矩形断面综合管廊线缆舱通风阻力系数数值仿真研究

2019-07-15陈小峰张振华

隧道建设(中英文) 2019年6期

陈小峰，郭春,*，郑鑫，张振华

(1. 西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031；2. 西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，四川成都 610031)

0 引言

为优化和完善城市功能品质，加大地下空间综合开发利用，减少“拉链式”马路的出现，许多城市开始着手规划、设计、建设城市综合管廊。为保障这条城市“生命线”的正常运行和日常维护，尤其是保障廊内有毒有害气体的排出和火灾救援[1]，合理的廊内通风必不可少。目前,众多学者[2-6]对综合管廊的通风进行了研究，包括通风方式选择、通风风量计算等。其中，唐志华[5]、李红雷等[6]基于传热学理论，通过计算廊内电缆的载流量和发热量来研究电缆舱的通风方式、风速、风量的选择以及通风系统的运行控制方法。另外，周游等[7]采用数值模拟的方法对综合管廊的电缆舱通风进行研究，分析得到，随着通风距离的增长，降温效果减弱，舱内局部温度过高，需要进行合理的通风分区。

以上研究多集中在廊内通风风量计算、最低风速取值、通风方式选择以及通风区段优化等方面，而关于综合管廊通风阻力影响的研究几乎没有。由于廊内管线、支架等通风障碍物繁多，它们势必对通风阻力造成影响。鉴于中国城市综合管廊的建设起步较晚，目前对管廊通风设计并没有相关规范，而《城市综合管廊工程技术规范》[8]中对管廊通风也只是提出最低标准(通风方式、风速、换气频率等)，并没有提及通风阻力系数的取值方法及取值范围。在全国都在大力建设综合管廊的背景下，为了使其安全高效地运转就必须明确其内部通风阻力效应。

本文通过对综合管廊线缆舱建立1∶1数值模型，利用FLUENT软件对舱内的通风场景进行模拟，并首次结合流体力学的理论和隧道工程通风阻力系数的研究成果，分析其通风阻力的相关系数。

1 相关理论

虽然关于城市综合管廊通风阻力效应的研究几乎为空白，但是在类似构造物(如隧道工程)中通风摩阻研究[9-12]较为成熟。鉴于城市综合管廊和隧道工程均属于狭长构造物，部分特性相似，故本研究在流体力学的基础上借鉴隧道工程通风研究的相关分析方法，得到以下计算公式。

在城市综合管廊中，风流的沿程阻力(摩擦阻力)表达式为：

(1)

式中：hf为管廊通风的沿程阻力，Pa；λ为沿程阻力系数；L为管廊长度，m；d为管廊截面当量直径，m；ρ为管廊内空气密度，kg/m3；v为管廊内平均风速，m/s。

由于支架对空气流动的影响属于局部阻力，故管廊通风的局部阻力

(2)

式中ξ为局部阻力系数。

因此，城市综合管廊线廊舱的通风阻力h为沿程阻力和局部阻力之和，即：

(3)

若断面为非圆形的不规则形状，管廊截面当量直径

(4)

式中：A为廊内空气过流断面面积，m2；U为廊内空气过流断面周长，m。

在工程上，局部阻力系数只与阻碍物几何形状有关[13]。在实际综合管廊工程中，支架在纵向上为均匀排列，且形状一致，故每处支架产生的局部阻力相同。为简化计算，可以将管廊划分成若干相等的区段，且每段只含1个竖排支架，则整个管廊的通风阻力可表示为：

(5)

式中：λi为第i个管廊区段的沿程阻力系数；l为管廊区段长度，m；vi为第i个管廊区段的平均风速，m/s。

当廊内通风量一定时，如果过流断面相同，根据Ai·vi=Aj·vj近似有vi=v，则各区段雷诺数Re近似相同。在紊流中，沿程阻力系数可表示为：

(6)

式中k为管廊内壁绝对粗糙度，m。

鉴于k和d分别为定值，故各管廊区段的λ值也可近似认为相等，则式(5)可以转化为：

(7)

(8)

为方便求得通风阻力h，所取管廊线缆舱模型假设没有纵坡，依据仇玉良等[14]的研究结果，其进出口间的通风阻力

(9)

式中：p1、p2分别为管廊进、出口断面静压，Pa；v1、v2分别为管廊进、出口断面风速，m/s。

2 数值模拟

2.1 模型概况

根据《城市综合管廊工程技术规范》[8]中的相关规定，综合管廊标准断面内部净高应根据容纳管线的种类、规格、数量、安装要求等综合确定，不应小于2.4 m；管廊内部两侧设置支架或管道时，检修通道净宽不得小于1.0 m。结合《电力工程电缆设计规范》[15]中对于支架间距的规定，建立断面为2.5 m×3.0 m的矩形管廊线缆舱模型，其纵向长度为20 m。为模拟支架和线缆对线缆舱内部通风的影响，在该模型中建立支架和线缆模型，具体情况为：支架为0.75 m×0.05 m× 0.05 m(长×宽×高)的长方体，附着于综合管廊线缆舱的两侧壁，纵向间距为1 m，横断面上间距为0.25 m；线缆为长直圆柱体，半径为0.04 m，长度为20 m，在每一层支架上均匀布置3根线缆，共计11层，左右两侧均匀布置。综合管廊线缆舱几何模型如图1所示。

