2車道公路隧道射流風(fēng)機(jī)空間布局優(yōu)化的CFD分析

趙　黎， 閆治國,2,3

(1. 同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院地下建筑與工程系， 上海　200092； 2. 同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上?！?00092； 3. 同濟(jì)大學(xué)巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上?！?00092)

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2車道公路隧道射流風(fēng)機(jī)空間布局優(yōu)化的CFD分析

趙黎1， 閆治國1,2,3

(1. 同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院地下建筑與工程系， 上海200092； 2. 同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海200092； 3. 同濟(jì)大學(xué)巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海200092)

摘要：為解決2車道公路隧道射流風(fēng)機(jī)的空間布局優(yōu)化問題，依托明堂山隧道工程，采用以往公路隧道射流風(fēng)機(jī)通風(fēng)效果數(shù)值模擬研究中不同的邊界條件，將隧道出入口邊界條件均設(shè)為大氣壓強(qiáng)，并不預(yù)先給定隧道入口風(fēng)速大小。對影響射流風(fēng)機(jī)升壓力大小的因素，如風(fēng)機(jī)縱向間距、風(fēng)機(jī)布置高度、風(fēng)機(jī)橫向間距展開討論，得到： 風(fēng)機(jī)應(yīng)設(shè)在距建筑限界15～30 cm高度處；風(fēng)機(jī)橫向凈距應(yīng)設(shè)為1.5～2倍風(fēng)機(jī)直徑；風(fēng)機(jī)縱向間距應(yīng)設(shè)在150 m以上。明堂山隧道實(shí)際風(fēng)機(jī)布置方式所采用的參數(shù)均在優(yōu)化結(jié)果范圍內(nèi)，按隧道實(shí)際長度及設(shè)計(jì)射流風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)建模，模擬結(jié)果表明風(fēng)機(jī)在進(jìn)行優(yōu)化布局后，隧道通風(fēng)效果能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：明堂山公路隧道; 射流風(fēng)機(jī); 空間布局優(yōu)化; 數(shù)值模擬; CFD

0引言

伴隨著我國公路隧道的大發(fā)展，隧道縱向通風(fēng)方式得到越來越廣泛的應(yīng)用，而任何形式的縱向通風(fēng)方法都離不開射流風(fēng)機(jī)的作用。射流風(fēng)機(jī)在公路隧道中的布置位置受限于建筑限界與拱頂之間的空間，隧道中的風(fēng)機(jī)射流是一種有限空間射流，具有多股平行并列、多組縱向串聯(lián)、以通風(fēng)氣流為伴隨流動(dòng)等特點(diǎn)[1]，因此，射流風(fēng)機(jī)的通風(fēng)效果與其空間布局有很大關(guān)系。

我國很多學(xué)者都對優(yōu)化射流風(fēng)機(jī)在隧道空間中的布局問題展開過研究。如張林[1]對公路隧道射流風(fēng)機(jī)的安裝參數(shù)優(yōu)化進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，分析了風(fēng)機(jī)與拱頂距離、風(fēng)機(jī)左右間距及不同功率風(fēng)機(jī)組合等對流態(tài)的影響；楊秀軍等[2]對公路隧道通風(fēng)中射流風(fēng)機(jī)縱向最小間距進(jìn)行了研究；胡純良等[3]對不同風(fēng)機(jī)軸距下某隧道內(nèi)氣流分布進(jìn)行了研究，得出在射流風(fēng)機(jī)后150 m處風(fēng)速基本不再變化，隧道內(nèi)氣流均勻性較好，處于完全穩(wěn)定的狀態(tài)；方勇等[4]對3車道公路隧道射流風(fēng)機(jī)的設(shè)置位置展開了數(shù)值模擬分析，得出為了減小2股射流之間的干擾及隧道壁面影響，2臺(tái)風(fēng)機(jī)的最佳橫向凈距應(yīng)在3～4倍風(fēng)機(jī)直徑。

