基于流體力學(xué)的三維數(shù)值模擬隧道通風(fēng)影響因素研究綜述

王閱章 李鳴 宿成智 張立爽 閆少澤

摘? 要：隨著近年來(lái)隧道工程得到不斷的高速發(fā)展，在隧道開(kāi)挖過(guò)程中的通風(fēng)方案的優(yōu)劣影響著整個(gè)隧道工程。流體力學(xué)軟件的發(fā)展給如何對(duì)隧道通風(fēng)方案進(jìn)行優(yōu)化帶來(lái)了實(shí)際指導(dǎo)意義。本文針對(duì)各個(gè)學(xué)者利用流體力學(xué)計(jì)算軟件進(jìn)而研究出的影響隧道通風(fēng)的一些因素的成果進(jìn)行歸納總結(jié)，其研究結(jié)論對(duì)于隧道施工中通風(fēng)方案的優(yōu)化具有實(shí)際的工程意義。

關(guān)鍵詞：隧道通風(fēng)? 流體力學(xué)? 三維數(shù)值模擬? 影響因素

中圖分類(lèi)號(hào)：TV554.15? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2020）12（c）-0059-03

Abstract： With the rapid development of tunnel engineering in recent years， the quality of ventilation scheme during tunnel excavation affects the whole tunnel engineering. The development of fluid mechanics software provides practical guidance for the optimization of tunnel ventilation scheme. In this paper， the results of some factors affecting tunnel ventilation obtained by various scholars by using fluid mechanics calculation software are summarized， and the research conclusions are of practical engineering significance for ventilation scheme optimization in tunnel construction.

Key Words： Tunnel ventilation; Fluid mechanics; Three-dimensional numerical simulation; Influencing factor

在交通飛速發(fā)展的現(xiàn)代，隧道工程的發(fā)展也變得十分迅速。隧道作為一個(gè)相對(duì)比較封閉的環(huán)境其出入口相對(duì)比較少、通風(fēng)照明的條件比較差，并且疏散路線(xiàn)比較長(zhǎng)。隨著開(kāi)挖隧道的深度和長(zhǎng)度的加大，開(kāi)挖過(guò)程中瓦斯等有害氣體的突出現(xiàn)象也十分普遍，因此對(duì)于隧道通風(fēng)影響因素的研究迫在眉睫。隨著信息技術(shù)的普及，計(jì)算流體力學(xué)（ Computa-tional Fluid Dynamics，CFD）、FLUENT等有限元軟件在各種流體仿真模擬領(lǐng)域得到了廣泛使用，國(guó)內(nèi)外也有學(xué)者采用該方法在隧道施工通風(fēng)中并且取得了不錯(cuò)的成果[1]。采用有效的三維數(shù)值模擬的方式可以模擬出隧道中瓦斯等有害氣體發(fā)生突出的位置，并且通過(guò)在模型中不斷調(diào)整通風(fēng)方案也可以找到最優(yōu)的通風(fēng)方式。本文歸納了國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者基于流體力學(xué)的三維數(shù)值模擬研究出的一些隧道通風(fēng)影響因素。

1? 流體力學(xué)數(shù)值模擬

數(shù)值模擬主要是指利用計(jì)算機(jī)來(lái)獲得流體力學(xué)和彈塑性動(dòng)力學(xué)模型等一維或三維的線(xiàn)性和非線(xiàn)性偏微分方程、常微分方程、積分方程、泛函方程以及代數(shù)方程的一個(gè)封閉方程組的數(shù)值解[2]。近年來(lái)世界上應(yīng)用最廣泛的流體力學(xué)三維數(shù)值模擬軟件就是CFD（Computational Fluid Dynamic）。

現(xiàn)有的流體力學(xué)計(jì)算軟件都經(jīng)過(guò)了大量的工業(yè)測(cè)試，用戶(hù)可以節(jié)省大量的代碼編寫(xiě)時(shí)間去專(zhuān)注于所需要解決的物理現(xiàn)象，并且通用的流體計(jì)算軟件的使用范圍比較廣泛，用戶(hù)往往可以只采用一款流體力學(xué)計(jì)算軟件就可以應(yīng)用于絕大多數(shù)的物理現(xiàn)象。