图1 综合管廊线缆舱几何模型

本模型中流体采用ANSYS ICEM CFD软件建模并划分结构化网格，管廊内壁面(包含支架、管线表面)采用标准壁面函数法进行处理，并满足文献[16]中的精度要求。数值模型有6 189 550个六面体单元，并且精度较高(最小Quality值为0.5)。综合管廊线缆舱网格划分情况如图2所示。

图2 综合管廊线缆舱部分网格情况

另外，为了更方便地描述综合管廊线缆舱内部线缆和支架等对通风阻力的影响，根据线缆舱横断面和线缆、支架迎风面几何形状特点，可得到“通风障碍物比例”，即综合管廊线缆舱横断面中支架和线缆的迎风面积占该横断面总面积的比例。本模型的横断面通风障碍物比例值约为15%。

2.2 计算参数及模型选用

本模型采用ANSYS FLUENT软件进行模拟，主要模拟2种情况：不考虑热效应和考虑热效应对通风的影响。

2.2.1 不考虑热效应对通风的影响

在这种情况下只考虑不同通风风速对通风阻力的影响。值得注意的是，本研究中数值模型模拟实际管廊中的一段，定义的风速为断面平均风速。依据《世博会园区综合管沟建设标准》[17]，廊内风速不宜大于1.5 m/s，且出风口风速不得大于5 m/s，故本文中断面风速取值为0.3～3.0 m/s(间隔0.3 m/s)。

对通风阻力系数进行研究时，相关参数取值如下：空气为理想的不可压缩气体，空气密度ρ=1.225 kg/m3；环境大气压p=10 325 Pa；运动黏滞系数μ=1.52×10-5kg/(m·s)。

2.2.2 考虑热效应对通风的影响

热效应主要由线缆发热和进风温度所引起。

1)模拟线缆发热对通风的影响时，主要分2个方面：线缆发热一定，不同通风风速下的通风模拟；通风风速一定，不同线缆发热量下的通风模拟。

线缆产生的热量在通过线缆外表面时的热流密度q恒定[18]，故可采用第2类热边界条件。新鲜空气从进口流入时，进风温度恒定为T=303.16 K，舱内温度恒定为T=303.16 K。

2)模拟进风温度对通风的影响时，线缆发热量视为恒定(热流密度q=18 W/m2)，进风风速也视为恒定(1.5 m/s)，然后改变进风温度(278.16～303.16 K)。

另外，在考虑热效应对通风的影响时，由于流体计算域内的空气温差较小，空气采用Boussinesq近似模型(空气密度ρ=1.225 kg/m3)来模拟空气在热效应作用下的升浮力。舱室的顶部、底部以及两侧的混凝土壁视为绝热壁，即热流密度为0。

2.2.3 计算模型及其他参数设置

鉴于综合管廊各舱室中风速一般不是很大，且本文主要研究内容是线缆舱通风阻力效应，其计算的湍流模型为标准双方程模型。

模拟过程中，利用分离式求解器稳态计算模式，采用SIMPLE计算方法。

为模拟线缆舱内部各类壁面粗糙度对通风摩擦阻力的影响，根据现行《公路隧道通风设计细则》[19]附录中对混凝土壁粗糙高度的规定取Δ=0.5 mm；另外，根据相关文献中对支架表面的粗糙高度的研究，支架表面粗糙高度取Δ=0.1 mm[20]；鉴于线缆舱中线缆由高分子复合材料制成，表面光滑，故其粗糙高度取0。

数值模拟各边界条件如表1所示。

表1综合管廊线缆舱数值模拟边界条件

Table 1 Numerical simulation boundary conditions of utility tunnel cable cabin

边界名称边界类型相关参数线缆舱进口velocity-in-let 0.3～3.0m/s(间隔0.3m/s);278.16～303.16K(热效应,间隔5K)线缆舱出口pressure-outletgaugepressure(表压)=0线缆舱壁面wallΔ=0.5mm(绝热壁)支架表面wallΔ=0.1mm(绝热壁)线缆外表面wall Δ=0;q=10～24W/m2(热效应,间隔2W/m2)线缆舱内部通风区域interiorair(空气)

2.3 模拟结果

根据管廊纵向几何尺寸，本数值模拟过程中以1 m的管廊长度(含1个竖排支架)为单位长度进行计算。

根据模拟结果，取进口断面和出口断面的静压差、动压差之和，即可得到总的通风阻力，再根据式(8)可求出综合管廊单位长度的通风阻力系数。

在不考虑热效应的前提下，综合管廊线缆舱内有、无支架和线缆对通风的影响如表2所示。表2中差异值为综合管廊线缆舱有支架和线缆时对应参数与没有支架和线缆时的比值。

改变通风风速，并考虑线缆舱内支架、线缆及壁面粗糙程度，有线缆热效应(热流量q=18 W/m2)和无热效应(热流量q=0)2种情况下对舱内通风影响的对比分析如图3所示。

