模擬不同通風(fēng)方式下綜合管廊熱力艙熱力管道最佳通風(fēng)區(qū)

葉 爽,張紅永,王文新*,許國強(qiáng)

(1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，呼和浩特 010051；2.北京維拓時(shí)代建筑設(shè)計(jì)股份有限公司，北京 100000；3.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)建筑學(xué)院，呼和浩特 010051)

管廊不同于地面設(shè)施，其長時(shí)間處于封閉或半封閉狀態(tài)，自然通風(fēng)不良，熱力管道表面溫度較高，金屬腐蝕、物質(zhì)氧化及微生物好氧等作用下極易出現(xiàn)氧氣缺乏，有毒有害氣體積聚等問題。為了保證管廊內(nèi)能夠正常運(yùn)營及巡視人員巡視安全，需要工作人員進(jìn)入綜合管溝前30 min開啟巡視段通風(fēng)系統(tǒng)排風(fēng)機(jī)，保證管廊內(nèi)的溫度不大于28 ℃且含氧量不得小于19.0%。中外針對(duì)管廊的通風(fēng)形式及內(nèi)部溫濕度的影響已開展了一系列的研究。文獻(xiàn)[1-2]通過數(shù)值模擬、現(xiàn)場實(shí)測等方法對(duì)地鐵隧道速度場、溫度場進(jìn)行了研究。邴斌等[3]結(jié)合青島高新區(qū)實(shí)際工程，針對(duì)綜合管廊通風(fēng)系統(tǒng)，提出了一種自然通風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)相結(jié)合的通風(fēng)口設(shè)計(jì)。目前通風(fēng)區(qū)的長度都是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來定，自然送風(fēng)、機(jī)械排風(fēng)通風(fēng)區(qū)長度不超過200 m；機(jī)械送風(fēng)、機(jī)械排風(fēng)通風(fēng)區(qū)長度不超過400 m，缺少理論依據(jù)，通風(fēng)區(qū)較長時(shí)，管廊某段區(qū)域的溫度可能要大于28 ℃，不能滿足工作人員的舒適度。

基于上述研究背景以內(nèi)蒙古包頭市某管廊為實(shí)驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行試驗(yàn)，并利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)軟件對(duì)該對(duì)象進(jìn)行仿真模擬，將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析，在驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算模型的可靠性的同時(shí)研究改變不同的通風(fēng)方式及管廊內(nèi)熱力管管徑，從而得出最佳的通風(fēng)區(qū)間為以后的管廊通風(fēng)設(shè)計(jì)作指導(dǎo)。

1 綜合管廊通風(fēng)現(xiàn)狀分析

1.1 以包頭某管廊為實(shí)驗(yàn)對(duì)象

以包頭某段綜合管廊工程為研究對(duì)象，該管段斷面尺寸為3.8 m×2.9 m，全段長2.0 km的綜合艙，內(nèi)含有熱力、給水管線。本實(shí)驗(yàn)選擇在冬季供暖期內(nèi)測試，測試內(nèi)容主要為管廊內(nèi)熱力管道供回水表面、兩側(cè)壁面、頂部壁面、空間內(nèi)的溫度分布。為滿足巡視要求，根據(jù)《建筑熱環(huán)境測試方法標(biāo)準(zhǔn)》[4]對(duì)A域(送風(fēng)口)、B域(通風(fēng)域頂部)、C域(排風(fēng)口)進(jìn)行布點(diǎn)，平面圖如圖1,分別在熱力管道供水和回水管道壁面布置1、2點(diǎn)；與管廊頂部點(diǎn)在一個(gè)水平面內(nèi)，距離地面1.7 m處布置一溫度點(diǎn)3點(diǎn)；管廊頂部布置溫度點(diǎn)4點(diǎn)；管廊兩側(cè)壁面距地1.7 m處布置溫度點(diǎn)5、6點(diǎn)。實(shí)際布點(diǎn)圖如圖2所示。利用實(shí)驗(yàn)結(jié)果來驗(yàn)證本課題研究所用的計(jì)算模型的可靠性。所用儀器型號(hào)及參數(shù)如表1所示。

圖1 布點(diǎn)平面Fig.1 Layout plane

1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)主要測試時(shí)間段為12月11日-12月20日，總共10d。選擇早晨8時(shí)管廊內(nèi)沒有進(jìn)行通風(fēng)時(shí)的數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2～表4所示。供、回水溫度分別為60 ℃和40 ℃，室外溫度為-13 ℃。

