特长跨海公路隧道排烟道辅助通风下排风口设计参数的数值模拟研究——以青岛第二海底隧道为例

张逸敏, 田啸宇, 姚文浩, 付朝晖, 陈玉远, 曾艳华, *

(1. 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；2. 四川路桥建设股份有限公司，四川 成都 610031； 3. 中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430063)

0 引言

随着我国地下工程建造技术水平的提高，水下隧道成为满足人们快速跨越水域需求的重要交通形式。近年来，上海、武汉、南京、厦门等城市开始涌现出一大批跨江、跨海的水下隧道工程。而水下隧道的运营通风事关行车人员的生命健康和财产安全，必须重视。青岛第二海底隧道属于特长跨海公路隧道，其运营通风有如下特点： 1) 隧道较长，需采用分段通风才能达到较好的通风效果； 2) 隧道水域段设置竖井通风非常困难，且会带来巨额的土建费用。

截至目前，国内外研究者通过理论推导、数值模拟、现场实测等手段研究了排风口参数在隧道运营通风设计中的影响。马超超[1]利用CFD软件Fluent分析研究了竖(斜)井送排纵向通风方式中隧道内流态、排风口构造和角度等对排风效率的影响；方磊等[2]以秦岭终南山隧道为原型建立了缩尺模型，研究了隧道排风口与主隧道夹角对排风段隧道平均风速的影响；高阳等[3]通过对排风口面积等参数进行研究分析发现，斜井底部送排风口之间短道风速随排风口面积的增大而减小；许雷挺等[4]基于污染物的对流扩散方程，结合TOP公式，构建了纵向通风隧道顶部排风口对环境影响的理论模型；刘卡[5]采用CFD软件Fluent数值模拟的方法，对隧道中排风口形式及最佳排风口角度进行了研究；蒋树屏[6]建立了公路隧道竖井送排式组合通风的计算模式，并结合具体工程，对送排风口的构造、形状、角度和间距进行了分析； 方磊[7]通过大比尺模型试验，分别对长大公路隧道送、排风井底部中隔板的高度和竖井送排式通风送、排风口的角度进行了模型试验分析，并给出了优化建议；吕康成等[8]根据空气动力学基本方程推导了特长隧道排送组合通风中排风口与送风口的升压力计算公式，特别考虑了排风道与隧道交角对排风口升压力的影响，建立了新的送风口通风分析计算模型；李航[9]依托西山特长公路隧道，通过物理模型试验以及数值仿真试验对送排风竖井送风口处隔板长度、排风口角度以及两送排风竖井之间的间隔距离进行了优化；马佳[10]对公路隧道通风系统中的送排风口局部阻力损失系数进行了系统数值模拟研究，分析了多种因素对风道局部阻力损失系数的影响，并给出了相应的优化参数。

由以上文献可以看出，目前对隧道排风口的研究多基于常规的竖井送排的运营通风方式，而对于水中不设竖井的新型通风模式下，利用排烟道辅助通风的顶部排烟口的参数研究较少，研究内容也多限于排风口面积和排风口的角度对通风效果的影响，对整体式与分离式排风口、风阀与排烟口的距离以及烟道分岔口与排风口的距离对通风效果的影响研究较少。

本文进行了不同排风口形式及面积、风阀及分岔口等因素对排风口附近局部阻力系数的影响规律研究，确定了最优排风口参数及相应的局部阻力系数，以期为运营通风计算提供依据。

1 工程背景

1.1 工程概况

青岛第二海底隧道主线隧道北线全长15.89 km，南线长15.80 km。隧道在黄岛岸澎湖岛街设置1对进出匝道，秦皇岛路上预留1处出口匝道。在黄岛侧，主线隧道以2条主线隧道+中间服务隧道的形式穿越胶州湾；在近青岛侧，海底处每条主线隧道分岔变为2管隧道，2管隧道向北接入环湾大道出地，向东接入海泊河两岸接地面路基段，并向东接入杭鞍高架和温州路。