通风风速恒定(1.5 m/s)，舱内温度恒定(303.16 K)以及进风温度固定(303.16 K)的情况下，线缆不同热流量对舱内通风的影响如图4所示。

通风风速恒定(1.5 m/s)，舱内温度恒定(303.16 K)以及线缆发热量固定(热流量q=18 W/m2)的情况下，进风温度对舱内通风的影响如图5所示。

进风温度恒定(303.16 K)，舱内温度恒定(303.16 K)以及线缆发热量固定(热流量q=18 W/m2)的情况下，通风风速变化时的温度场如图6—8所示。

表2综合管廊线缆舱有、无支架和线缆情况下通风阻力情况对比

Table 2 Comparison of ventilation resistance of utility tunnel cable cabin with and without brackets and cables

风速/(m/s)通风阻力/Pa无有通风阻力差异值通风阻力系数无有通风阻力系数差异值0.30.00890.130314.640.00810.118214.590.60.03080.485215.750.00700.110015.710.90.06391.066416.690.00640.107516.801.20.10751.871017.400.00610.106117.391.50.16102.899818.010.00580.105218.141.80.22494.150218.450.00570.104618.352.10.29965.622918.770.00550.104118.932.40.38527.322519.010.00550.103818.872.70.48189.242919.180.00540.103519.173.00.589511.385919.310.00530.103319.49

图3 线缆有、无热效应通风情况对比

Fig. 3 Comparison of ventilation situation under conditions of cables with and without thermal effect

图4不同线缆热流量下通风情况对比

Fig. 4 Comparison of ventilation situation under conditions of different cable heat fluxes

图5 不同进风温度下通风情况对比

Fig. 5 Comparison of ventilation situation under conditions of different inlet air temperatures

图6 进口风速0.6 m/s下考虑热效应的温度场(单位： K)

Fig. 6 Temperature field considering thermal effect at an inlet air speed of 0.6 m/s (unit: K)

图7 进口风速1.2 m/s下考虑热效应的温度场(单位： K)

Fig. 7 Temperature field considering thermal effect at an inlet air speed of 1.2 m/s (unit: K)

3 结果分析

3.1 无热效应的情况

在没有考虑热效应的情况下，不同通风风速，有支架、线缆的管廊通风阻力和通风阻力系数是没有时的14～20倍(见表2)。由此可见，城市综合管廊线缆舱内部支架、线缆等对其通风阻力有极大的影响，在通风设计时需着重考虑。

图8 进口风速1.8 m/s下考虑热效应的温度场(单位： K)

Fig. 8 Temperature field considering thermal effect at an inlet air speed of 1.8 m/s (unit: K)

由表2和图3可以得到：随着断面风速的增大，含支架、线缆的线缆舱内部通风阻力逐渐增大，并且增长速率越来越大。这是因为在充分发展的紊流中，通风阻力与风速的平方成正比。

另外，本模型中所有工况均为紊流，沿程阻力系数随Re增大而逐渐减小(见式(6))；局部阻力系数只与阻碍物几何形状有关；因此，随着断面风速的增大，线缆舱内通风阻力系数逐渐减小，并趋于平稳(见图3)。

3.2 有热效应的情况

随着空气温度增加，空气分子热运动加剧，由碰撞和摩擦导致的机械能损失增大。图3中风速为0.3～0.6 m/s时，进口断面风速过小，对舱内的散热效果不好，空气被加热(如图6所示)而导致通风阻力较大，因而该情况下的通风阻力系数较大。而风速大于0.9 m/s时，廊内通风散热情况较好，空气温度较低，故通风阻力系数总体变化不大。

根据图4中结果，在断面风速一致(1.5 m/s)的情况下，与无热效应的情况相比，舱内线缆发热量导致通风阻力和通风阻力系数均减小，但是整体差异不大。由图5可以看出，当其他条件固定时，进风温度对舱内通风有一定的影响，其通风阻力和通风阻力系数随着进风温度的增加而逐渐减小。出现这一现象的原因在于“烟囱效应”，即在没有机械通风动力的情况下(进口断面风速为0)，由于进口断面温度较低，廊内上部气流由于密度差会向进口段面流动(如图9所示)，故而导致通风阻力增大；但是，随着进口断面温度逐渐升高，温度差逐渐降低，由温差引起的阻力逐渐减小。

另外，依据图6—8的结果可以得到，其他条件固定的情况下，随着断面风速的增加，舱内的最高温度逐渐降低，并且线缆发热对舱内空气的温度影响较小，其最大影响范围在出口断面附近的线缆周围，对舱内过道的空气温度几乎没有影响。