根據(jù)表3繪制管廊頂部溫度曲線如圖3所示。從圖3中可以看出，接近入口處管廊頂部的溫度較低。由于管廊內(nèi)沒有開啟通風(fēng)系統(tǒng)，熱力管道主要靠自然對(duì)流對(duì)管廊內(nèi)空氣進(jìn)行傳熱，隨著縱向長度的增加管廊內(nèi)的溫度先是增加然后趨于平緩。

圖2 實(shí)際布點(diǎn)Fig.2 Actual point layout

表1 測量儀器及相關(guān)特性Table 1 Measurement instruments and related characteristics

表2 A域(送風(fēng)口)斷面溫度Table 2 Section temperature of area A (air supply nozzle)

表3 B域(通風(fēng)域)艙頂溫度Table 3 Cabin top temperature in ventilation area B

表4 C域(排風(fēng)口)斷面溫度Table 4 Cross-section temperature of area C (exhaust vent)

圖3 管廊頂部溫度Fig.3 Temperature at the top of the utility tunnel

2 針對(duì)包頭某管廊進(jìn)行數(shù)值模擬

2.1 物理模型的建立

為方便計(jì)算進(jìn)行如下簡化。

(1)由于本段管廊每個(gè)通風(fēng)區(qū)間關(guān)于送風(fēng)口(投料口)為軸對(duì)稱，為簡化計(jì)算過程及減少工作量，取100 m通風(fēng)區(qū)間為計(jì)算域。

(2)管廊內(nèi)熱源只有管徑為DN600 mm熱力管道，忽略燈光等熱源。

(3)在正常工作狀態(tài)下管廊內(nèi)部氣體流動(dòng)為三維不可壓縮穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，且符合boussinesq假設(shè)。

(4)假定管廊內(nèi)部空氣為理想氣體，滿足理想氣體狀態(tài)方程。

(5)選用standk-ε模型兩方程模型,數(shù)值計(jì)算采用分離式解法下的算法Simplec算法[5]。

如圖4所示，管廊尺寸3.8 m×2.9 m×100 m，封閉艙內(nèi)為空氣，考慮重力影響。

圖4 管廊簡化物理模型Fig.4 Simplified physical model of the utility tunnel

2.2 網(wǎng)格劃分

如圖5所示，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為保證計(jì)算準(zhǔn)確，本模型采用六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，靠近管道壁面利用壁面函數(shù)進(jìn)行加密處理，管道表面采用o-block。使用網(wǎng)格數(shù)量為400×104。

圖5 網(wǎng)格劃分Fig.5 Mesh generation

2.3 邊界條件的確定

材料物性和邊界條件是數(shù)值模擬的重要參數(shù)。模擬準(zhǔn)確性，在于邊界條件和材料物性的正確性。本模擬的材料物性如表5所示。管廊的結(jié)構(gòu)組成，如圖6所示，壁面為鋼筋混凝土，管廊內(nèi)熱力管道表面有一層500～600 mm的聚氨酯硬泡沫保溫層。由于壁面的溫度影響因素較多難以確定,目前，大量文獻(xiàn)大都采用不考慮隧道壁面的散熱問題，如肖慶峰[6]分析越江道路隧道服務(wù)層防災(zāi)和散熱通風(fēng)的問題，通過實(shí)驗(yàn)和工程實(shí)例驗(yàn)證層壁是絕熱的假設(shè)是正確的，《綜合管廊工程理論與實(shí)踐》中模擬管廊內(nèi)電纜散熱問題，模型簡化假設(shè)電纜艙的壁面為絕熱狀態(tài)[7],主要研究管廊內(nèi)溫度場分布，不考慮壁面邊界層的溫度分布。綜上所述，壁面邊界條件選擇第二類邊界條件(管廊壁面為絕熱狀態(tài)，q=0 W/m2)進(jìn)行模擬，更能使得模擬結(jié)果與實(shí)際管廊內(nèi)溫度場分布情況相符。模擬各邊界條件的匯總?cè)绫?，其中，管道表面溫度為遠(yuǎn)離入風(fēng)口處，穩(wěn)定狀態(tài)下的實(shí)測值。

表5 材料物性參數(shù)Table 5 Material properties parameter

圖6 管廊平面Fig.6 Utility tunnel plan

表6 模擬各邊界條件Table 6 Simulated boundary conditions

2.4 模擬結(jié)果

通過監(jiān)測殘差曲線來確定計(jì)算是否停止，當(dāng)模擬過程計(jì)算10 000步以后殘差曲線趨于平緩，能量方程、速度方程的殘差趨于10-4可以停止計(jì)算。如圖7所示。