隧道预计在2023年通车，公路等级为高速公路，主隧道单向行车，为双洞6车道，设计车速80 km/h；分岔隧道单向行车，为双洞4车道，设计车速60 km/h。隧道联络烟道段横断面示意如图1所示。

图1 青岛第二海底隧道联络烟道段横断面示意图(单位： mm)

1.2 新型通风方案

考虑到青岛第二海底隧道海中建造竖井难度大、土建费用高等问题，提出了海中不设竖井的新型通风方案。该方案为： 在黄岛岸设送排风通风竖井，海中不设竖井；利用服务隧道向南北线隧道海中送风； 将南北线顶部排烟道作为南北线隧道海中排风道； 在海中通过设置联络风道的方式将南北线排烟道连通，以增加风道的面积，减小通风能耗。新型运营通风方案示意如图2所示。

图2 青岛第二海底隧道新型运营通风方案示意图(单位： m)

由图2可知，新型运营通风方案在海中利用顶部排烟道进行排风。北线风流在海中排风位置通过排风口进入排烟道后，一部分风流仍沿着北线排烟道流动，并由北线烟道排出；另一部分风流通过南北线联络烟道进入南线排烟道，并由南线烟道排出。南线通风方案原理与北线类似，风流在海中排风位置通过顶部排风口进入南线隧道顶部排烟道后，一部分沿着南线烟道流动，最后由分岔隧道出口前风塔排出；另一部分风流通过联络烟道进入北线顶部排烟道，然后通过北线分岔隧道风塔排出。

新型通风方案利用顶部排风口排烟道排风，风流进入隧道后一部分通过顶部排风口进入排烟道，进入后的风流沿着行车方向流动，在顶部烟道分岔口处分流进入南北线烟道，且在顶部排风口另一侧采用风阀将排烟道封堵，以防风流进入另一侧烟道。

新型运营通风方案解决了海中不设竖井的问题，但排风效果还需探究，所以顶部排风口面积、顶部烟道分岔口及风阀位置对排风效果的影响需进一步研究。

2 理论分析

新型通风方案下不同排风口面积、风阀、分岔口位置及南北线排烟道排风比等均会对局部阻力系数产生不同的影响，所以根据该工程新型通风方案的结构设置，构建局部阻力系数研究模型。

以排烟道分岔段为例,局部阻力系数ζAC、ζAD理论计算模型如图3所示。

其中，截面A-A的速度为vA，截面C-C的速度为vC，截面D-D的速度为vD，沿流动方向对截面A-A与截面C-C运用伯努利方程，得到式(1)和式(2)。将隧道设置为绝对光滑壁面，取沿程阻力系数λA=λC=λD=0，则可以得到局部阻力系数ζAC、ζAD的表达式，分别见式(3)和式(4)。

(1)

(2)

(3)

(4)

式(1)—(4)中：vi(i=A、C、D)为各管段内的空气流速，m/s；ρ为空气密度，kg/m3；Pi(i=A、C、D)为各管段的静压，Pa；Di(i=A、C、D)为各管段的水力直径，m；li(i=A、C、D)为排风口至i-i断面的距离，m。

(a) 隧道风流示意图

(b) 特征断面示意图

3 数值模拟

3.1 模型建立

本文利用CFD数值模拟软件Fluent及网格划分软件Gambit对隧道进行1∶1全尺寸建模，并分别建立2种风道模型对应的1∶1全尺寸模型及部分计算域网格。

第1种模型为主隧道风流通过排风口进入顶部排烟道的风道模型。模型边界条件为： 1)隧道进口设置为速度入口，用以设置入口风量； 2)隧道出口与外界大气相连，设为表压为0的压力出口； 3)将上部烟道出口设置为速度出口，以模拟不同排风比工况，排风比即为排风量与竖井上一段隧道风量的比值。此模型可以研究在不同排风比下不同排风口形式、排风口面积、排风阀位置对局部阻力系数的影响，计算模型见图4。