在已有的對隧道射流通風(fēng)的數(shù)值模擬研究中，均給定了隧道入口風(fēng)速，但在實(shí)際施工中，隧道入口風(fēng)速是由射流風(fēng)機(jī)、交通風(fēng)和自然風(fēng)綜合影響決定的，這種邊界條件顯然與實(shí)際不符。因此，本文提出了將隧道入口設(shè)為壓力邊界條件(即給定大氣壓強(qiáng)值)的模擬方法，并不強(qiáng)制隧道入口風(fēng)速為定值，而是完全靠射流風(fēng)機(jī)的升壓作用吸進(jìn)風(fēng)量，即隧道入口的風(fēng)速是計(jì)算得到的。同時(shí)，為簡化計(jì)算，忽略交通風(fēng)和自然風(fēng)的影響，將其提供的動(dòng)力或阻力用射流風(fēng)機(jī)或沿程阻力損失代替[5]。

本文依托明堂山公路隧道，利用CFD軟件Fluent按隧道實(shí)際長度及設(shè)計(jì)射流風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)建模，分析2車

道公路隧道中射流風(fēng)機(jī)的安裝高度、橫向間距及縱向間距對通風(fēng)效果的影響，并將模擬結(jié)果應(yīng)用于優(yōu)化明堂山隧道中射流風(fēng)機(jī)的空間布局，應(yīng)用效果證明隧道通風(fēng)效果能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

1基于壓力邊界的公路隧道射流通風(fēng)數(shù)值模擬方法

1.1隧道模型說明

岳武高速明堂山特長公路隧道長7 500 m，雙向4車道，單洞隧道截面寬11 m，高7 m，面積為65.18 m2。其中，左線采用全射流通風(fēng)方式，擬布置54臺(tái)1120型射流風(fēng)機(jī)，見圖1。

圖1　明堂山隧道左線風(fēng)機(jī)布置平面圖

按照明堂山隧道的結(jié)構(gòu)參數(shù)建模，模型取500 m長，在隧道內(nèi)布置2組(每組2臺(tái))射流風(fēng)機(jī)。風(fēng)機(jī)出口風(fēng)速為30 m/s，入口風(fēng)量為29.56 m3/s。射流風(fēng)機(jī)用直徑1.12 m、長1.5 m的圓筒模擬[6]，如圖2所示。

圖2　隧道模型網(wǎng)格正視圖

1.2邊界條件設(shè)定

數(shù)值計(jì)算是在有限區(qū)域內(nèi)進(jìn)行的，因此，在區(qū)域的邊界上需要給定邊界條件。邊界條件要求在數(shù)學(xué)上滿足適定性，在物理上具有明顯的意義。本文的計(jì)算邊界類型及條件如表1所示。

隧道進(jìn)出口均為壓力邊界條件，且設(shè)為大氣壓強(qiáng)值，這與隧道的實(shí)際情況相符。風(fēng)機(jī)進(jìn)口為質(zhì)量流量邊界條件，其數(shù)值為所選用風(fēng)機(jī)的吸入風(fēng)量參數(shù)；風(fēng)機(jī)出口為速度邊界條件，其數(shù)值為所選用風(fēng)機(jī)的出口流速參數(shù)，保證了質(zhì)量守恒定律[7]。隧道底部和頂部為壁面邊界條件，其粗糙高度由隧道實(shí)際粗糙度給定[8]。

表1　計(jì)算模型邊界條件設(shè)置

1.3通風(fēng)效果優(yōu)劣判斷標(biāo)準(zhǔn)

(1)

式中： vr為隧道斷面平均風(fēng)速； vj為射流風(fēng)機(jī)出口風(fēng)速； Ar為隧道截面積； Aj為風(fēng)機(jī)截面積； n為風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)。

(2)

以往學(xué)者在對射流風(fēng)機(jī)空間布局進(jìn)行數(shù)值模擬分析時(shí)，因給定了隧道入口風(fēng)速，并將出口相對靜壓強(qiáng)制為0，所以，往往將得到的入口靜壓與沿程損失之和作為射流提供升壓力的模擬值[9]，但這樣得到的升壓力模擬值不能很好地體現(xiàn)射流風(fēng)機(jī)的升壓作用。本文在確定升壓力模擬值時(shí)，是從計(jì)算結(jié)果中找出氣流在到達(dá)射流風(fēng)機(jī)前隧道截面靜壓的最小值和氣流經(jīng)射流風(fēng)機(jī)升壓后隧道截面靜壓的最大值，二者之差即為射流風(fēng)機(jī)提供的升壓力。

