基于ANSYS Fluent的隧洞施工通风数值模拟研究

王军周

(中国电建集团国际工程有限公司,北京 100036)

0 前 言

目前，施工技术和施工机械生产效率的不断提高，加快了地下洞室的施工进度，有效地缩短了施工工期，也促使地下洞室群结构成为越来越多水利水电工程的选择。相对于地面工程来说，地下洞室施工空间具有相对封闭性的特点，致使施工通风通道受限，通风能力不足。若施工中产生的有害气体、粉尘和热量得不到及时有效的疏散，将会降低施工机械设备的使用效率，导致施工效率低下，延误施工进度，甚至会严重影响施工人员的生命健康安全[1-3]。因此，需要在地下洞室施工过程中源源不断地从外界向施工区域输送新鲜空气，排出有害气体和粉尘，降低隧洞热量，为施工人员创造良好的施工作业环境。由此可见，施工通风越来越成为影响地下洞室施工进度的关键因素，尤其对于长隧洞施工而言，随着掘进长度不断增加，施工通风问题就越突出，往往成为快速施工的制约“瓶颈”[4-7]。如果施工通风方案布置不当，通风效果差，工作面施工作业环境达不到最低要求，从而严重影响施工人员身体健康，制约工程进展。

在以往的部分水利水电地下工程施工中，施工通风布置往往通过经验确定，具有很大的不确定性。为了避免地下洞室施工作业中由于通风问题进而影响施工活动顺利进行，十分有必要采用科学的理论方法和先进的技术手段对地下洞室施工通风进行仿真模拟。由于地下隧洞断面较大，长度更是达数公里，通风量较大，难以通过物理模型实验进行模拟。随着计算机技术的发展，计算流体力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)在流体仿真模拟领域得到了广泛应用，也不断有学者将该模拟方法运用到地下洞室施工通风仿真中来，获得了较好的效果。

目前，国内外对地下洞室通风模拟已有比较多的研究。Parra等[8]模拟了不同通风条件下深矿井的风流场和甲烷质量浓度扩散规律。Karraaslan等[9]采用组分运输模型，利用Fluent软件模拟了马蹄形断面短隧洞火灾发生时的烟气扩散和温度分布规律。Guo, Xiaoping等[10]提出了一种新的纵向通风隧洞火灾积分理论，并将两种不同的计算机程序的CFD模拟结果与试验数据进行了对比分析，揭示了CFD模拟中可能存在的缺陷。杨庆学等[1]基于系统仿真技术，动态仿真了施工期风量的动态变化和通风影响因素，为通风设备选择和通风方案优化提供决策支持。马德萍等[4]分析了不同通风方式下通风流场形态对向家坝地下洞室群施工通风效果影响因素。王晓玲等[11-13]研究了隧洞通风作用下的粉尘运移规律以及CO迁移和分布规律等。本文基于计算流体力学理论，结合卡鲁玛水电站长尾水隧洞工程施工期通风布置方案，采用ANSYS Workbench通用仿真平台，建立了10号尾水支洞施工通风仿真模型，对其工作面附近通风效果进行了三维模拟研究，分析了工作面附近风流速度场、温度场和CO质量浓度场的分布规律。结果表明ANSYS Workbench简单易用，仿真成果可靠，能为工程技术人员进行隧洞通风设计、通风计算和施工通风优化布置提供理论依据和技术支持。

1 工程概况

乌干达卡鲁玛水电站为地下引水式发电站，由引水隧洞、尾水隧洞、地下厂房、调压室、母线洞、主变洞、主交通洞、通风及逃生洞，以及其它施工支洞等辅助洞室组成了一个庞大的地下洞室群。其中，尾水隧洞共有2条，分别为1号尾水洞、长8 705.505 m和2号尾水洞、长8 609.625 m，属于长隧洞。若采用单一施工通道，风管距离较长，风的损耗较大，供风不易满足通风要求。考虑到尾水隧洞沿线埋深为100 m左右，埋深不大，为了增加施工工作面，加快施工进度，缩短工期，以及满足施工作业通风要求，卡鲁玛水电站采用“长洞短打”方案进行施工。即2条尾水隧洞布置3条施工支洞，分别为8号尾水施工支洞、9号尾水施工支洞和10号尾水施工支洞。8号施工支洞作业面进入主洞后会形成4个工作面，按照进入主洞4个工作面同时施工的要求，布置2台2×110 kW风机和2台2×160 kW风机；9号施工支洞进入主洞后也会形成4个工作面，布置2台2×110 kW风机、1台2×160 kW风机和1台2×200 kW风机；10号施工支洞进入主洞后会形成2个工作面，布置1台2×160 kW风机和1台2×200 kW风机。尾水隧洞施工通风从每个支洞的供风站用DN300的钢管向洞内供风，进入主洞后分接4根DN150钢管向4个工作面进行供风，DN150钢管铺设至浇筑垫层混凝土位置，换成2根Ø100胶管进行供风。