(a) 几何模型及局部网格划分

(b) 隧道风流示意图

第2种模型为主隧道风流通过排风口进入顶部排烟道后分流，一部分风流仍沿着原排烟道方向流动，另一部分风流通过联络烟道进入另一条隧道顶部排烟道的风道模型。其中，北线排烟道需预留送风道，送风道与排风道用隔板分隔，送排风互不影响。模型边界条件为： 1)隧道进口设置为速度入口； 2)隧道出口设为表压为0的压力出口； 3)隧道出口上部烟道、联络烟道设置为速度出口，以模拟南北线隧道不同排风比。此模型研究南北烟道排风比及顶部烟道分岔口位置对局部阻力系数的影响，计算模型见图5。

(a) 几何模型及局部网格划分

(b) 隧道风流示意图

模型中设置2种排风口形式，即整体式与分离式排风口。整体式排风口断面为矩形； 分离式排风口由3个小型整体式排风口间隔一定距离组合而成。

3.2 顶部排风口面积对局部阻力系数的影响

计算模型及网格划分如图4所示。在不考虑顶部排烟道分岔的模型下研究不同排风口面积对局部阻力系数的影响。

3.2.1 计算工况

模型隧道入口风量保持600 m3/s不变。设置2种排风口形式(整体式和分离式)，排风口面积分别设置为30 m2、45 m2和60 m23种。每种工况排风比设置为30%、40%、50%、60%，具体工况设置见表1。文中为方便排风口工程参数取值，近似将3.5 m×5.5 m×3面积等效为60 m2。

表1 排风口面积工况设置

3.2.2 结果分析

通过模拟计算可得到不同排风口面积下不同排风比时A-A断面、B-B断面排风口的压力，进而计算得到不同工况下A-A断面至B-B断面间风道的局部阻力系数ζAB。不同工况下局部阻力系数ζAB随排风比的变化规律见图6。

图6 不同工况下局部阻力系数ζAB随排风比的变化规律

由图6可知： 1)各工况下局部阻力系数ζAB变化规律相同，即随着排风比增大，局部阻力系数逐渐减小直至趋于稳定。2)当排风口面积为30 m2时，局部阻力系数较大，采用分离式排风口时约为2.60，采用整体式排风口时约为2.15；排风口面积为45 m2时，局部阻力系数明显减小，采用分离式排风口时约为1.35，采用整体式排风口时约为1.28；排风口面积为60 m2时，局部阻力系数进一步减小，采用分离式排风口时约为1.00，采用整体式排风口时约为1.04。所以适当增大排风口面积可以减小局部阻力系数，但排风口面积过大时局部阻力系数并不能明显减小。

以排风比为50%为例，此时局部阻力系数ζAB已趋于稳定，对风道内的速度分布情况进行分析。排风口速度云图及流线图如图7所示。

(a) 工况1

(b) 工况2

(c) 工况3

(d) 工况4

(e) 工况5

(f) 工况6

对图7分析可以得出： 1)当排风口面积为30 m2时，整体式排风口气流流入排烟道内风速变化较大，风速经过约5 m后便从15 m/s降至9 m/s，经过约30 m后从9 m/s升至11 m/s，流场较不稳定，局部阻力系数较大； 分离式排风口3个排风口风速均较大，且风速变化不稳定，局部阻力系数亦较大。2)当排风口面积为45 m2时，整体式排风口的排烟道内风速变化减缓，风速经过约25 m后从16 m/s降至11 m/s，之后不再变化，流场较为稳定，局部阻力系数减小；分离式排风口下靠近出口侧排风口风速较大，其余2个小排风口风速较小，整体风速变化较稳定，局部阻力系数也随之减小。3)当排风口面积为60 m2时，整体式排风口下排烟道内风速变化不大，风速从15 m/s缓慢降至11 m/s，不存在急剧的风速变化，流场稳定，局部阻力系数较小；分离式排风口下风流变化规律与排风口面积为45 m2时基本一致。综上，顶部排风口面积取为45 m2左右时已能满足工程需求。