2射流風(fēng)機(jī)空間布置位置優(yōu)化分析

2.1射流風(fēng)機(jī)安裝高度對通風(fēng)效果的影響

JTG/T D70/2-02—2014《公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則》[10]中規(guī)定，射流風(fēng)機(jī)在隧道橫斷面上的布置應(yīng)不侵入建筑限界，射流風(fēng)機(jī)的邊沿與隧道建筑限界的凈距不宜小于15 cm。因此，為研究射流風(fēng)機(jī)安裝高度對通風(fēng)效果的影響，設(shè)定風(fēng)機(jī)距建筑限界分別為15、30、45、60 cm 4組工況進(jìn)行計(jì)算。

第1組風(fēng)機(jī)距隧道入口50 m，第2組風(fēng)機(jī)距隧道入口200 m，氣流在到達(dá)各組射流風(fēng)機(jī)前隧道截面靜壓的最小值和氣流經(jīng)射流風(fēng)機(jī)升壓后隧道截面靜壓的最大值如圖3所示。

圖3射流風(fēng)機(jī)前后截面最大及最小靜壓值(風(fēng)機(jī)距建筑限界不同時(shí))

Fig. 3Maximum and minimum static pressures of tunnel cross-section(with different distances between fan and building boundary)

風(fēng)機(jī)布置高度對升壓力的影響見表2。由表2可知，風(fēng)機(jī)布置得越高，越接近隧道拱頂，風(fēng)機(jī)調(diào)壓綜合影響系數(shù)k值越小，表明風(fēng)機(jī)提供的升壓力越小。因此，建議明堂山隧道在進(jìn)行風(fēng)機(jī)布置時(shí)，風(fēng)機(jī)設(shè)在距建筑限界15～30 cm高度處。

表2　風(fēng)機(jī)布置高度對升壓力的影響

風(fēng)機(jī)距建筑限界60 cm和15 cm時(shí)，風(fēng)機(jī)出口處風(fēng)速矢量圖如圖4和圖5所示。隨風(fēng)機(jī)布置高度增加沿風(fēng)機(jī)軸線剖面速度變化云圖如圖6所示。

圖4風(fēng)機(jī)距建筑限界60 cm時(shí)風(fēng)機(jī)出口處風(fēng)速矢量圖(單位： m/s)

Fig. 4Vectogram of air velocity at fan exit when distance between fan and building boundary of 60 cm (m/s)

圖5風(fēng)機(jī)距建筑限界15 cm時(shí)風(fēng)機(jī)出口處風(fēng)度矢量圖(單位： m/s)

Fig. 5Vectogram of air velocity at fan exit when distance between fan and building boundary of 15 cm (m/s)

對比圖4和圖5可知，風(fēng)機(jī)布置在距建筑限界60 cm高度時(shí)，其出口附近風(fēng)速明顯要比布置在距建筑限界15 cm高度時(shí)小。由圖6可知，隨風(fēng)機(jī)布置高度的增加，出口附近風(fēng)速越來越小。這是因?yàn)轱L(fēng)機(jī)出口風(fēng)流受到拱頂影響沒有足夠豎向空間充分?jǐn)U展，高速風(fēng)流撞擊到拱頂或受到隧道壁面摩阻影響導(dǎo)致動(dòng)能大量損失，使其帶動(dòng)未被風(fēng)機(jī)吸入的低速風(fēng)流流動(dòng)的效果變差[11]，這從流體運(yùn)動(dòng)學(xué)的機(jī)制上解釋了風(fēng)機(jī)布置得越高，其提供的升壓力越小這一結(jié)論。

圖6隨風(fēng)機(jī)布置高度增加沿風(fēng)機(jī)軸線剖面速度變化云圖(單位： m/s)

