基于不同射流溫度的公路隧道縱向間距分析

邵振宇 陳軍強(qiáng) 王文

摘要：為探究不同射流溫度時(shí)隧道風(fēng)機(jī)縱向間距的影響，以某公路隧道實(shí)際工程為研究背景，運(yùn)用FLU-ENT軟件，模擬分析了當(dāng)開啟一組射流風(fēng)機(jī)時(shí)，不同射流溫度對(duì)隧道內(nèi)速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)的影響。結(jié)果表明：在不同射流溫度工況下射流風(fēng)機(jī)縱向控制間距的模擬數(shù)值與經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算結(jié)果吻合，驗(yàn)證了模擬方法的正確性;射流溫度越高，隧道內(nèi)溫度衰減趨勢(shì)越明顯，誘導(dǎo)段的風(fēng)機(jī)軸線縱向速度越低，從而不利于氣流組織的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：射流溫度;公路隧道;速度場(chǎng);溫度場(chǎng);縱向間距

中圖分類號(hào)：U403

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-9944（2018）8-0188-03

1 引言

隧道通風(fēng)技術(shù)是制約長(zhǎng)大公路隧道建設(shè)的一項(xiàng)重要技術(shù)。為長(zhǎng)大隧道設(shè)計(jì)通風(fēng)系統(tǒng)時(shí)，經(jīng)常選用射流風(fēng)機(jī)。由于公路隧道交通量大，機(jī)動(dòng)車排熱多日一照明系統(tǒng)長(zhǎng)期持續(xù)運(yùn)行，導(dǎo)致隧道內(nèi)溫度不斷升高;再者射流風(fēng)機(jī)工作時(shí)本身就是熱源，在長(zhǎng)期運(yùn)行中必然使射流溫度升高。隧道內(nèi)射流特性及風(fēng)機(jī)位置的優(yōu)化研究都離不開對(duì)速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)的分析，而機(jī)組的縱向控制間距直接影響射流通風(fēng)效果。研究基于Fluent軟件，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型模擬分析了射流風(fēng)機(jī)出口風(fēng)速一定、風(fēng)機(jī)吸入并射出不同溫度氣流的條件下，隧道內(nèi)通風(fēng)流場(chǎng)變化及射流主體段溫度對(duì)風(fēng)機(jī)組縱向控制間距的影響。

2 射流作用范圍的理論分析

射流通風(fēng)是在隧道中將多組風(fēng)機(jī)按一定間距串聯(lián)，利用射流的誘導(dǎo)效應(yīng)和增壓效應(yīng)，在隧道中形成空氣的縱向流動(dòng)·滿足隧道通風(fēng)換氣的需要[1]。風(fēng)機(jī)性能不僅取決于出口射流的特性，還與人口的吸人流動(dòng)有關(guān)。完善的吸入條件和充分發(fā)展的射流，是射流風(fēng)機(jī)正常工作的重要條件，也是獲得良好通風(fēng)效果的基本保證[2]。為此，風(fēng)機(jī)組之間應(yīng)保持定的最小縱向距離，以使射流的產(chǎn)生、發(fā)展和完成形成一個(gè)完整的過程（圖1）。

機(jī)組的縱向控制間距l(xiāng)mc可表示為[3]：

lmc=lj+lst=lsu+lin+lst

（1）

式中，lj為風(fēng)機(jī)工作段長(zhǎng)度，lst為均勻流長(zhǎng)度，lsu為吸人段長(zhǎng)度，lin為誘導(dǎo)段長(zhǎng)度。

根據(jù)射流風(fēng)機(jī)工作原理，風(fēng)機(jī)吸人段長(zhǎng)度lsu對(duì)縱向控制間距影響很小，按lsu≈1.5de [8]，均勻流長(zhǎng)度可按lst≈de控制，其中de為隧道斷面當(dāng)量直徑。射流通風(fēng)系統(tǒng)中的高速紊動(dòng)射流，因伴隨作用延緩了射流的發(fā)展過程，使誘導(dǎo)段長(zhǎng)度lin成為影響縱向控制間距l(xiāng)mc的主要因素。

誘導(dǎo)段長(zhǎng)度lin的回歸方程為 [1]：

lin=（7.16+62.93α-108.2mβ）de

（2）

式中：α為速度比，α= Vt/Vj，Vt與Vj分別為隧道通風(fēng)速度和射流出口速度;m為風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)，m=2;口為面積比，β=Aj/At，At與At分別為射流出口面積和隧道斷面面積;d為隧道的當(dāng)量直徑。

聯(lián)立式（2），整理得到機(jī)組縱向控制間距為：

lmc=（9.66+62.93a-108.2mβ）de

（3）

射流風(fēng)機(jī)出口風(fēng)速、風(fēng)機(jī)尺寸、布置參數(shù)對(duì)射流誘導(dǎo)段長(zhǎng)度均有影響，這些兇素的影響已有理論及試驗(yàn)研究成果。但風(fēng)機(jī)出口不同射流溫度對(duì)誘導(dǎo)段的影響日前未見研究報(bào)道。

