綜合管廊電力艙溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬研究

李 哲 高 鍇 張 晨 黎仁賀

（1中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司 天津 300000 2天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 天津 300000）

引言

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，地下綜合管廊作為一種綜合市政工程正處于迅速發(fā)展時(shí)期[1]。2015年前，我國(guó)已建成的城市地下綜合管廊不足100 km，截至2017年底，我國(guó)綜合管廊開(kāi)工已達(dá)4700 km，截至2018年4月，我國(guó)擬在建綜合管廊里程已超7800 km[2]。

綜合管廊為密閉的地下建筑，為了保障管線及控制設(shè)備在適宜的環(huán)境中正常運(yùn)行，也為確保檢修與巡視人員能夠處于安全衛(wèi)生的環(huán)境中，需要通過(guò)自然通風(fēng)、機(jī)械通風(fēng)等手段實(shí)現(xiàn)管廊通風(fēng)換氣，提高管廊環(huán)境空氣質(zhì)量。但是自然通風(fēng)方式的效果受地面上環(huán)境的影響和限制，通風(fēng)量較小，無(wú)法有效地控制管廊內(nèi)氣流組織，通風(fēng)效果差、效率低。機(jī)械通風(fēng)方式使人們能夠有組織地對(duì)管廊進(jìn)行送排風(fēng)，有效地排出余熱，避免事故的發(fā)生[3]。

目前在管廊通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，電力艙的通風(fēng)量大多是根據(jù)《GB50838-2015城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定的換氣次數(shù)和排出余熱所需最大值確定[4]，較少考慮到通風(fēng)區(qū)間向土壤中散熱的影響；通風(fēng)區(qū)間長(zhǎng)度則是根據(jù)防火分區(qū)的要求確定為200m。綜合管廊通風(fēng)區(qū)間通風(fēng)量和長(zhǎng)度的設(shè)計(jì)問(wèn)題上還沒(méi)有比較完善的設(shè)計(jì)方法，已有眾多研究學(xué)者從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和景觀效果等角度分析得出，適當(dāng)加長(zhǎng)通風(fēng)區(qū)間的長(zhǎng)度具有一定的可行性和優(yōu)勢(shì)，有利于節(jié)約投資成本，減少對(duì)地面景觀的影響，但針對(duì)不同通風(fēng)區(qū)間長(zhǎng)度的劃分對(duì)管廊內(nèi)溫度變化的影響研究相對(duì)較少[5]。因此本次研究利用ANSYS FLUENT軟件，針對(duì)綜合管廊電力艙在機(jī)械通風(fēng)方式下，研究不同通風(fēng)區(qū)間所需的最小換氣次數(shù)和艙內(nèi)溫度場(chǎng)的分布[6]。

1 模型的建立

1.1 物理模型

本次模擬選取天津市某綜合管廊的電力艙作為研究對(duì)象，該電力艙通風(fēng)區(qū)間的一個(gè)典型斷面為6m2，寬為2m，高3m的矩形斷面。艙室內(nèi)的電纜為10kV電纜，分5層布置在電纜艙的一側(cè)，每層4根，共20根。電力艙的典型斷面圖如下圖1所示。

圖1 電力艙典型斷面圖

圖2 電力艙機(jī)械通風(fēng)物理模型立體圖

在此次模擬中，以1：1的比例對(duì)電纜艙進(jìn)行建模，將電纜艙簡(jiǎn)化為寬X=2m，高為Z=3m，長(zhǎng)度Y隨工況變化的長(zhǎng)方體，將每層電纜簡(jiǎn)化為5個(gè)寬為0.5m、長(zhǎng)為管廊長(zhǎng)度的長(zhǎng)方形散熱面。將進(jìn)出風(fēng)口簡(jiǎn)化為矩形平面，長(zhǎng)為3m，寬為1m，分別設(shè)置在艙室的兩端。簡(jiǎn)化后的電纜艙模型如圖2所示。