目前國(guó)內(nèi)隧道通風(fēng)的研究絕大部分都是采用流體力學(xué)計(jì)算軟件對(duì)隧道進(jìn)行三維模擬后改變控制條件得出研究成果。大量學(xué)者[3-14]基于實(shí)際工程建立隧道通風(fēng)模型并與實(shí)際工程數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性后，更加直觀(guān)、精準(zhǔn)地分析研究出了隧道工程中影響通風(fēng)的一系列因素。

2? 通風(fēng)影響因素

2.1 風(fēng)筒直徑

王禮、吳超[3，4]等人采用定性定量的方式分析出如果條件允許應(yīng)盡可能的選擇大直徑風(fēng)筒來(lái)改善隧道的通風(fēng)情況。但是風(fēng)筒直徑過(guò)大會(huì)使工程投資的費(fèi)用增加，也會(huì)減緩施工進(jìn)程;王凱[5]利用FLUENT對(duì)西曲礦8103掘進(jìn)工作面粉塵測(cè)點(diǎn)布置巷道內(nèi)粉塵進(jìn)行模擬研究，采用（0.6m，0.7m，0.8m）三種不同直徑的風(fēng)筒進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證得出直徑為0.7m的風(fēng)筒為粉塵濃度最小的最優(yōu)選擇。。李波[6]也通過(guò)控制風(fēng)筒直徑為變量，采用FLUENT建立隧道模型進(jìn)行分析得出，如果采用直徑比較大的風(fēng)筒可以降低風(fēng)阻同時(shí)也可以降低漏風(fēng)率，但是會(huì)增加工程的投資費(fèi)用。如果采用小直徑的風(fēng)筒，雖可以減少工程投資金額，但是會(huì)加大風(fēng)筒的通風(fēng)阻力從而增加風(fēng)機(jī)的功耗，最后導(dǎo)致通風(fēng)系統(tǒng)的工程費(fèi)用增加。這說(shuō)明風(fēng)筒的選擇不是一味追求大直徑，而是要結(jié)合工程實(shí)際，考慮經(jīng)濟(jì)效益和實(shí)際通風(fēng)量進(jìn)行選擇。

2.2 風(fēng)筒懸掛位置

張?jiān)讫圼7]等針對(duì)白楊林瓦斯隧道實(shí)際工況采用Gambit作為前處理建立隧道模型，研究得出當(dāng)風(fēng)管懸掛于單側(cè)時(shí)，另一側(cè)的風(fēng)速明顯大于其余區(qū)域的風(fēng)速，這表明另一側(cè)的通風(fēng)效果較好。而在風(fēng)管一側(cè)產(chǎn)生了回流區(qū)進(jìn)而大大地影響了其通風(fēng)效果。劉敦文[8]等根據(jù)重慶某公路瓦斯工程實(shí)際尺寸利用Gambit建立了三維隧道模型，他們的研究表明風(fēng)筒分別位于拱腰、拱頂、拱腳這三處不同的地方時(shí)，隧道掌子面的瓦斯?jié)舛炔煌?dāng)風(fēng)筒懸掛于拱腰處時(shí)掌子面的瓦斯?jié)舛让黠@低于拱頂于拱腳處的掌子面瓦斯?jié)舛?。同時(shí)由于風(fēng)筒位置不同也會(huì)引起風(fēng)流場(chǎng)受到改變從而改變了瓦斯的擴(kuò)散范圍。因?yàn)?，在瓦斯隧道掌子面的作業(yè)過(guò)程中應(yīng)將風(fēng)筒設(shè)置在拱腰附近的范圍內(nèi)，可以有效的減少瓦斯的濃度進(jìn)而提高工程進(jìn)度。張恒[9]等利用ICEM對(duì)鷓鴣山瓦斯隧道進(jìn)行數(shù)值模擬，旨在研究出不同風(fēng)筒懸掛位置對(duì)隧道瓦斯?jié)舛鹊挠绊懖⒉捎肍LUENT進(jìn)行求解，研究得出由于瓦斯的密度比空氣的密度要小，瓦斯更易聚積在隧道的頂部，因而風(fēng)管布置在較高的位置比布置在較低的位置其掌子面處的風(fēng)速分布均勻并且更有利于瓦斯的稀釋。