整个尾水隧洞施工期间采用压入式通风，通风量计算根据施工阶段、施工程序和方法、施工设备和人员配置等诸多因素，结合中国大型地下厂房工程的施工经验，计算施工人员、爆破散烟、机械设备和排尘要求等需风量并取其中最大值[14]。

2 隧洞施工通风数值模拟

2.1 数学原理

计算流体力学(CFD)的基本原理是采用数值计算方法离散化求解连续流体流动的基本微分方程，得出流体基本物理量在连续区域上的近似解。ANSYS Fluent是基于CFD原理采用先进的计算机程序仿真模拟流体的流动、热交换和化学变化等过程。本文基于流体为不可压缩、非稳态紊流假设[7-8]，运用ANSYS Fluent软件，采用标准k-ε湍流数学模型[15]，模拟10号施工支洞施工通风过程中速度场、温度场和CO质量浓度场的分布规律。

连续性方程(质量方程)：

(1)

动量方程：

(2)

能量方程：

(3)

k-ε紊流模型：

Gk+Gb-ρε+Sk

(4)

图1 10号施工支洞工作面附近三维物理模型及网格划分图

(5)

2.2 隧洞三维建模

尾水系统隧洞施工采用钻爆法开挖，爆破后主要在工作面附近产生大量的热量、粉尘及CO有毒气体等。爆破完成后，采用压入式通风，工作面附近的风流场、温度场和CO质量浓度场不断发生变化直至稳定。本文主要对爆破完成后，隧洞通风开始到状态稳定这一时间段内的风流组织进行仿真模拟。考虑到如果对整个尾水系统施工通风进行仿真，模型数据较大，对计算机计算能力要求较高。为突出研究问题的重点，本文对仿真模型进行了简化，以10号施工支洞工作面附近区域为研究对象。

10号施工支洞全长415.32 m，断面尺寸8.0 m×7.0 m，进口高程1 012.53 m，末端高程917.414 m，最大纵坡-9.07%。风筒直径1.5 m，距离工作面20 m。利用ANSYS Workbench中DesignModeler(DM)软件建立研究对象的三维模型，见图1(a)。网格划分的精细程度越高，计算结果的精度就越高，但计算效率就越低下[9]。因此，网格划分中要兼顾计算精度和计算效率，选择合适的网格划分尺寸。本文采用六面体结构进行网格划分，考虑到计算效率和精度的要求，对风管管壁和隧洞壁等边界条件发生变化部位进行网格加密。网格模型见图1(b)。

2.3 边界条件

2.3.1 入口边界

隧洞施工采用压入式通风，风管出口为隧洞供风的入口，设定为速度入口。根据建立的物理模型，风速沿x正方向压入隧洞，风速大小为20 m/s，假定为均匀分布；y方向和z方向风速为0。入口湍流参数可通过设定湍流强度I来实现[11]。

(6)

式中:u′为速度波动的均方根，m/s；uavg为平均速度，m/s；ReDH为水力直径为DH时的雷诺数；DH为水力直径，对于圆管，水力直径等于圆管内径，本文中风管为圆管，内径为1.5 m，故水力直径DH=1.5 m。

2.3.2 出口边界

本计算模型中，洞口为空气排出的唯一通道，设定为压力出口，与外界相通，出口压力和温度与外界大气相同。因此，表压设置为0，温度设置为25 ℃。

2.3.3 固体壁面边界

通风管壁、隧洞壁和工作面采用标准固体壁面，无滑移，壁面温度与外界大气相同。

2.3.4 CO初始质量浓度

钻爆法施工中，在工作面附近会产生大量CO等有毒气体，爆破后产生的CO气体初始质量浓度计算可按式(7)计算[8]：

(7)

式中:c为CO初始质量浓度，kg/m3；ρ为CO密度，kg/m3；q为单位耗药量，kg/m3；l为炮孔深度，m；b为每kg炸药产生的有毒气体，m3/kg，可取0.04 m3/kg；L为炮烟投掷长度，m。