圖7 殘差曲線監(jiān)測圖Fig.7 Residual curve monitoring chart

沿z軸方向斷面溫度分布如圖8所示。管廊頂部溫度值如表7所示。

圖8 斷面溫度分布Fig.8 Section temperature distribution

2.5 模擬結(jié)果驗(yàn)證

將試驗(yàn)結(jié)果中頂部溫度的值與模擬結(jié)果相應(yīng)測點(diǎn)的值進(jìn)行對(duì)比分析，如圖9所示。

表7 管廊頂部溫度Table 7 Utility tunnel top temperature

圖9 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果對(duì)比Fig.9 Comparisons between experimental results and simulation results

由圖9對(duì)比分析得出：整體上模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合度較好，多數(shù)測點(diǎn)誤差分布在10%左右，誤差產(chǎn)生的原因如下。

(1)入口處為自然送風(fēng)。接近入口處，實(shí)驗(yàn)結(jié)果大于模擬結(jié)果是由于模擬過程中按照設(shè)計(jì)風(fēng)速來模擬，實(shí)際風(fēng)速達(dá)不到設(shè)計(jì)風(fēng)速。

(2)試驗(yàn)結(jié)果在40 m之后高于模擬值，是由于在管廊40 m附近有一處未做保溫的補(bǔ)償器。

(3)隨著管廊縱向長度的增加發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果比實(shí)驗(yàn)結(jié)果略高，主要是由于模擬時(shí)忽略了艙室壁面與土壤之間的換熱。

(4)模型的建立忽略了管廊內(nèi)的部分熱源，網(wǎng)格劃分的影響，儀器以及人為的偶然誤差等因素都會(huì)造成誤差。

3 對(duì)熱力艙內(nèi)不同通風(fēng)方式的研究

3.1 通風(fēng)設(shè)計(jì)

文獻(xiàn)[8-9]結(jié)合工程實(shí)例對(duì)綜合管廊通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了簡單討論，其中關(guān)于通風(fēng)量的確定主要依據(jù)《城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》(下文稱《規(guī)范》)[10]中相關(guān)條款的描述。另一部分學(xué)者則從熱平衡的角度分析了綜合管廊通風(fēng)量的確定方法。

根據(jù)《規(guī)范》計(jì)算確定，綜合管廊的通風(fēng)量、截面尺寸等。通風(fēng)量的計(jì)算公式為

Q=VNΦ

(1)

式(1)中：Q為通風(fēng)量，m3/h；V為通風(fēng)區(qū)間的體積，m3；N為換氣次數(shù)，次/h；Φ為安全系數(shù)(>1)。

熱力管道艙內(nèi)正常通風(fēng)換氣次數(shù)不應(yīng)小于2次/h，事故通風(fēng)換氣次數(shù)不應(yīng)小于6次/h。

斷面面積公式：

A=Q/V

(2)

式(2)中：v為設(shè)計(jì)風(fēng)速，m/s；A為風(fēng)口面積，m2。

根據(jù)《規(guī)范》綜合管廊的管道安裝凈距不宜小于表8規(guī)定。

表8 綜合廊安裝凈距Table 8 Installation clearance of the utility tunnel

圖10 管道安裝凈距Fig.10 Clearance of pipeline installation

根據(jù)表8、圖10中綜合管廊的管道安裝凈距規(guī)定，設(shè)計(jì)出不同管徑管道所需熱力艙的斷面尺寸見表9。

表9 熱力艙斷面尺寸Table 9 Cross-sectional dimensions of thermal cabin

根據(jù)式(1)、式(2)可以分別求出熱力艙內(nèi)不同通風(fēng)方式下的通風(fēng)量，風(fēng)口大小如表10、表11所示。

3.2 自然送風(fēng)機(jī)、械排風(fēng)方式研究

在數(shù)值模型可靠性經(jīng)過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，模擬自然通風(fēng)、機(jī)械排風(fēng)方式下不同管徑熱力艙內(nèi)熱環(huán)境，其物理模型如圖11所示。模擬邊界條件如表12所示。

圖11 自然送風(fēng)、機(jī)械排風(fēng)模型Fig.11 Natural air supply and mechanical air exhaust model

表10 熱力艙內(nèi)通風(fēng)量(自然送風(fēng)、機(jī)械排風(fēng))Table 10 Ventilation in thermal cabins (natural ventilation,mechanical exhaust)

表11 熱力艙內(nèi)通風(fēng)量(機(jī)械送風(fēng)、機(jī)械排風(fēng))Table 11 Ventilation in thermal cabin (mechanical air supply,mechanical exhaust)