Fig. 6Nephograms of air velocity variation along fan axis vs. installing height of fan (m/s)

2.2射流風(fēng)機(jī)橫向間距對通風(fēng)效果的影響

JTG/T D70/2-02—2014《公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則》[10]中規(guī)定，當(dāng)同一斷面布置2臺(tái)及以上射流風(fēng)機(jī)時(shí)，相鄰風(fēng)機(jī)的橫向凈距不宜小于1倍風(fēng)機(jī)直徑。因此，為研究射流風(fēng)機(jī)橫向間距對通風(fēng)效果的影響，設(shè)定2臺(tái)風(fēng)機(jī)凈距1倍直徑、2臺(tái)風(fēng)機(jī)凈距1.5倍直徑、2臺(tái)風(fēng)機(jī)凈距2倍直徑、2臺(tái)風(fēng)機(jī)凈距2.5倍直徑4組工況進(jìn)行計(jì)算。

第1組風(fēng)機(jī)距隧道入口50 m，第2組風(fēng)機(jī)距隧道入口200 m，氣流在到達(dá)各組射流風(fēng)機(jī)前隧道截面靜壓的最小值和氣流經(jīng)射流風(fēng)機(jī)升壓后隧道截面靜壓的最大值如圖7所示。

圖7射流風(fēng)機(jī)前后截面最大及最小靜壓值(風(fēng)機(jī)橫向凈距不同時(shí))

Fig. 7Maximum and minimum static pressures of tunnel cross-section(with different transverse distances among fans)

風(fēng)機(jī)橫向間距對升壓力的影響見表3。由表3可知，當(dāng)2臺(tái)風(fēng)機(jī)橫向凈距在1～2倍直徑時(shí)，風(fēng)機(jī)調(diào)壓綜合影響系數(shù)k值隨橫向凈距的增大而增大；但當(dāng)風(fēng)機(jī)橫向凈距為2.5倍直徑時(shí)，k值則大大減小。因此，建議明堂山隧道在進(jìn)行風(fēng)機(jī)布置時(shí)，風(fēng)機(jī)橫向凈距設(shè)為1.5～2倍風(fēng)機(jī)直徑。

表3風(fēng)機(jī)橫向凈距對升壓力的影響

Table 3Influence of transverse distance among fans on pressure rise

風(fēng)機(jī)橫向凈距psj/Papj/Pak2臺(tái)風(fēng)機(jī)凈距1倍直徑47.5636358.870.8082臺(tái)風(fēng)機(jī)凈距1.5倍直徑50.7642458.870.8622臺(tái)風(fēng)機(jī)凈距2倍直徑55.7169158.870.9462臺(tái)風(fēng)機(jī)凈距2.5倍直徑41.6124058.870.707

當(dāng)2臺(tái)風(fēng)機(jī)橫向凈距為2倍直徑時(shí)，風(fēng)機(jī)前后縱向靜壓變化云圖如圖8和圖9所示。

圖8風(fēng)機(jī)橫向凈距為2D時(shí)第1組射流風(fēng)機(jī)前后縱向靜壓變化云圖(單位： Pa)

Fig. 8Nephogram of static pressure variation of Jet Fan Group No. 1 when clear distance among fans is 2D(Pa)

圖9風(fēng)機(jī)橫向凈距為2D時(shí)第2組射流風(fēng)機(jī)前后縱向靜壓變化云圖(單位： Pa)

Fig. 9Nephogram of static pressure variation of Jet Fan Group No. 2 when clear distance among fans is 2D(Pa)

2臺(tái)風(fēng)機(jī)橫向凈距為1倍和2倍風(fēng)機(jī)直徑時(shí)，風(fēng)機(jī)出口處速度矢量圖如圖10和圖11所示。對比圖10和圖11可知，風(fēng)機(jī)橫向凈距為1D時(shí)，其出口附近風(fēng)速明顯要比風(fēng)機(jī)橫向凈距為2D時(shí)小。

圖102臺(tái)風(fēng)機(jī)凈距為1倍風(fēng)機(jī)直徑時(shí)風(fēng)機(jī)出口處風(fēng)速矢量圖 (單位： m/s)