3 計(jì)算模型的建立及邊界設(shè)定

3.1 數(shù)學(xué)模型的假設(shè)

在確定主控方程之前，先作如下假設(shè)[2]：①隧道內(nèi)空氣視為不可壓縮流體。②隧道內(nèi)空氣流動(dòng)為穩(wěn)態(tài)紊流。③隧道入口風(fēng)速設(shè)為均勻風(fēng)速。④射流風(fēng)機(jī)假定為一個(gè)圓柱體管，風(fēng)機(jī)噴口風(fēng)速假設(shè)為均勻速度。

3.2 幾何模型的建立及網(wǎng)格劃分

為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間，截取隧道縱向400 m作為隧道模型的計(jì)算長(zhǎng)度，按照隧道其他實(shí)際尺寸建立幾何模型。隧道斷面高度7.2 m，寬度10.5 m，斷面面積64.07 m2，當(dāng)量直徑8.18 m。采用長(zhǎng)5 m，直徑Im的風(fēng)機(jī)，按2臺(tái)1組布置在隧道頂部，風(fēng)機(jī)間距2m，距隧道入口120 m，風(fēng)機(jī)中心距底部6m。模型橫斷面如圖2所示。

應(yīng)用ICEM CFD劃分網(wǎng)格，需要對(duì)隧道和風(fēng)機(jī)兩部分進(jìn)行網(wǎng)格劃分。隧道內(nèi)部空間采用非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格，風(fēng)機(jī)進(jìn)出口及表面采用四邊形網(wǎng)格，為確保計(jì)算精度，加密風(fēng)機(jī)附近網(wǎng)格。單組風(fēng)機(jī)計(jì)算模型的網(wǎng)格總數(shù)為798754個(gè)，已進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性檢測(cè)。

3.3 邊界條件的設(shè)定

應(yīng)用Fluent軟件對(duì)隧道內(nèi)流場(chǎng)模擬計(jì)算時(shí)，采用穩(wěn)態(tài)SIMPLE算法，湍流模型選取標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程模型，速度、溫度求解器均采用三對(duì)角矩陣法，離散格式采用二階迎風(fēng)格式。各個(gè)相關(guān)參量的松弛因子為0.5，收斂準(zhǔn)則均為le-4。

具體的邊界條件設(shè)置如下：隧道入口、風(fēng)機(jī)入口和出口沒為速度入口邊界，其中隧道入口風(fēng)速為3 m/s，風(fēng)機(jī)射流風(fēng)速為30 m/s;溫度分別沒置為297 K、303K、309 K、314 K。隧道出口設(shè)為壓力出口，相對(duì)壓力為0。隧道底部和上部設(shè)為無滑移壁面邊界，并設(shè)定相應(yīng)的粗糙度;風(fēng)機(jī)壁面設(shè)為光滑固體壁面邊界[4]。

4 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果及分析

4.1 縱向間距的確定和驗(yàn)證

射流風(fēng)機(jī)縱向最小間距的判斷依據(jù)為[5]：①射流與隧道內(nèi)氣流充分混合，斷面速度分布均勻;②紊流強(qiáng)度趨于穩(wěn)定;⑧工作段末端對(duì)應(yīng)射流機(jī)組的最高升壓面。

以風(fēng)機(jī)射流溫度為297K時(shí)隧道軸線的速度及紊流動(dòng)能分布為例，計(jì)算分析射流風(fēng)機(jī)的縱向控制間距，結(jié)果如圖3、圖4所示。

由圖3可看出，軸線處（y-6 m）氣流速度在125～140 m范圍內(nèi)急劇下降，說明該區(qū)段誘導(dǎo)效應(yīng)減弱;速度曲線在243 m處（距離風(fēng)機(jī)出口118 m處）趨于穩(wěn)定，隧道內(nèi)氣流呈均勻流態(tài)，基本可以確定射流風(fēng)機(jī)的縱向控制間距為118 m。從圖4可看出，軸線處紊流動(dòng)能有兩個(gè)峰值。第一個(gè)峰值出現(xiàn)在距離隧道進(jìn)口120 m處，這是由于此處風(fēng)機(jī)的誘導(dǎo)效應(yīng)最強(qiáng)，伴隨著隧道空氣的劇烈運(yùn)動(dòng)，紊流動(dòng)能達(dá)到最大值;第二個(gè)峰值在距離隧道入口180 m處，南于紊動(dòng)現(xiàn)象使得射流主體不斷卷吸周圍流體，伴隨紊動(dòng)的發(fā)展，被卷吸并與射流一起運(yùn)動(dòng)的流體不斷增多，在180 m處紊動(dòng)達(dá)到充分發(fā)展。之后卷吸作用逐漸減弱，射流主體和周圍空氣逐漸混合，到245 m左右（距離風(fēng)機(jī)出口120 m）紊動(dòng)趨于平穩(wěn)。綜合圖3、圖4可以得出，當(dāng)射流出口溫度為297 K時(shí)，縱向控制間距確定為118 m較為合理。

