長大隧道細(xì)水霧降溫技術(shù)的仿真研究

鄒 麗，叢北華，李賢斌

(1.上海同泰火安科技有限公司，上海 201703；2.上海防災(zāi)救災(zāi)研究所，上海 200092；3.上海海事大學(xué) 海洋科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201306)

近年來，隨著隧道長度增加、行車密度加大，導(dǎo)致熱量極易在隧道內(nèi)聚集，其中80%以上的熱來自車輛排放的廢氣，車輛空調(diào)負(fù)荷、燈具及其他附屬設(shè)施約占20%[1]。隧道內(nèi)的熱量若不能及時排出，將導(dǎo)致隧道內(nèi)空氣溫度升高。實(shí)測上海延安東路隧道(暗埋段長約1 788 m)發(fā)現(xiàn)，夏季進(jìn)峒口溫度為32℃～33℃，出峒口溫度為42℃～43℃，平均溫升為10℃。一旦空氣溫度達(dá)到45℃以上，隧道內(nèi)汽車空調(diào)將無法運(yùn)行[2]，且人體在此高溫環(huán)境中可接受暴露時間為“無法接受”[3]。此外，隧道溫度過高，還會導(dǎo)致隧道壁溫度升高，襯砌和土壤膨脹，從而產(chǎn)生環(huán)向裂縫。這些裂縫不僅會影響隧道襯砌受力，還會導(dǎo)致隧道滲漏水[4]。因此，應(yīng)采取措施對隧道降溫。其中，細(xì)水霧噴霧降溫方法具有經(jīng)濟(jì)性好、效率高等特點(diǎn)，已在上海長江隧道等場所得到應(yīng)用。

國內(nèi)外學(xué)者對細(xì)水霧降溫進(jìn)行了不少研究。如KACHHWAHA等[5]開發(fā)數(shù)值模型以估算水平方向水霧滴與氣流之間的傳熱傳質(zhì)，并準(zhǔn)確預(yù)測蒸發(fā)冷卻性能。CHEN等[6]研究了不同噴霧參數(shù)(流速、液滴大小、液滴通量、液滴速度)對臨界熱通量的影響。KOLLAR等[7]開發(fā)理論模型來模擬兩相空氣/水噴霧噴射流中的液滴運(yùn)動和液滴尺寸分布演變。BARROW等[8]對液滴蒸發(fā)進(jìn)行理論分析，發(fā)現(xiàn)隨著液滴粒徑的增大，蒸發(fā)時間和液滴在自由落體中行進(jìn)的距離迅速增加。若有額外通風(fēng)，則在該場所中完全蒸發(fā)的霧滴粒徑將增大。SURESHKUMAR等[9-10]實(shí)驗(yàn)研究了兩種環(huán)境條件下(熱干和熱濕)不同噴嘴、不同壓力、不同空氣速度時細(xì)水霧的降溫情況，并根據(jù)模擬結(jié)果繪制了仿真模型。HUANG等[11]對細(xì)水霧降溫在2010年上海世博會的應(yīng)用進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)隨著噴頭壓力的增大，體積流速在開始時迅速增加，然后增長率放緩。劉乃玲等[12]針對不同噴霧方式和不同噴霧壓力在高溫狹長空間中的降溫效果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。王小芝采用Fluent兩相流模型分析了不同霧滴粒徑、霧滴初速度、隧道內(nèi)空氣相對濕度對霧滴軌跡的影響。王軍鋒等[13]研究了液滴粒徑增大對蒸發(fā)時間及降溫效果的影響。劉春等[14]研究了濕度對溫度平衡時間和降溫速率的影響。張培紅等[15]模擬研究高溫巷道內(nèi)溫度、濕度變化規(guī)律，并發(fā)現(xiàn)周期性運(yùn)行的高壓細(xì)水霧耦合機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對井下高溫高濕環(huán)境的有效控制。

綜上可以看出，目前國內(nèi)外學(xué)者對隧道降溫技術(shù)的應(yīng)用研究較少。故筆者基于數(shù)值模擬的方式，研究了環(huán)境溫度、濕度的變化對細(xì)水霧整體布置、分段布置這兩種布置形式的影響，以期為隧道細(xì)水霧降溫系統(tǒng)設(shè)計提供參考。

1 項(xiàng)目概況與參數(shù)介紹

上海某通道全長約19.1 km，其中隧道長度約10.2 km，包括7.75 km盾構(gòu)段(雙層式雙向 6 車道)、2.45 km明挖段及4座下立交。由于隧道空間大、兩相流關(guān)系復(fù)雜且測量手段受限，采用全尺寸實(shí)驗(yàn)研究存在困難，因此針對此隧道項(xiàng)目進(jìn)行了全尺寸模擬。