2.3 風(fēng)筒口距掌子面的距離

根據(jù)壓入式隧道通風(fēng)的風(fēng)流射流、回流的特性，將隧道通風(fēng)的流場(chǎng)主要分為渦流區(qū)、渦流影響區(qū)和穩(wěn)定區(qū)三個(gè)區(qū)域。風(fēng)筒口距掌子面的不同距離會(huì)改變隧道中的風(fēng)流流場(chǎng)，這會(huì)改變瓦斯在隧道中的“運(yùn)移”過(guò)程，最終影響瓦斯在隧道中的濃度變化[5]。張?jiān)讫圼6]等利用CFD模擬隧道并與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)比對(duì)得出風(fēng)管末端距離掌子面越大在掌子面降低瓦斯?jié)舛鹊男Ч讲?，瓦斯的聚集現(xiàn)象就越明顯。宋駿修[10]等對(duì)隧道通風(fēng)中粉塵問(wèn)題運(yùn)用ANSYS ICEM CFD建立模型研究得出當(dāng)風(fēng)筒的位置布置得過(guò)大或過(guò)小時(shí)，粉塵沿隧道的濃度比較大，而當(dāng)風(fēng)管的距離布置適中時(shí)，隧道通風(fēng)排塵效果比較好。劉春[11]等利用FLUENT軟件建立數(shù)學(xué)模型并與實(shí)際工程數(shù)據(jù)比對(duì)后研究得出同一斷面下的瓦斯?jié)舛确植疾痪鶆颍淼乐袑?dǎo)致回流區(qū)發(fā)生變化的范圍與風(fēng)筒到掌子面的距離成正相關(guān)，并且隨著它們的距離加大，瓦斯?jié)舛绕椒€(wěn)的地方區(qū)域也跟著加大，并發(fā)現(xiàn)隧道中瓦斯在隧道中的濃度沿著隧道呈現(xiàn)出“下降-上升-平衡”的分布形式。邱童春[12]也利用FLUENT針對(duì)螺旋隧道施工建立模型研究得出風(fēng)管口越接近掌子面，掌子面的瓦斯?jié)舛染驮降停渲車(chē)鷧^(qū)域的濃度值就會(huì)隨之增大。因而風(fēng)筒口到掌子面的距離應(yīng)綜合考慮。同時(shí)張恒[9]等也研究得出不同的風(fēng)筒距掌子面的距離大大影響了掌子面周?chē)鷧^(qū)域的風(fēng)速，如果風(fēng)筒口離掌子面太近則會(huì)造成掌子面附近的風(fēng)速有很大的差異;如果風(fēng)筒口離掌子面太遠(yuǎn)則會(huì)在掌子面附近形成渦流區(qū)也會(huì)影響瓦斯的排出從而導(dǎo)致掌子面附近的瓦斯?jié)舛壬摺?/p>

2.4 通風(fēng)風(fēng)速

陳乾陽(yáng)[13]等運(yùn)用CFD模擬了某客運(yùn)隧道專(zhuān)線(xiàn)對(duì)隧道內(nèi)部在不同風(fēng)速下的溫度進(jìn)行研究，模擬結(jié)果顯示僅僅改變通風(fēng)速度對(duì)隧道內(nèi)的最大氣溫沒(méi)有很多影響，在一定范圍內(nèi)增加隧道的通風(fēng)速度只會(huì)導(dǎo)致隧道內(nèi)部氣溫減小的面積越大。當(dāng)風(fēng)速超過(guò)一定限額之后，氣溫降低的范圍增加幅度變小。邱童春[12]等人的研究則表明風(fēng)管的通風(fēng)風(fēng)速越大，則風(fēng)管末端瓦斯的濃度就越低。因此在不超過(guò)規(guī)范所規(guī)定的的風(fēng)速前提下，在工程所能承擔(dān)的經(jīng)濟(jì)范圍內(nèi)，風(fēng)管的通風(fēng)速度越大對(duì)于降低瓦斯?jié)舛鹊男Ч胶?，并且能過(guò)增大隧道一定的氣溫降低范圍。