3.3 风阀位置对局部阻力系数的影响

计算模型及网格划分如图4所示。在不考虑顶部排烟道分岔的模型下研究不同风阀位置对局部阻力系数的影响。不同风阀位置设置如图8所示。

图8 不同风阀位置设置示意图

3.3.1 计算工况

模型隧道入口风量设为600 m3/s，根据3.2节的分析结果取排风口面积为45 m2,并设2种排风口形式(整体式和分离式)，风阀与排风口的距离分别设为0、5、10 m 3种。每种工况排风比设置为30%、40%、50%、60%。风阀位置工况设置见表2。

表2 风阀位置工况设置

3.3.2 结果分析

通过数值模拟结果可计算得到不同风阀位置下不同排风比时A-A断面、B-B断面排风口的风压，进而计算出不同工况下A-A断面至B-B断面间风道的局部阻力系数。局部阻力系数ζAB随排风比的变化规律如图9所示。

图9 不同风阀位置下局部阻力系数ζAB随排风比的变化规律

由图9可知： 1)不同风阀位置下，局部阻力系数随排风比的变化规律相同，即随着排风比增大，局部阻力系数先快速减小，继而趋于稳定。2)在整体式排风口形式下，风阀位置对局部阻力系数的影响不大，3种工况下局部阻力系数的减幅相差不大，稳定后的局部阻力系数亦相差很小，局部阻力系数稳定在1.29。3)分离式排风口形式下，风阀在距离排风口10 m时，初始局部阻力系数最小，随着排风比的增大，其数值较其他工况小，最终稳定在1.31附近。综上，在工程实际允许的情况下，风阀与排风口的距离推荐取10 m。

3.4 顶部烟道分岔口位置对局部阻力系数的影响

计算模型及网格划分见图5，考虑顶部排烟道分岔。风流通过排风口进入排烟道后分流，一部分进入北线排烟道，另一部分通过联络烟道进入南线排烟道。其中，北线顶部排烟道预留宽4 m、长100 m的送风道。具体顶部烟道分岔口位置布置示意见图10。

图10 顶部烟道分岔口位置布置示意图(单位： m)

3.4.1 计算工况

模型隧道入口风量设置为600 m3/s。根据3.2节、3.3节的分析结果，取排风口面积为45 m2，排风口尺寸为6.0 m×7.5 m，风阀与排风口距离为10 m。每种工况设置不同顶部烟道分岔口位置及不同排风比，以研究烟道分岔口与排风口的距离对局部阻力系数的影响规律。

由3.2节分析结果可知： 1)排风比达到40%后局部阻力系数趋于稳定，且海中排风能力有限，排风量不宜过大； 2)排风比取为40%～60%时，排风量为240～360 m3/s，此区间的排风量均能满足条件，计算结果具有适用性。每种工况下排烟道排风分别按照北线烟道排风比40%、50%、60%对应南线烟道排风比60%、50%、40%计算，具体工况见表3。

表3 顶部烟道分岔口位置工况设置

3.4.2 结果分析

由于排风比对局部阻力系数的影响较小，各排风比下局部阻力系数已趋于稳定，以排风比50%为例，绘制局部阻力系数随顶部烟道分岔口位置的变化曲线，结果如图11所示。

由图11可以看出，南北线排风比对局部阻力系数有较大的影响。以排烟道分岔口与排风口距离10 m为例，顶部烟道分岔口位置不变时，当北线烟道排风比为40%、南线烟道排风比为60%时，局部阻力系数ζAD较小，为1.58，局部阻力系数ζAC较大，为9.01；当南、北线烟道排风比均为50%时，局部阻力系数ζAD为3.47，局部阻力系数ζAC为4.67；当北线烟道排风比为60%、南线烟道排风比为40%时，局部阻力系数ζAD较大，为8.08，局部阻力系数ζAC较小，为2.61。由于南北烟道排风比不同，造成较大排风比与较小排风比烟道的局部阻力系数ζAC与ζAD相差悬殊，不利于提高运营通风的效率。因此，建议南北烟道排风比尽量相等。