经计算c≈3.975×10-3kg/m3。

4 模拟结果分析

4.1 风流场模拟结果

图2给出了通风初始时刻，10号施工支洞工作面附近纵向轴对称面的风流场分布变化情况。从模拟结果可以看出，通风1 s后从风管紊动射流尚未到达工作面，紊动射流与隧洞内周围空气发生动量交换，形成卷吸效应，带动周围空气运动，进而在隧洞顶部和中部形成2个反向旋涡。通风10 s后，射流充分发展，隧洞顶部空气受射流卷吸作用影响范围扩大，流向工作面的空气长度增加，风管射流区下部漩涡进一步发展为狭长型。

图2工作面附近纵向对称面施工通风初始时刻风流场矢量图

图3 t=5 min时，工作面附近风压场分布云图

图3为通风5 min后得到的风压分布云图，工作面附近最大风压为33.11 Pa，最小风压为-11.10 Pa，最大风压区位于工作面附近，负压区位于风管射流附近，风管出口后部隧洞风压基本相同约1.53 Pa。工作面顶部和底部压强较大，呈“凹”型分布，这是由于风流从风管射出到工作面上，动量发生变化而造成的。

4.2 温度场模拟结果

采用钻爆法开挖过程中，由于施工爆破会在工作面附近产生大量的热量。本文将爆破后工作面附近区域的初始温度设定为30 ℃，风管射流输送的新鲜空气温度设定为18 ℃，对通风过程中工作面附近温度场变化情况进行模拟。从图4(a)可知，通风10 s时，一方面，风管紊动射流和隧洞空气相互作用掺混，交换能量，降低洞内温度；另一方面，随着新鲜空气的不断输入，由于风流的对流作用，隧洞内热空气不断被压向洞口排出。由图4(b)可知，通风约50 s后，工作面附近30 m范围内洞内温度降低到约22 ℃，通风散热作用效果明显。

4.3 CO质量浓度场模拟结果

图5给出了t=5 s、10 s和190 s时工作面附近CO质量浓度场分布云图。由图5(a)可知，通风5 s时，风管射流附近CO质量浓度最低，主要原因是风管射流输送的新鲜空气通过稀释作用降低了CO质量浓度。由图5(b)可知，通风10 s后，风管射流到达工作面，风流对流扩散作用将洞内空气向洞口方向“挤排”，工作面处CO质量浓度降低到2.609×10-3kg/m3。图5(c)所示为通风约190 s后，工作面附近30 m区域范围内CO质量浓度最高为2.235×10-5kg/m3，低于安全质量浓度3.0×10-5kg/m3。

从图6(a)可知工作面附近纵轴对称面中心线上CO质量浓度随时间分布情况。距离工作面15 m处CO质量浓度最低，这是由于距离风管出口越近，风管射流稀释作用越强。距离工作面30 m处CO质量浓度最高，这是由于对流作用将CO向洞口推移，导致CO质量浓度升高。随着通风时间增加，隧洞内CO质量浓度逐渐降低，通风3 min后，洞内浓度降低到安全值附近。

从图6(b)可知通风120 s时工作面附近纵轴对称面不同位置CO质量浓度随高度变化情况。工作面附近隧洞顶部由于风流的对流作用较弱，CO质量浓度最高。由于风管射流的稀释作用，在沿风管出口正方向的同一平面上，风管轴线处CO质量浓度最低。随着平面不断远离风管出口，靠近工作面位置，射流稀释作用逐渐减小，在工作面附近CO质量浓度场几乎不受稀释作用影响。

图4 工作面附近温度场分布云图

图5 工作面附近CO质量浓度场分布云图

图6 工作面附近CO质量浓度分布图

5 结 语

隧洞施工通风对于洞施工进度、安全和质量具有制约作用，关系到施工作业人员的生命健康安全，是隧洞施工的关键工序。本文在分析卡鲁玛尾水隧洞施工通风布置方案的基础上，基于CFD理论，以10号施工支洞施工通风为例，运用ANSYS Fluent软件进行了三维动态模拟计算，模拟结果直观地展示了风流速度场、温度场和CO质量浓度场随通风时间的分布变化规律，为隧洞通风设计和计算提供了理论依据，对施工实践具有理论指导意义。

仿真结果表明，隧洞施工通风过程中，受风管射流卷吸效应影响，风管射流的卷吸作用会在风管射流区下部形成一个狭长型低速漩涡区；由于射流速度较高，在风管出口附近会形成负压区；风管紊动射流通过与周围空气的掺混，不断交换动量和能量，与周围热空气进行热交换，对CO气体具有稀释作用；随着通风时间，射流到达工作面后，工作面附近风流组织状态逐步趋于稳定，对流扩散作用增强，将热空气和CO气体向洞口“挤排”，降低工作面附近洞内温度和CO质量浓度。