Fig. 10Vectogram of air velocity at fan exit when clear distance among fans is 1D(m/s)

隨風(fēng)機(jī)橫向間距增加沿風(fēng)機(jī)軸線剖面速度變化云圖如圖12所示。由圖12可知，當(dāng)風(fēng)機(jī)橫向凈距在1～2倍直徑時(shí)，風(fēng)機(jī)出口附近風(fēng)速逐漸增大；而當(dāng)風(fēng)機(jī)橫向凈距為2.5倍直徑時(shí)，其出口附近風(fēng)速大大減小，甚至比風(fēng)機(jī)凈距為1倍直徑時(shí)還要小。這是因?yàn)轱L(fēng)機(jī)橫向間距越小，2臺(tái)風(fēng)機(jī)出口風(fēng)流越易相互受到影響，即風(fēng)機(jī)噴射的高速風(fēng)流在風(fēng)機(jī)后方匯聚時(shí)相互卷吸和干擾，使本應(yīng)被射流卷吸進(jìn)來的周圍速度相對小的隧道氣流未能通過射流微團(tuán)產(chǎn)生的橫向脈動(dòng)得到動(dòng)量與能量交換[12]，因此通風(fēng)效果變差。當(dāng)風(fēng)機(jī)橫向凈距為2.5倍直徑時(shí)，雖然2臺(tái)風(fēng)機(jī)間距離足夠大，但每臺(tái)風(fēng)機(jī)與各自一側(cè)的隧道壁面距離變得很小，而風(fēng)機(jī)與隧道壁面空間越小，射流發(fā)展越受到限制，升壓作用越不明顯，所以此時(shí)k值變小。

2.3射流風(fēng)機(jī)縱向間距對通風(fēng)效果的影響

在射流通風(fēng)中，考慮到電纜線路的電力損耗、風(fēng)機(jī)管理和維護(hù)等因素，射流風(fēng)機(jī)一般集中布置。在集中布置中只有每組風(fēng)機(jī)之間保持足夠的距離，噴射氣流才會(huì)在到達(dá)下一組風(fēng)機(jī)位置之前充分減速。如果噴射氣流減速不完全，將會(huì)影響到下一級風(fēng)機(jī)的工作性能[13]。因此，為研究射流風(fēng)機(jī)縱向間距對通風(fēng)效果的影響，設(shè)定2組風(fēng)機(jī)縱向間距50 m、2組風(fēng)機(jī)縱向間距100 m、2組風(fēng)機(jī)縱向間距150 m、2組風(fēng)機(jī)縱向間距200 m 4組工況進(jìn)行計(jì)算。

圖112臺(tái)風(fēng)機(jī)凈距為2倍風(fēng)機(jī)直徑時(shí)風(fēng)機(jī)出口處風(fēng)速矢量圖 (單位： m/s)

Fig. 11Vectogram of air velocity at fan exit when clear distance among fans is 2D(m/s)

圖12隨風(fēng)機(jī)橫向間距增加沿風(fēng)機(jī)軸線剖面速度變化云圖 (單位： m/s)

Fig. 12Nephograms of air velocity variation along fan axis vs. transverse distance among fans (m/s)

隨射流風(fēng)機(jī)縱向間距的增加沿風(fēng)機(jī)軸線剖面風(fēng)速變化云圖如圖13所示。由圖13可知，2組風(fēng)機(jī)間隧道部分的速度是先增大后減小，這是由于射流微團(tuán)的卷吸作用，將動(dòng)量和能量交換給隧道氣流，使射流范圍擴(kuò)展，流量增加，壓力上升形成射流發(fā)展過程，這時(shí)隧道內(nèi)速度是增大的；當(dāng)伴隨流動(dòng)范圍逐漸減少，整個(gè)隧道氣流沿著縱向呈現(xiàn)一種漸變的、非均勻的逆壓流動(dòng)，直至射流發(fā)展完全，伴隨流消失，斷面形成均勻速度分布[14]，這一階段隧道內(nèi)速度是減小的。當(dāng)2組風(fēng)機(jī)縱向間距為50 m和100 m時(shí)，第2組風(fēng)機(jī)前的速度還沒有完全下降到隧道斷面平均速度大??；而當(dāng)2組風(fēng)機(jī)縱向間距為150 m和200 m時(shí)，第2組風(fēng)機(jī)前的速度已基本下降到隧道斷面平均速度大小。表明隨著射流風(fēng)機(jī)縱向間距的增加，噴射氣流逐漸減速完全，射流得到更充分發(fā)展。因此，建議明堂山隧道在進(jìn)行風(fēng)機(jī)布置時(shí)，將風(fēng)機(jī)縱向間距設(shè)在150 m以上。