表12 模擬邊界條件Table 12 Simulation boundary conditions

圖12、圖13為縱向溫度云圖模擬結(jié)果，不同管徑縱向溫度分布如圖14所示?？梢缘贸鲆韵陆Y(jié)果。

(1)通風(fēng)區(qū)間縱向的熱力艙室斷面平均溫度分布沿z軸方向持續(xù)增大，排風(fēng)口空氣對(duì)流速度增大，在排風(fēng)口附近大量熱量積聚在排風(fēng)口附近。

(2)為滿足巡視人員的巡視工況，將排風(fēng)口的位置布置在斷面溫度為28 ℃的位置即可滿足巡視人員的巡視工作舒適性。自然通風(fēng)、機(jī)械排風(fēng)時(shí)管廊的最佳通風(fēng)區(qū)如表13所示。

圖12 縱向溫度云圖Fig.12 Longitudinal temperature nephogram

圖13 縱向斷面云圖Fig.13 Longitudinal section cloud map

圖14 不同管徑縱向溫度分布圖Fig.14 Longitudinal temperature distribution map of different pipe diameters

表13 自然送風(fēng)、機(jī)械排風(fēng)方式通風(fēng)區(qū)Table 13 Ventilation area for mechanical ventilation and mechanical ventilation

3.3 機(jī)械送風(fēng)、機(jī)械排風(fēng)方式研究

取一段400 m通風(fēng)區(qū)長度的熱力艙進(jìn)行模擬，通風(fēng)口設(shè)置在兩端，模擬前對(duì)模型進(jìn)行簡化，考慮艙內(nèi)熱力管道為唯一熱源，忽略燈光等發(fā)熱體。簡化模型如圖15所示。模擬計(jì)算邊界條件如表14所示。

圖15 機(jī)械送排風(fēng)模型Fig.15 Mechanical delivery and exhaust model

表14 模擬邊界條件Table 14 Simulation boundary conditions

圖16為縱向溫度云圖模擬結(jié)果，不同管徑縱向溫度分布如圖17所示?？梢缘贸鲆韵陆Y(jié)果。

(1)機(jī)械送風(fēng)、機(jī)械排風(fēng)時(shí)，通風(fēng)區(qū)間縱向的熱力艙室斷面平均溫度分布沿z軸方向增大，排風(fēng)口空氣對(duì)流速度增大，在排風(fēng)口附近大量熱量積聚。但是由于機(jī)械送風(fēng)將大量室外空氣送至管廊縱向更深的位置，使得機(jī)械送風(fēng)艙內(nèi)的溫度要比自然送風(fēng)工況下低。

(2)機(jī)械送風(fēng)、機(jī)械排風(fēng)時(shí)管廊的最佳通風(fēng)區(qū)如表15所示。

圖16 縱向溫度云圖Fig.16 Longitudinal temperature nephogram

圖17 不同管徑縱向溫度分布圖Fig.17 Longitudinal temperature profile

表15 機(jī)械送風(fēng)、機(jī)械排風(fēng)方式通風(fēng)區(qū)Table 15 Mechanical ventilation and mechanical ventilation

4 結(jié)論

(1)以綜合管廊熱力艙為研究對(duì)象，利用CFD軟件模擬不同通風(fēng)方式，不同管徑熱力管道下艙內(nèi)的熱環(huán)境可以分析得出自然送風(fēng)、機(jī)械排風(fēng)和機(jī)械送風(fēng)、機(jī)械排風(fēng)的通風(fēng)區(qū)間縱向艙室斷面平均溫度分布沿z軸方向持續(xù)增大，排風(fēng)口空氣對(duì)流速度增大，在排風(fēng)口附近大量熱量積聚，但機(jī)械送風(fēng)、機(jī)械排風(fēng)將大量室外空氣送至管廊縱向更深的位置，使得機(jī)械送風(fēng)艙內(nèi)的溫度要比自然送風(fēng)工況下低。

(2)在兩種通風(fēng)方式下，通風(fēng)區(qū)的長度隨著熱力管道的管徑的增加而增加。自然送風(fēng)、機(jī)械排風(fēng)通風(fēng)方式下DN300 mm、DN400 mm、DN500 mm、DN600 mm，管徑的最優(yōu)通風(fēng)區(qū)分別為160、166、178、200 m，時(shí)可以滿足巡視人員舒適性要求；在機(jī)械送風(fēng)、機(jī)械排風(fēng)通風(fēng)方式下DN300 mm、DN400 mm、DN500 mm、DN600 mm，管徑的最優(yōu)通風(fēng)區(qū)分別為360、370、385 m，DN600 mm管徑的通風(fēng)區(qū)為400 m即可滿足要求。