HART等[16-17]采用Fluent模型模擬隧道火災(zāi)和細(xì)水霧滅火，其中細(xì)水霧采用DPM模型。模擬結(jié)果表明，在封閉場所采用CFD模型模擬細(xì)水霧滅火的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)一致，且該CFD模型也適用于隧道火災(zāi)。因此該項(xiàng)目采用CFD商業(yè)軟件Fluent模擬細(xì)水霧技術(shù)在隧道中的降溫效果，采用歐拉-拉格朗日法模擬空氣-霧滴的兩相流動[18]：在歐拉坐標(biāo)系下利用Realizable k-e模型計算連續(xù)相即空氣的流動；在拉格朗日坐標(biāo)系下運(yùn)用離散相模型(discrete phase model，DPM)跟蹤霧滴的運(yùn)動，結(jié)合隨機(jī)軌道模型(discrete random walk model，DRWM)計算霧滴的運(yùn)動軌跡，并考慮相間作用力，忽略熱泳力、布朗力及薩夫曼力等微小力，且忽略輻射傳熱。

采用Fluent軟件對該通道的隧道部分進(jìn)行全尺寸模擬。模擬尺寸為：高4.54 m，寬10.5 m，長7 600 m(僅考慮了該隧道盾構(gòu)段的有效長度)。為了消除由于網(wǎng)格對計算結(jié)果的影響，對網(wǎng)格進(jìn)行了加密。長方向及隧道縱向上為1 m/格，寬和高方向均為0.4 m/格，對風(fēng)機(jī)部分加密到0.15 m/格，最終使用的網(wǎng)格數(shù)量約為357萬。

根據(jù)上海地區(qū)隧道的實(shí)際降溫情況，出入口采用壓力出口和壓力入口計算，溫度與外部環(huán)境溫度相同。計算過程中，氣流在壁面處采用無滑移的邊界條件，考慮壁面粗糙度，按絕熱處理，近壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法，霧滴與壁面碰撞后變?yōu)榉e水，但不再蒸發(fā)，由于積水相對整體空間很薄，因此忽略積水對流場產(chǎn)生的影響。

設(shè)定細(xì)水霧降溫系統(tǒng)的邊界條件為：細(xì)水霧噴頭安裝高度為2.7 m；噴頭的橫向間距為2 m；橫向噴頭數(shù)量為5個；細(xì)水霧平均粒徑為50 μm；單個細(xì)水霧噴頭流量為1.75 L/min；細(xì)水霧的初始溫度為20℃；射流風(fēng)機(jī)初始風(fēng)速為30 m/s。

考慮到上海延安隧道暗埋段長1 788m，平均溫升為10℃，而該通道盾構(gòu)段長度為7 600 m，平均溫度大于10℃，因此設(shè)定隧道溫度達(dá)到35℃時開啟細(xì)水霧降溫。首先模擬極端濕度情況下(0%)不同溫度時(35℃、40℃、45℃)細(xì)水霧降溫系統(tǒng)在整體布置和分段布置時的降溫效果，隨后分析了分段布置相比整體布置的優(yōu)點(diǎn)，并針對分段布置形式在相同溫度(40℃)、不同濕度情況下(0%、25%、50%、75%)的降溫效果進(jìn)行模擬。細(xì)水霧降溫系統(tǒng)的整體布置和分段布置的詳細(xì)情況為：①整體布置，整條隧道按間距90 m布置，共84組噴頭，如圖1所示。②分段布置，將36組噴頭以每段12組分為3段，每段內(nèi)按每組間距90 m進(jìn)行布置，第一段從隧道1 000 m處開始布置，段與段間距1 180 m，最后一段末端距離隧道出口1 000 m，即3段噴霧組的范圍分別為[1 000 m，2 080 m]，[3 260 m，4 340 m]，[5 520 m，6 600 m]，如圖2所示。

圖1 整體布置圖

圖2 分段布置圖

2 模擬結(jié)果分析

霧滴的蒸發(fā)效率會影響到水霧降溫的效果。霧滴的蒸發(fā)效率主要取決于隧道空氣的溫度、相對濕度和質(zhì)傳熱。因此，筆者分析了不同溫度、不同濕度對霧滴蒸發(fā)速率及降溫效果的影響。

