高竖井双向公路隧道集中送风模式分析

陈外才　陈林翼

摘 要：分析高竖井双向公路隧道热位差对公路隧道集中送风的影响规律，进而优化高竖井双向公路隧道通风模式。

关键词：高竖井双向公路隧道；熱位差；集中送风；数值模拟

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.19.084

0 引言

深埋长大公路隧道一般都会设置高竖井，高竖井内易产生较大的热位差，将极大地影响公路隧道通风。分析竖井内热位差对公路隧道运营通风的影响，深入研究高竖井双向公路隧道合理的通风方案，可避免高竖井双向公路隧道通风能耗严重或通风不足。

1 模型分析

公路隧道长6000m高9m，竖井宽6m高600m（参考秦岭钟南山公路隧道最高竖井高度），隧道两端洞口设置100m x 609m空气流场。公路隧道竖井与两端空气域等高，隧道与两端空气域一起构成U型管连通器通风系统。

2 热位差对高竖井双向公路隧道集中送风影响分析

进行Fluent数值模拟，公路隧道运营环境温度设置为：0℃、10℃、20℃、30℃，公路隧道两端洞口温度取运营环境温度，竖井口温度分别取-3.6℃、6.4℃、16.4℃、26.4℃，公路隧道壁温取20℃。竖井送风压取100Pa、200Pa、300Pa，公路隧道两端洞口都取一个大气压，隧道壁粗糙度设置为0.07，双向公路隧道两个方向都有来车，不考虑隧道交通风压。在Fluent软件中根据实际情况设置模拟系数，开能量方程进行数值模拟，各工况模拟计算结果如表1。

根据表1和图2分析，高竖井双向公路隧道冬季（取0℃环境温度条件的模拟数据分析）运营采用竖井集中送风方案的通风情况如下：（1）竖井送风压低于200Pa时，隧道处于集中排风状态，送风压无法克服竖井内浮升热位差送风。且随着送风压增大，隧道和竖井内风速逐渐减小。（2）竖井送风压增大到200Pa时，隧道仍处于集中排风状态（弱排风状态），隧道和竖井风速降至最低（送风压刚好克服浮升热位差）。（3）竖井送风压增大到300Pa时，隧道通风状态开始转变成集中送风状态（竖井内送风压克服浮升热位差往隧道内送风），隧道和竖井内风速开始随着送风压增大逐渐增大。故高竖井双向公路隧道冬季运营采用竖井集中送风方案通风能耗浪费严重，此时送风机需克服竖井内浮升热位差才能向隧道内送风，且竖井越高需克服的浮升热位差越大。因此，高竖井双向公路隧道冬季运营应采用竖井集中排风方案（有效利用浮升热位差）。

由图3知，高竖井双向公路隧道夏季（30℃环境温度）运营采用竖井集中送风方案时，空气从隧道外流入竖井（空气加热升温时间较短），难以形成有效的沉降热位差，热位差作用极小，隧道和竖井内风速取决于竖井送风压大小（类似于纯机械通风）。此时，随着竖井送风压增大，隧道和竖井内风速迅速增大（隧道一直处于集中送风状态），且风速增大的速率逐渐增大，竖井内风机的送风压对隧道风速影响越大。而高竖井双向公路隧道夏季运营采用竖井集中排风方案时，空气经过隧道段长时间降温，进入竖井后形成较大的沉降热位差，不利于隧道集中排风，竖井内风机需克服较大的沉降热位差（功耗大）往竖井外排风。因此，高竖井双向公路隧道夏季运营应采用竖井集中送风方案，以避免严重的能耗浪费现象。但采用此方案污染空气易在公路隧道两端洞口积聚形成光幕效应（隧道两端洞口排出污染空气）。对于单洞双向公路隧道，两个方向都有车辆进出，隧道洞口容易发生交通事故，需加强隧道两端洞口实时监控，以防止洞口光幕效应。

3 结论

高竖井双向公路隧道合理设计通风方案，可有效降低能耗或避免能耗浪费：

（1）高竖井双向公路隧道冬季通风应采用竖井集中排风方案，可有效降低隧道通风能耗；

（2）高竖井双向公路隧道夏季通风应采用竖井集中送风方案，可避免隧道通风能耗浪费，但需加强隧道两端洞口监控，避免隧道洞口出现光幕效应。

参考文献：

[1]陈外才.带竖井公路隧道运营通风热位差利用数值模拟[D].长安大学，2015.

作者简介：陈外才（1986-），男，四川成都人，研究生，中级工程师，主要研究方向：桥梁与隧道工程。