2.5 其他因素

除以上常見(jiàn)因素以外，還有研究人員也利用基于三維數(shù)值模擬軟件從不同的角度來(lái)探索影響隧道通風(fēng)的因素。何坤[14]等基于實(shí)際隧道工程利用FLUENT軟件建立隧道模型研究了不同隧道掘進(jìn)長(zhǎng)度、斷面的尺寸以及洞壁的粗糙高度對(duì)通風(fēng)流場(chǎng)的影響，最后分析表明當(dāng)隧道掘進(jìn)長(zhǎng)度小于一定范圍時(shí)僅僅靠壓入式通風(fēng)也能滿(mǎn)足最低通風(fēng)要求;當(dāng)隧道的掘進(jìn)長(zhǎng)度超過(guò)一定范圍時(shí)，需要采取負(fù)壓排風(fēng)輔助通風(fēng)。同時(shí)得出了結(jié)論，洞壁粗糙高度對(duì)隧道通風(fēng)影響不大，實(shí)際通風(fēng)中應(yīng)該注重通風(fēng)方案以及隧洞長(zhǎng)度和斷面大小等方面。同時(shí)，通風(fēng)的風(fēng)量也是影響隧道通風(fēng)的一個(gè)關(guān)鍵因素[15-16]。

2.6 影響因素重要性對(duì)比

劉敦文、李波[6，8]對(duì)風(fēng)筒懸掛位置、風(fēng)筒口距掌子面的距離以及風(fēng)筒直徑的重要性進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)，對(duì)比得出三者重要性的排名為風(fēng)筒直徑>風(fēng)筒懸掛位置>風(fēng)筒口距掌子面距離。故在考慮優(yōu)化隧道通風(fēng)工程時(shí)，應(yīng)優(yōu)先考慮最佳的風(fēng)筒直徑，再考慮其余兩者因素。重要性的排名可以給實(shí)際工程中優(yōu)化隧道通風(fēng)項(xiàng)目提供參考，可以在同樣的投資下獲得更好的通風(fēng)效果。

3? 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上學(xué)者關(guān)于影響隧道通風(fēng)的因素的研究可以證明采用流體力學(xué)數(shù)字模擬計(jì)算軟件可以有效、直觀(guān)的得到數(shù)值結(jié)果，并且便于對(duì)于各個(gè)影響參數(shù)進(jìn)行比對(duì)分析，從而提高對(duì)于隧道通風(fēng)方案的優(yōu)化效率進(jìn)而節(jié)約工程成本、提高工程效率。通過(guò)流體力學(xué)三維數(shù)值模擬軟件研究得出，在通風(fēng)方案的設(shè)計(jì)當(dāng)中應(yīng)該注重通風(fēng)量、通風(fēng)風(fēng)速、風(fēng)筒口距掌子面的距離、風(fēng)筒懸掛位置、風(fēng)筒的直徑、隧道掘進(jìn)長(zhǎng)度以及洞壁粗糙高度等因素進(jìn)行綜合考慮。在其余影響因素不變的情況下，在考慮對(duì)風(fēng)筒直徑、風(fēng)筒懸掛位置、風(fēng)筒口距掌子面的距離三者進(jìn)行通風(fēng)方案優(yōu)化時(shí)，應(yīng)把這三者中的風(fēng)筒直徑作為首要優(yōu)化項(xiàng)其次考慮剩余二者，可以有效的提高工程投資收益。

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