型与参数

模型全长5 600 m,断面面积为62.79 m2,换气通道纵向间距为100 m。1#换气通道位于近上坡隧道入口侧,其一侧连接上坡隧道排风口,另一侧连接下坡隧道送风口;2#换气通道位于近下坡隧道出口侧,其一侧连接上坡隧道送风口,另一侧连接下坡隧道排风口。计算过程中隧道入口、出口的相对大气压为0 Pa,隧道沿程阻力系数为0.002。互补式通风隧道模型如图1所示。

图1 互补式通风隧道模型

3 研究结果与分析

计算过程中固定2#换气通道风量为350 m3·s-1,变化1#换气通道风量,使其从300 m3·s-1依次递增到450 m3·s-1;上坡隧道污染物排放量为2.939 cm3·m-3,下坡隧道污染物排放量为0.704 cm3· m-3;调整换气通道相对位置分别为2 240、2 800、3 360、3 920 m,研究换气风量与烟气通道位置对隧道内污染物浓度分布的影响规律。

3.1 换气风量对污染物浓度分布的影响规律

工况1下,即换气通道距上坡隧道入口2 240 m时,隧道风量计算结果如图2、3所示。

图2 工况1上坡隧道风量分布

图3 工况1下坡隧道风量分布

由图2、3可以看出:换气通道位于距上坡隧道入口2 240 m时,随着1#通道换气风量由300 m3·s-1增加至450 m3·s-1,上坡隧道的排风段风量增加27.65%,送风段风量减小14.53%,短道风量减小133.6%,短道流态由顺流转为回流;下坡隧道的排风段风量增加26.33%,送风段风量增加81.88%,短道风量明显增加,短道流态由回流转为顺流。

工况2下,即换气通道距上坡隧道入口2 800 m时,隧道风量计算结果如图4、5所示。

图4 工况2上坡隧道风量分布

图5 工况2下坡隧道风量分布

由图4、5可以看出:换气通道距上坡隧道入口2 800 m处,随着1#通道换气风量由300 m3·s-1增加至450 m3·s-1,上坡隧道的排风段风量增加23.23%,送风段风量减小17.52%,短道风量减小148.4%,短道流态由顺流转为回流;下坡隧道的排风段风量增加22.42%,送风段风量增加76.55%,短道风量明显增加,短道流态由回流转为顺流。

工况3下,即换气通道距上坡隧道入口3 360 m时,隧道风量计算结果如图6、7所示。

图6 工况3上坡隧道风量分布

由图6、7可以看出:换气通道距上坡隧道入口3 360 m时,随着1#通道换气风量由300 m3·s-1增加至450 m3·s-1,上坡隧道的排风段风量增加19.43%,送风段风量减小20.41%,短道风量减小160.2%,短道流态由顺流转为回流;下坡隧道的排风段风量增加18.63%,送风段风量增加71.38%,短道风量明显增加,短道流态为顺流。

工况4下,即换气通道距上坡隧道入口3 920 m时,隧道风量计算结果如图8、9所示。

图7 工况3下坡隧道风量分布

图8 工况4上坡隧道风量分布

图9 工况4下坡隧道风量分布

图10 工况1上坡隧道污染物浓度

图11 工况1下坡隧道污染物浓度

图12 工况2上坡隧道污染物浓度

图13 工况2下坡隧道污染物浓度

由图8、9可以看出:换气通道距上坡隧道入口3 920 m时,随着1#换气通道换气风量由300 m3·s-1增加至450 m3·s-1,上坡隧道的排风段风量增加15.75%,送风段风量减小23.21%,短道风量减小169.9%,短道流态由顺流转为回流;下坡隧道排风段风量增加14.96%,送风段风量增加66.38%,短道风量明显增加,短道流态由回流转为顺流。

3.2 换气通道位置对污染物浓度分布的影响规律

分别计算工况1~4换气通道位置对污染物浓度分布的影响,结果如图10~17所示。

由图10、11可以看出:换气通道距上坡隧道入口2 240 m时,随着1#通道换气风量由300 m3·s-1增加至450 m3·s-1,上坡隧道排风段污染物浓度最大值C1减小21.36%,送风段污染物浓度最大值C2增加0.32%,短道污染物浓度减小24.05%;下坡隧道的排风段污染物浓度最大值C3减小20.84%,送风段污染物浓度最大值C4减小29.19%,短道污染物浓度减小36.6%。