1.2 數(shù)學(xué)模型

為使求解方便，忽略影響較小的次要因素，在對(duì)地下綜合管廊進(jìn)行通風(fēng)散熱計(jì)算模擬時(shí)，作出如下假設(shè)：地下綜合管廊埋深較淺，壁面受氣溫影響較大，假設(shè)電纜艙的壁溫為空氣溫度；管廊電力艙內(nèi)部熱源電纜均勻散熱；管廊電力艙內(nèi)的艙壁（混凝土）、電纜等材料均為各項(xiàng)同性均勻的材料；管廊內(nèi)部空氣流速較小，假設(shè)空氣為不可壓縮流體。

為了保證在室外通風(fēng)計(jì)算溫度的不利工況下，通風(fēng)系統(tǒng)能夠滿(mǎn)足要求，本文以室外通風(fēng)計(jì)算溫度作為模擬的室外工況進(jìn)行三維穩(wěn)態(tài)計(jì)算。在該問(wèn)題中，氣體流動(dòng)過(guò)程遵循的方程有：總的質(zhì)量平衡方程、動(dòng)量平衡方程和能量平衡方程。該問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型如下[7]：

（1）控制方程

式中，ρ— 空氣密度，kg/m3；

τ— 時(shí)間，s；

vx，vy，vz— 流體在x，y，z方向上的速度分量，m/s；

μ— 空氣的動(dòng)力粘度，Pa·s；

Sx，Sy，Sz— 廣義源項(xiàng)，在本次模擬問(wèn)題中，均為0。

t— 流體溫度，℃；

λ— 空氣導(dǎo)熱系數(shù)，W/m·K；

cp— 空氣定壓比熱，J/kg·K；

Rr— 源項(xiàng)，即艙內(nèi)電纜的散熱量。

由于數(shù)值計(jì)算采用的是雷諾時(shí)均法，為了得到求解結(jié)果，在計(jì)算過(guò)程中還需使用湍流模型，本次使用的是Standard k-ε模型。

（2）邊界條件

由于土壤傳遞熱量的能力差，地下溫度通常與當(dāng)?shù)氐哪昶骄鶜鉁叵嚓P(guān)性較大。綜合管廊通常位于地下，其壁面溫度也較低，但在夏季壁面溫度必定低于地上空氣溫度[8]?？紤]最不利工況，本次模擬工況為夏季工況，設(shè)該壁溫為天津市夏季室外計(jì)算通風(fēng)溫度，29.9℃，即303.05K，即艙內(nèi)壁面溫度：Twall=303.05K。

艙內(nèi)電纜的散熱量為300W/m，由于上文將每層電纜簡(jiǎn)化為5個(gè)寬為0.5m、長(zhǎng)為管廊長(zhǎng)度的長(zhǎng)方形散熱面，計(jì)算得電纜表面熱流密度：q=120W/m2。

入口邊界條件：速度邊界條件。

出口邊界條件：自由出流。

在本次電纜艙通風(fēng)模擬中，涉及到混凝土（艙壁）、電纜、空氣這三種材料，其物性參數(shù)如表1所示[9]。

表1 材料物性參數(shù)表

其中，管廊混凝土壁面和電纜表面的粗糙度△=0.05mm。

軟件采用有限體積法對(duì)控制方程進(jìn)行離散，離散后的代數(shù)方程使用SIMPLE算法進(jìn)行迭代計(jì)算，收斂準(zhǔn)則為各物理量的殘差值小于10-6。

1.3 網(wǎng)格劃分

本文用ANSYS ICEM CFD軟件對(duì)物理模型進(jìn)行六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，由于靠近送排風(fēng)口處受外部環(huán)境影響，風(fēng)速變化較大，對(duì)靠近送排風(fēng)的艙壁和電纜壁面位置的網(wǎng)格進(jìn)行局部加密。電力艙機(jī)械通風(fēng)的物理模型網(wǎng)格劃分如圖3所示。