当南北烟道排风比相等时，随着顶部烟道分岔口与排风口间距的增大，局部阻力系数ζAC先减小后增大，但变化量较小。顶部烟道分岔口与排风口的间距为10 m和20 m时，局部阻力系数ζAC、ζAD较小，而另外2种间距下则较大。

对各工况下风道内的速度分布情况进行分析。以南北线烟道排风比均为50%为例，各工况下隧道纵向(X=0 m)断面、联络烟道纵向(Z=300 m)断面、排风口高度处(Y=7 m)断面速度云图及速度流线如图12所示。

(a) A-A断面至C-C断面局部阻力系数ζAC

(b) A-A断面至D-D断面局部阻力系数ζAD

由图12可知: 1)当排风口刚好位于顶部烟道分岔口处时，排风口附近流场较复杂，整个排风口风速较大，进入北线排烟道后风速存在明显的突变，排风口与风阀之间存在涡流，使得局部阻力系数较大； 2)当顶部烟道分岔口距离排风口10 m时，排风口与风阀之间仍存在涡流，但排风口靠近出口段一侧速度较大，分流进入排烟道后，一部分风流被迅速吸入联络通道，另一部分沿着北线烟道继续流动，这种情况下局部阻力系数要小于排风口位于顶部烟道分岔口处时的局部阻力系数； 3)当顶部烟道分岔口距离排风口20 m处时，风流流动规律与顶部烟道分岔口距离排风口10 m时相似，但整体流场较稳定，风速无明显突变，局部阻力系数大小与10 m工况相当； 4)当顶部烟道分岔口距离排风口30 m处时，流场比较稳定，但排风口至出口方向形成一个长约5 m的涡流，使得该处风速分布不均，排烟道横断面两侧速度较大，中间风速很小，使得该工况下局部阻力系数增大，大于距离排风口20 m工况下的局部阻力系数。因此，排风口与排烟道分岔口的距离推荐取20 m左右。

(a) 工况Ⅰ

(b) 工况Ⅱ

(c) 工况Ⅲ

(d) 工况Ⅳ

4 结论与展望

针对青岛第二海底隧道采用不设海中竖井、利用排烟道辅助排烟的新型运营通风方案，利用CFD软件Fluent研究不同排风口形式、面积、风阀位置及顶部烟道分岔口位置对局部阻力系数的影响，得到如下结论。

1)随着排风口面积增大，局部阻力系数逐渐减小；当面积增大到一定值时，继续增大排风口面积局部阻力系数不再减小。因此，适当增大排风口面积可减小局部阻力系数，但面积过大时局部阻力系数减小并不明显，建议排风口面积取45 m2左右。

2)随着风阀与顶部排风口距离的增大，局部阻力系数减小，建议风阀与排风口的距离取10 m左右。

3)新型通风方案下，顶部烟道分岔口与排风口距离宜取10～20 m；对于排烟道排风比，只有当南、北线排烟道排风比均为50%时，南、北烟道局部阻力系数较小且差值最小，得出了南北烟道排风量应相等的结论。

对于青岛第二海底隧道水中不设竖井、利用排烟道辅助运营通风的方案，排风口的参数选取对运营通风设计、降低能耗起到关键作用。本文虽进行了不同排风口形式、面积、风阀位置及顶部烟道分岔口位置对局部阻力系数的影响研究，得出了排风口面积、风阀位置及顶部烟道分岔口位置的推荐值，但全文以局部阻力系数变化规律为主，尚未考虑通风整体阻力的影响，也未进一步对通风方案进行适当优化，例如： 在排风口处设置弧形板以减少通风阻力等。今后将进一步围绕上述不足开展研究。