图14 工况3上坡隧道污染物浓度

图15 工况3下坡隧道污染物浓度

图16 工况4上坡隧道污染物浓度

图17 工况4下坡隧道污染物浓度

由图12、13可以看出:换气通道距上坡隧道入口2 800 m时,随着1#通道换气风量由300 m3·s-1增加至450 m3·s-1,上坡隧道排风段污染物浓度最大值C1减小18.85%,送风段污染物浓度最大值C2增加0.13%,短道污染物浓度减小30.46%;下坡隧道的排风段污染物浓度最大值C3减小18.32%,送风段污染物浓度最大值C4减小28.33%,短道污染物浓度减小36.21%。

由图14、15可以看出:换气通道距上坡隧道入口3 360 m时,随着1#通道换气风量由300 m3·s-1增加至450 m3·s-1,上坡隧道排风段污染物浓度最大值C1减小16.27%,送风段污染物浓度最大值C2减小1.03%,短道污染物浓度减小38.84%;下坡隧道排风段污染物浓度最大值C3减小15.71%,送风段污染物浓度最大值C4减小27.28%,短道污染物浓度减小34.95%。

由图16、17可以看出:换气通道距上坡隧道入口3 920 m时,随着1#通道换气风量由300 m3·s-1增加至450 m3·s-1,上坡隧道排风段污染物浓度最大值C1减小13.61%,送风段污染物浓度最大值C2减小4.1%,短道污染物浓度减小48.25%;下坡隧道排风段污染物浓度最大值C3减小13.02%,送风段污染物浓度最大值C4减小26.09%,短道污染物浓度减小33.38%。

4 结 语

(1)结合西秦岭特长公路隧道双洞互补式通风方式,运用Fluent流体力学软件,建立1∶1三维数值仿真模型进行模拟,分析了不同工况下换气风量和换气横通道位置对污染物浓度分布的影响规律。

(2)随着1#通道换气风量增加,上坡隧道排风段风量明显增加,且污染物浓度明显减小,送风段风量与污染物浓度呈减小趋势;下坡隧道排风段、送风段的风量均增加,其污染物浓度均减小。

(3)随着换气通道距上坡隧道入口距离的增加,上坡隧道排风段污染物浓度增加,其受换气风量变化的影响程度减小;送风段污染物浓度减小,其受换气风量变化的影响程度增加。

(4)随着换气通道距上坡隧道入口距离的增加,下坡隧道排风段污染物浓度减小,其受换气风量变化的影响程度减小;送风段污染物浓度增加,其受换气风量变化的影响程度减小。

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[责任编辑:杜敏浩]

Numerical Simulation Analysis of Complementary Ventilation in West Qinling Mountains Tunnel

ZHOU Jia-cai1,XIONG Ya2,WANG Jian-yu2,WANG Ya-qiong2
(1.CCCC Second Highway Consultants Co.,Ltd.,Wuhan 430052,Hubei,China;2.Shaanxi Provincial Major Laboratory for Highway Bridge&Tunnel,Changƴan University,Xiƴan 710064,Shaanxi,China)

In order to study the influence of the ventilation volume and the ventilation channel position on the concentration of pollutants in the complementary ventilation tunnel,a threedimensional numerical simulation model of the tunnel ventilation was established.The effects of ventilation volume and ventilation channel position on the concentration of pollutants in four different combinations were analyzed.The results show that with the increase of ventilation volume,the concentration of pollutants in the exhaust section of the uphill tunnel and the whole downhill tunnel decreases;with the increase of the distance between the ventilation channel and the entrance to the uphill tunnel,the pollutant concentration in the exhaust section of the uphill tunnel increases,while that of the downhill tunnel decreases.

tunnel engineering;complementary ventilation;pollutant concentration;threedimensional numerical simulation

U453.5

B

1000-033X(2017)07-0059-05

2017-01-05

国家自然科学基金项目(51408554);中央高校基本科研业务费专项资金项目(2013G1502027,2013G3214011)

周家才(1963-),男,湖北天门人,高级工程师,研究方向为交通工程。