2.1 不同溫度對細(xì)水霧整體布置時的降溫效果影響

環(huán)境溫度為35℃時，隧道采用整體布置，不同高度上沿隧道縱向的溫度曲線如圖3所示。由圖3可知，隧道入口1 500 m處，隧道內(nèi)空氣溫度降至噴霧溫度即20℃，而隧道1 500 m后面的噴頭并未起到降溫效果，噴出的水霧大部分噴放到地面上，也有少部分水霧隨隧道內(nèi)空氣流動離開隧道。且從高到低，噴霧降溫效果逐漸減弱。在高度2.5 m時，細(xì)水霧噴放瞬間溫度下降迅速，這可能是由于部分細(xì)水霧霧滴受重力作用下降并瞬間與空氣混合導(dǎo)致的快速降溫；隨后沿細(xì)水霧噴放方向溫度有回升，這是由于細(xì)水霧蒸發(fā)及細(xì)水霧沿拋物線軌跡下落，導(dǎo)致在此高度處的細(xì)水霧顆粒數(shù)量變少。高度2.0 m處的降溫效果與2.5 m處類似。1.5 m的高度，基本上是車內(nèi)人眼距地面的高度。在這一高度處的降溫穩(wěn)定，且降溫效果較好，會使車內(nèi)人員感覺涼爽。而在高度0.5 m和1.0 m處，細(xì)水霧降溫效果沿噴放方向趨于穩(wěn)定，這是由于霧滴在拋物線運(yùn)動中霧滴降落產(chǎn)生的蒸發(fā)吸熱。

圖3 環(huán)境溫度35℃、整體布置時不同高度上沿隧道縱向的溫度曲線

圖4 環(huán)境溫度35℃、整體布置時不同高度上沿隧道縱向的濕度曲線

環(huán)境溫度35℃、整體布置時不同高度上沿隧道縱向的濕度曲線如圖4所示，與溫度變化類似，隧道內(nèi)濕度也是在1 500 m后幾乎沒有變化，出口處濕度為0.99%。濕度高的地方表明細(xì)水霧蒸發(fā)效果好，降溫效果好。濕度圖也印證了在高度2.0、2.5 m處，細(xì)水霧噴放瞬間蒸發(fā)效果較好、降溫幅度大；而隨后細(xì)水霧蒸發(fā)效果減弱，溫度有小幅回升。在0.5 m、1.0 m、1.5 m處，沿隧道方向細(xì)水霧蒸發(fā)趨于穩(wěn)定，蒸發(fā)效果比較均勻、降溫值保持穩(wěn)定。

圖5 環(huán)境溫度40℃、整體布置時不同高度上沿隧道縱向的溫度曲線

圖6 環(huán)境溫度45℃、整體布置時不同高度上沿隧道縱向的溫度曲線

環(huán)境溫度40℃、45℃隧道整體布置時不同高度上沿隧道縱向的溫度曲線分別如圖5和圖6所示。結(jié)合圖3、圖5和圖6可知：雖然環(huán)境溫度40℃、45℃時細(xì)水霧降溫后空氣溫度最后均下降至20℃，與環(huán)境溫度35℃時相同，但是所需要的噴頭數(shù)量不同。當(dāng)環(huán)境溫度為40℃時，隧道內(nèi)溫度在隧道2 000 m處不再下降，而當(dāng)環(huán)境溫度為45℃時，隧道內(nèi)溫度在接近2 500 m時不再下降。

2.2 不同溫度對細(xì)水霧分段布置時的降溫效果影響

環(huán)境溫度為35℃、分段布置時不同高度上沿隧道縱向的溫度曲線如圖7所示，可知隧道在3 500 m左右達(dá)到熱量平衡。環(huán)境溫度40℃、45℃分段布置時不同高度上沿隧道縱向的溫度曲線分別如圖8和圖9所示，可知當(dāng)環(huán)境溫度為40℃時，隧道內(nèi)溫度在4 200 m左右不再下降，而當(dāng)環(huán)境溫度為45℃時，隧道內(nèi)溫度則是在5 700 m左右不再下降。

圖7 環(huán)境溫度35℃、分段布置時不同高度上沿隧道縱向的溫度曲線

圖8 環(huán)境溫度40℃、分段布置時不同高度上沿隧道縱向的溫度曲線

圖9 環(huán)境溫度45℃、分段布置時不同高度上沿隧道縱向的溫度曲線

同時還可以看出，環(huán)境溫度35℃、40℃時在第二段噴霧組達(dá)到空氣與水霧的熱量平衡，第三段噴霧組沒有起到降溫效果。環(huán)境溫度45℃時，隧道在第三段的開始部位進(jìn)入熱量平衡狀態(tài)。由于空氣與水霧達(dá)到熱量平衡點(diǎn)后的細(xì)水霧噴頭沒有起到降溫效果，卻增加了隧道的濕度，因此建議設(shè)計時降低隧道后半部分的細(xì)水霧噴霧強(qiáng)度。