由模擬結(jié)果可知，297 K時(shí)隧道內(nèi)的通風(fēng)速度Vt為3.31 m，/s，聯(lián)立數(shù)據(jù)代入公式（3）算得風(fēng)機(jī)的縱向控制間距為111 m，與模擬計(jì)算出的結(jié)果基本吻合，由此驗(yàn)證了模擬方法的正確性。

4.2 不同溫度工況下隧道速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)的分析

圖5所示為不同溫度工況下由風(fēng)機(jī)出口至距隧道入口250 m范圍內(nèi)風(fēng)機(jī)軸線縱向速度分布圖。

由圖5可以看出：①距風(fēng)機(jī)出口5 m范圍內(nèi)，風(fēng)機(jī)軸線縱向速度急劇減小，不同溫度工況下速度分布趨勢(shì)基本一致。這是由于風(fēng)機(jī)出口處射流風(fēng)速較大，軸線方向紊動(dòng)劇烈，并不斷卷吸周圍流體，使得速度驟降，溫度對(duì)速度分布趨勢(shì)影響極小[6]。②距風(fēng)機(jī)出口5m后，速度沿程衰減，最后趨于平穩(wěn)，各工況下趨于平穩(wěn)的位置大概都在240 m左右（距風(fēng)機(jī)出口115 m）。③在距隧道入口125～175 m范圍內(nèi)，射流溫度越高，風(fēng)機(jī)軸線速度反而越低。這是由于風(fēng)機(jī)出口溫度較高，出現(xiàn)回流現(xiàn)象，回流會(huì)導(dǎo)致大量的能量被消耗，不利于氣流組織的發(fā)展。④根據(jù)Fluent計(jì)算結(jié)果得出，溫度在297 K、303K、309 K、314 K工況下，隧道通風(fēng)趨于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的風(fēng)速分別是3.31 m;s、3.18 m，/s、3.30 m/s、3.30 m/s。通過比較模擬值和理論計(jì)算值，得出溫度在各工況下的風(fēng)機(jī)縱向間距分別是118 m、112 m、115 m、115 m。由此看出隨著溫度的升高，風(fēng)機(jī)縱向間距先逐漸減小，在303 K左右達(dá)到最小值，后緩慢增大，在309 K后溫度對(duì)縱向間距的影響減弱，縱向間距不再變化，最終穩(wěn)定在115 m左右。

不同溫度工況下由風(fēng)機(jī)出口至距隧道入口250 m范圍內(nèi)風(fēng)機(jī)軸線縱向溫度分布如圖6所示。

由圖6可以看出：①氣流進(jìn)入射流風(fēng)機(jī)時(shí)，溫度急劇上升，在風(fēng)機(jī)出口處溫度達(dá)到最大值，在風(fēng)機(jī)出口5m范圍內(nèi)，風(fēng)機(jī)軸線溫度急劇下降。之后沿程衰減，最終趨于平穩(wěn)，說明隧道內(nèi)氣流組織進(jìn)入均勻流段。②在溫度急劇上升階段，射流溫度越高，其峰值越大，上升的趨勢(shì)也越明顯。同樣在溫度急劇下降階段，射流溫度越高，其下降的趨勢(shì)也越明顯。這是由于射流出口溫度越高時(shí)，風(fēng)機(jī)軸線縱向溫度的波動(dòng)越大，隧道內(nèi)氣流組織的擾動(dòng)越劇烈。③射流出口溫度在297 K、303 K、309K、314 K時(shí)，溫度趨于平穩(wěn)的位置分別是197 m、210m、215 m、223 m。說明溫度越高，風(fēng)機(jī)軸線縱向溫度趨于平穩(wěn)的距離越遠(yuǎn)，溫度衰減也越大，不利于隧道內(nèi)氣流組織的發(fā)展。

5 結(jié)語(yǔ)

應(yīng)用Fluent軟件，通過對(duì)某長(zhǎng)大公路隧道入口的一組風(fēng)機(jī)在4種不同射流溫度工況下隧道內(nèi)溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)的模擬分析，得出以下結(jié)論。

（1）根據(jù)數(shù)值模擬與運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算確定的射流風(fēng)機(jī)縱向間距，計(jì)算結(jié)果接近，驗(yàn)證了模擬分析的可行性。在工程實(shí)踐中，可利用兩種方法互相驗(yàn)證來確定風(fēng)機(jī)的縱向間距。

（2）同組射流風(fēng)機(jī)噴出的兩股高速氣流在射流發(fā)展過程中會(huì)相互吸引混合，沿隧道縱向方向衰減，最終達(dá)到均勻流狀態(tài)。在不同射流溫度工況下，溫度越高，誘導(dǎo)段的風(fēng)機(jī)軸線縱向速度越低，風(fēng)機(jī)縱向控制闖距相應(yīng)變大，從而影響了射流效率，不利于氣流組織的發(fā)展。

（3）射流溫度在303 K左右時(shí)對(duì)風(fēng)機(jī)縱向間距的影響較明顯，比溫度在297 K和314 K工況下間距縮短了2.6%～5%。當(dāng)溫度小于297 K或大于309 K時(shí)，對(duì)射流風(fēng)機(jī)縱向間距的影響較小。

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