圖3 模型網(wǎng)格立體圖

2 數(shù)值模擬研究

2.1 工況設(shè)置

為了研究不同通風(fēng)區(qū)間長(zhǎng)度、不同換氣次數(shù)對(duì)管廊內(nèi)部空氣溫度分布的影響，本次模擬所進(jìn)行的具體研究工況設(shè)置見(jiàn)表2。

表2 機(jī)械通風(fēng)數(shù)值模擬研究工況表

2.2 管廊內(nèi)溫度場(chǎng)分布

下面以工況3為例來(lái)分析管廊內(nèi)的溫度場(chǎng)分布。圖4為工況3沿管廊長(zhǎng)度方向的溫度分布，可以看出，由于電纜的沿途散熱，沿管廊長(zhǎng)度方向，溫度逐漸升高。圖5為工況3沿管廊長(zhǎng)度方向不同位置的斷面溫度分布圖，可以看出，在靠近散熱源電纜處，由于電纜的熱流密度較高，向周?chē)鷤鬟f熱量較多，電纜周?chē)諝鉁囟容^高，在電力艙寬度方向上，即X方向上，距離電纜越遠(yuǎn)，空氣溫度逐漸降低。

工況3對(duì)應(yīng)的斷面風(fēng)速為0.67m/s，風(fēng)速較低，電纜散熱導(dǎo)致局部空氣溫度較高。隨著斷面風(fēng)速的增大，電纜與空氣的對(duì)流換熱增強(qiáng)，橫截?cái)嗝娴臏囟葓?chǎng)分布發(fā)生變化。圖6選取具有不同通風(fēng)速度的工況3、工況7、工況10和工況15進(jìn)行對(duì)比，各工況的斷面風(fēng)速依次遞增。由圖6可以看出，斷面風(fēng)速較小時(shí)，電纜周?chē)案鲗与娎|之間溫度最高，隨著斷面風(fēng)速的增大，空氣對(duì)電纜的對(duì)流冷卻作用逐漸增強(qiáng)，空氣溫度最高點(diǎn)的分布發(fā)生變化，從電纜周?chē)_(kāi)始逐步轉(zhuǎn)移至艙內(nèi)中心，再移至靠近排風(fēng)口處，電纜散熱被有效排出。

圖4 工況3沿管廊長(zhǎng)度方向的溫度分布圖

圖5 工況3管廊不同位置處的X-Z截面溫度分布圖

圖6 典型工況距排風(fēng)口1m處斷面溫度分布圖

2.3 通風(fēng)區(qū)間長(zhǎng)度與換氣次數(shù)對(duì)管廊內(nèi)溫度場(chǎng)分布的耦合影響

為了研究換氣次數(shù)對(duì)綜合管廊電力艙內(nèi)溫度分布的影響，在各工況中選取通風(fēng)區(qū)間長(zhǎng)度相同，換氣次數(shù)不同的工況進(jìn)行對(duì)比，所選取的通風(fēng)區(qū)間長(zhǎng)度分別為200m、400m、600m和1000m，得到各組工況中沿管廊長(zhǎng)度方向上各截面的平均溫度，具體數(shù)據(jù)如圖7所示，可以看出：

（1）相同長(zhǎng)度的通風(fēng)區(qū)間，換氣次數(shù)越大，距送風(fēng)口水平距離相同的截面處，其平均溫度越低。

（2）由于電纜的沿途散熱，沿管道長(zhǎng)度方向溫度逐漸升高，但是升高趨勢(shì)逐漸變緩。這是因?yàn)?，隨著溫度的升高，艙內(nèi)空氣與艙內(nèi)壁面的溫差越大，艙壁對(duì)空氣的冷卻作用增強(qiáng)，因此電力艙內(nèi)溫度上升的梯度減小。

（3）每個(gè)工況下的管廊末端，空氣溫度的下降相對(duì)劇烈，這是由于本次模擬的物理模型中管廊末端設(shè)為艙內(nèi)壁面，在管廊末端，壁面對(duì)空氣的降溫作用突出；并且當(dāng)通風(fēng)量增大，管廊末端空氣溫度下降更劇烈，可見(jiàn)風(fēng)速的增大強(qiáng)化了空氣與壁面的對(duì)流換熱。