2.3 細(xì)水霧整體布置與分段布置的比較分析

不同環(huán)境溫度下整體布置與分段布置達(dá)到熱量平衡的隧道長度對比如圖10所示，可以看出每個環(huán)境溫度下分段布置達(dá)到熱量平衡的隧道長度均比整體布置多2 000 m左右，但是分段布置即使在較高溫度(45℃)時，也在隧道76%部分達(dá)到了最終的降溫效果(20℃)。

圖10 不同環(huán)境溫度下整體布置與分段布置達(dá)到熱量平衡的隧道長度對比圖

不同溫度下整體布置與分段布置的蒸發(fā)水霧占總噴水量百分?jǐn)?shù)對比如圖11所示，可以看出整體布置時噴出的水霧大部分會到達(dá)路面上，也有部分水霧會隨隧道內(nèi)空氣流動離開隧道，發(fā)生相變的水霧只占整體噴水量的一小部分。與整體布置相比，隨著溫度的提高，分段布置時細(xì)水霧達(dá)到比較高的利用率。

圖11 不同溫度下整體布置與分段布置的蒸發(fā)水霧占總噴水量百分?jǐn)?shù)對比圖

整體布置與分段布置的細(xì)水霧降溫系統(tǒng)主要設(shè)備數(shù)量對比如圖12所示。從細(xì)水霧降溫系統(tǒng)的主要設(shè)備組成(泵組、區(qū)域閥、噴頭)來看，整體布置所需的設(shè)備數(shù)量(區(qū)域閥和噴頭)比分段布置多一倍以上，造價也多一倍以上。

圖12 整體布置與分段布置的細(xì)水霧降溫系統(tǒng)主要設(shè)備數(shù)量對比圖

因此，從降溫效果、水霧利用率及系統(tǒng)造價上來看，建議選用分段布置方式。

2.4 不同空氣相對濕度對細(xì)水霧分段布置時的降溫效果影響

圖13 環(huán)境溫度40℃、不同濕度條件下1.5 m高度沿隧道縱向的溫度曲線

環(huán)境溫度40℃、不同濕度條件下1.5 m高度沿隧道縱向的溫度曲線如圖13所示，可知在采用分段布置時，隨著空氣相對濕度的增加，細(xì)水霧降溫效果減弱，分別降溫至20.0℃(相對濕度0%)、23.0℃(相對濕度25%)，29.0℃(相對濕度50%)和34.5℃(相對濕度75%)；另外，隨著空氣相對濕度的增加，細(xì)水霧降溫系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定降溫的長度縮短，分別為4 200 m(相對濕度0%)、3 500 m(相對濕度25%)、1 900 m(相對濕度50%)和1 350 m(相對濕度75%)。因此噴霧降溫的效果與隧道內(nèi)空氣的相對濕度密切相關(guān)，建議在設(shè)計噴霧降溫時考慮脈沖噴射。

3 結(jié)論

筆者對上海某長大隧道進(jìn)行全尺寸模擬。模擬結(jié)果表明，相同濕度條件下，隨著環(huán)境溫度的增加，隧道實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定降溫的長度增大，但均在隧道內(nèi)實(shí)現(xiàn)了熱量平衡。由于空氣與水霧達(dá)到熱量平衡點(diǎn)后的細(xì)水霧噴頭沒有起到降溫效果，建議設(shè)計時降低隧道后半部分的細(xì)水霧噴霧強(qiáng)度。

與整體布置相比，分段布置雖然相同環(huán)境溫度下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定降溫的長度增加，但即使在較高環(huán)境溫度(45℃)下，在隧道內(nèi)也實(shí)現(xiàn)了最終的降溫效果(20℃)，降溫效果滿足要求。另外，分段布置的水霧利用率更高，成本更低，節(jié)約了一半以上的設(shè)備成本，施工周期也大大縮短。因此建議該隧道采用分段布置方式。

對分段布置時不同濕度情況下降溫效果的模擬研究表明，相同溫度條件下，隨著空氣相對濕度的增加，細(xì)水霧降溫效果減弱，且細(xì)水霧降溫系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定降溫的長度縮短。為了降低濕度對降溫效果的影響，建議設(shè)計時考慮細(xì)水霧脈沖噴射。