圖13隨射流風(fēng)機(jī)縱向間距的增加沿風(fēng)機(jī)軸線剖面風(fēng)速變化云圖 (單位： m/s)

Fig. 13Nephograms of air velocity variation along fan axis vs. longitudinal distance among fans (m/s)

3明堂山隧道左線全射流通風(fēng)方案數(shù)值模擬驗(yàn)證

岳武高速明堂山特長公路隧道長7 500 m，分左右2條線。其中，左線采用全射流通風(fēng)方案，設(shè)計(jì)風(fēng)量為456 m3/s(即斷面平均風(fēng)速可達(dá)7 m/s)，共布置了54臺(tái)1120型射流風(fēng)機(jī)。

隧道實(shí)際風(fēng)機(jī)布置方式為： 風(fēng)機(jī)距建筑限界高度為20 cm，風(fēng)機(jī)橫向凈距為2倍風(fēng)機(jī)直徑，風(fēng)機(jī)縱向間距為170 m。

現(xiàn)按隧道實(shí)際長度及設(shè)計(jì)射流風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)建模，風(fēng)機(jī)空間布局采用明堂山隧道實(shí)際布置方案。模型總長5 000 m，第1組風(fēng)機(jī)距隧道入口200 m，每組風(fēng)機(jī)縱向間距170 m，最后一組風(fēng)機(jī)距隧道出口380 m。為確保數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，將距出口200 m處的隧道截面設(shè)置為局部阻力格柵(邊界條件為散熱器，損失系數(shù)經(jīng)大量試算后設(shè)為2.7)，以保證5 000 m隧道模型的總阻力損失達(dá)到克服實(shí)際隧道長度阻力所需的升壓力值。隧道出入口和風(fēng)機(jī)出入口的邊界條件與2.2中設(shè)定的一致。

計(jì)算結(jié)果表明，隧道入口截面的平均風(fēng)速為6.58 m/s，隧道出口截面的平均風(fēng)速為6.61 m/s，與設(shè)計(jì)值7 m/s相差很小，說明在這54臺(tái)射流風(fēng)機(jī)的作用下，隧道吸入的風(fēng)量與設(shè)計(jì)風(fēng)量基本一致。小于7 m/s是因?yàn)樗淼涝O(shè)計(jì)風(fēng)量是由阻滯工況時(shí)的需風(fēng)量決定的，而設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)是由隧道通風(fēng)阻抗力、交通風(fēng)動(dòng)力和自然風(fēng)阻力共同決定的[15]；但模擬時(shí)未考慮交通風(fēng)動(dòng)力的作用，導(dǎo)致在54臺(tái)射流風(fēng)機(jī)作用下隧道入口未能吸入達(dá)到設(shè)計(jì)值的風(fēng)量，所以數(shù)值模擬計(jì)算得到的隧道出入口風(fēng)速略小于設(shè)計(jì)值。風(fēng)機(jī)軸線高度處截面的平均縱向速度如圖14所示。

圖14　風(fēng)機(jī)軸線高度處截面的平均縱向速度

Fig. 14Diagram of average longitudinal velocity of cross-section at the axial height of fan