圖7 不同換氣次數(shù)下截面平均溫度沿管廊長(zhǎng)度方向變化值

根據(jù)《GB50838-2015城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》和相關(guān)條例[10]，通風(fēng)系統(tǒng)要及時(shí)排出管廊內(nèi)各種管線的余熱，控制管廊內(nèi)的溫度最高不超過(guò)40℃，管廊通風(fēng)量應(yīng)取排除余熱所需通風(fēng)量和正常通風(fēng)換氣次數(shù)的最大值，正常通風(fēng)時(shí)的換氣次數(shù)取2次/小時(shí)。通風(fēng)量越大管廊內(nèi)溫度越低，但是通風(fēng)量的增大會(huì)使管廊入口處與艙內(nèi)通風(fēng)阻力均增加[11]，風(fēng)機(jī)能耗也隨之增加，因此在滿(mǎn)足通風(fēng)要求的前提下應(yīng)選擇較小的風(fēng)量。以此為依據(jù)，根據(jù)表2所列研究工況的數(shù)值模擬結(jié)果，通風(fēng)區(qū)間長(zhǎng)度從200m到1600m的13個(gè)工況中，不同通風(fēng)區(qū)間長(zhǎng)度下滿(mǎn)足通風(fēng)要求最小換氣次數(shù)的工況分別為工況3、工況5、工況7、工況10、工況12和工況13。通風(fēng)區(qū)間長(zhǎng)度大于1600m后，排除余熱所需的換氣次數(shù)均小于2次/小時(shí)。不同區(qū)間長(zhǎng)度所需的換氣次數(shù)值如圖8所示。

圖8 不同通風(fēng)區(qū)間長(zhǎng)度所需換氣次數(shù)和斷面風(fēng)速

從圖8可以看出：管廊電力艙通風(fēng)區(qū)間越長(zhǎng)，在滿(mǎn)足通風(fēng)要求的前提下所需的換氣次數(shù)越小。這主要是因?yàn)殡S著通風(fēng)量的增大，艙內(nèi)斷面風(fēng)速逐漸增加，空氣與內(nèi)壁的對(duì)流換熱系數(shù)增大，單位通風(fēng)量的換熱能力增強(qiáng)，因此所需換氣次數(shù)隨著通風(fēng)區(qū)間長(zhǎng)度的增加逐漸減小。

結(jié)語(yǔ)

使用ANSYS FLUENT，模擬得出在不同通風(fēng)區(qū)間長(zhǎng)度、不同換氣次數(shù)下，電力艙通風(fēng)區(qū)間內(nèi)的風(fēng)速和溫度分布，并對(duì)其進(jìn)行分析得出如下結(jié)論：

（1）由于電纜的沿途散熱，沿管廊長(zhǎng)度方向，溫度逐漸升高，在電力艙寬度方向上，隨著距電纜的距離增加，空氣溫度逐漸降低。

（2）隨著通風(fēng)風(fēng)速的增大，艙內(nèi)壁面與空氣的對(duì)流冷卻作用逐漸增強(qiáng)，空氣溫度最高點(diǎn)的分布由電纜周?chē)案鲗与娎|處逐步轉(zhuǎn)移至艙內(nèi)中心，再移至靠近排風(fēng)口處，電纜散熱被有效排出。

（3）綜合考慮通風(fēng)效果和能耗，通風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)在滿(mǎn)足通風(fēng)要求的前提下盡量減小總風(fēng)量，降低能耗。以此為依據(jù)，本文得出了不同通風(fēng)區(qū)間長(zhǎng)度所需的換氣次數(shù)，數(shù)值顯示，電力艙通風(fēng)區(qū)間越長(zhǎng)，該區(qū)間所需的換氣次數(shù)越少。