4結(jié)論與建議

本文依托明堂山隧道工程，針對射流風(fēng)機(jī)的空間布局優(yōu)化問題，開展了CFD數(shù)值模擬分析，得到以下結(jié)論。

1)在2車道公路隧道斷面上布置射流風(fēng)機(jī)時(shí)，風(fēng)機(jī)布置得越高，越接近隧道拱頂，風(fēng)機(jī)調(diào)壓綜合影響系數(shù)越小，即提供的升壓力越小。建議明堂山隧道在進(jìn)行風(fēng)機(jī)布置時(shí)，將風(fēng)機(jī)設(shè)在距建筑限界15～30 cm高度處。

2)在2車道公路隧道斷面上布置射流風(fēng)機(jī)時(shí)，隨著2臺(tái)風(fēng)機(jī)橫向凈距的增加，風(fēng)機(jī)調(diào)壓綜合影響系數(shù)也在增加，即提供的升壓力也在增大，但離得過遠(yuǎn)又會(huì)使每臺(tái)風(fēng)機(jī)與各自一側(cè)隧道壁面的空間不足以致射流發(fā)展受限，造成升壓力下降。建議明堂山隧道在進(jìn)行風(fēng)機(jī)布置時(shí)，將風(fēng)機(jī)橫向凈距設(shè)為1.5～2倍風(fēng)機(jī)直徑。

3)在2車道公路隧道斷面上布置射流風(fēng)機(jī)時(shí)，風(fēng)機(jī)縱向間距應(yīng)設(shè)置在150 m以上，以保證噴射氣流在到達(dá)下一組風(fēng)機(jī)位置之前充分減速，使射流得到充分發(fā)展。建議明堂山隧道在進(jìn)行風(fēng)機(jī)布置時(shí)，將風(fēng)機(jī)縱向間距設(shè)在150 m以上。

隧道實(shí)際風(fēng)機(jī)布置方式所采用的參數(shù)均在優(yōu)化結(jié)果范圍內(nèi)，可見本文對2車道公路隧道射流風(fēng)機(jī)空間布局優(yōu)化問題所做的CFD數(shù)值分析具有指導(dǎo)意義。

本文在對明堂山隧道實(shí)際長度和設(shè)計(jì)射流風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)建模時(shí)，未考慮交通風(fēng)動(dòng)力和自然風(fēng)阻力的影響，僅做了簡化處理，在后續(xù)研究中，期望借助Fluent動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)考慮交通風(fēng)的影響，使數(shù)值模擬更加貼合實(shí)際。

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Computational Fluid Dynamics (CFD) Analysis of Spatial Layout Optimization of Jet Ventilation Fan Used in Two-lane Road Tunnel

ZHAO Li1, YAN Zhiguo1,2,3

(1.DepartmentofGeotechnicalEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China; 2.StateKeyLaboratoryforDisasterReductioninCivilEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China; 3.KeyLaboratoryofGeotechnicalandUndergroundEngineeringofMinistryofEducation,TongjiUniversity,Shanghai200092,China)

Abstract:The jet ventilation of Mingtangshan Two-lane Road Tunnel is numerically simulated so as to optimize the spatial layout of ventilation fans; and then the factors for the pressure rise of ventilation fan, i.e. longitudinal distance among fans, setting height of fan and transverse distance among fans, are discussed. The authors suggest that the jet fans should be installed at the position higher than building boundary about 15-30 cm； the transverse distance among fans should be 1.5-2 times fan diameter； and the longitudinal distance among fans should be larger than 150 m. The computational fluid dynamics (CFD) simulation results show that the jet ventilation fan after optimization can achieve good effect.

Keywords:Mingtangshan Road Tunnel; jet ventilation fan; spatial layout optimization; numerical simulation; computational fluid dynamics (CFD)

中圖分類號：U 453.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號：1672-741X(2016)04-0411-07

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.04.007

第一作者簡介：趙黎(1991—)，男，河北秦皇島人，同濟(jì)大學(xué)隧道與地下建筑工程專業(yè)在讀碩士，研究方向?yàn)樗淼劳L(fēng)。E-mail: 1009448957@qq.com。

基金項(xiàng)目：山區(qū)隧道防災(zāi)、資源利用及環(huán)保技術(shù)集成研究(2013318J02120)

收稿日期：2015-09-28; 修回日期: 2015-12-09