基于流體力學(xué)相似理論的“互補式+排煙豎井”組合通風(fēng)模型試驗研究

鄧敏，閔泉，熊雅，宋曉，李勇，任銳

(1.武漢中交交通工程有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430056； 2.長安大學(xué) 公路學(xué)院)

1 引言

為了保證司乘人員在隧道內(nèi)行車的安全性和舒適性，需要對隧道內(nèi)空氣質(zhì)量進(jìn)行控制，但高昂的土建成本、設(shè)備成本以及運營費用是制約隧道通風(fēng)系統(tǒng)的主要因素，因此如何在經(jīng)濟(jì)節(jié)能的情況下滿足隧道通風(fēng)要求是公路隧道運營研究的重點。豎井送排組合的縱向通風(fēng)方式是中國特長公路隧道的主流通風(fēng)方式，但后期運營成本較高；互補式通風(fēng)方式是一種新型通風(fēng)方式，通過換氣通道將兩條隧道聯(lián)系成整體通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)，解決左右線隧道通風(fēng)負(fù)荷不均勻現(xiàn)象，能夠降低后期運營成本，但其適用程度有限，因此將豎井送排組合通風(fēng)方式與互補式通風(fēng)方式相結(jié)合，擴(kuò)大互補式通風(fēng)的適用范圍，減小左右線隧道通風(fēng)負(fù)荷差距，降低公路隧道運營成本，實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)節(jié)能的目的。

蔣樹屏基于浙江大溪嶺—湖霧嶺隧道提出了豎井送排式通風(fēng)壓力、風(fēng)量、風(fēng)速計算模式，驗證了豎井送排式通風(fēng)方式的可行性；方磊等和韓星等研究了豎井送排式通風(fēng)方式豎井排風(fēng)口、豎井?dāng)?shù)量及其間距對隧道通風(fēng)的影響；蔣鵬飛等通過建立隧道大比例通風(fēng)物理模型，主要研究了豎井送排組合情況時的通風(fēng)井關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置與隧道運營情況；另一方面，互補式通風(fēng)方式作為一種新型的通風(fēng)方式，相關(guān)研究者一直致力于相關(guān)方面的研究，如王亞瓊等通過1∶10的物理試驗?zāi)Ｐ脱芯看髣e山公路隧道互補式通風(fēng)方案的可行性及換氣風(fēng)量對隧道通風(fēng)的影響，得出了橫通道換氣風(fēng)量變化對隧道內(nèi)各段風(fēng)速和風(fēng)壓的影響規(guī)律，之后基于隧道海拔和溫度、隧道長度、交通量等相關(guān)因素提出了公路隧道互補式通風(fēng)的適應(yīng)性條件；夏豐勇、胡彥杰等通過理論推導(dǎo)、數(shù)值模擬等手段對互補式通風(fēng)的應(yīng)用場景及其適用性進(jìn)行了分析；張京龍等通過數(shù)值模擬軟件研究分析了橫通道角度及橫通道風(fēng)機(jī)位置對互補式通風(fēng)系統(tǒng)的影響；羅小榮就勐捧隧道采用平導(dǎo)式、靜電除塵、互補式通風(fēng)的適用條件、優(yōu)勢進(jìn)行了分析比較；郭志杰就金門隧道進(jìn)行通風(fēng)方案比選研究，認(rèn)為互補式、吸塵式通風(fēng)能避免復(fù)雜地形條件下豎斜井的選址問題，但特長隧道需要額外添加專用排煙井。

該文依托榮烏高速公路(山東榮成市到內(nèi)蒙古烏海市)營爾嶺隧道工程，建立物理模型試驗，分析隧道“雙洞互補式+排風(fēng)井”組合通風(fēng)方式豎井排風(fēng)對隧道通風(fēng)效果的影響，論證該通風(fēng)方式的可行性及可靠性。

2 工程概況

營爾嶺隧道是榮烏高速公路中河北徐水至淶源段全線最長的隧道，左線全長5 656 m，右線全長5 677.3 m。隧道最大埋深約482 m，平均海拔1 000 m，設(shè)計行車速度100 km/h，為分離式雙洞單向三車道隧道，隧道兩洞中軸線相距34 m。其中左線下坡隧道長度5 656 m，坡度-2.15%；右線上坡隧道長度5 677.3 m，坡度+2.15%，隧道橫斷面積99.47 m2。預(yù)測近期交通量為29 063 pcu/d，遠(yuǎn)期交通量為60 296 pcu/d。通過計算得到設(shè)計需風(fēng)量：左線近期最大需風(fēng)量為468.84 m3/s，遠(yuǎn)期最大需風(fēng)量為571.36 m3/s；右線近期最大需風(fēng)量為767.23 m3/s，遠(yuǎn)期最大需風(fēng)量為1 152.94 m3/s。

由此可以看出：營爾嶺隧道運營所需需風(fēng)量左、右線近期和遠(yuǎn)期差異較大，隧道運營近期右線需風(fēng)量是左線需風(fēng)量的1.64倍，遠(yuǎn)期甚至達(dá)到了2.02倍，若單純采用射流風(fēng)機(jī)縱向通風(fēng)方式將會大大增加運營成本，而且隧道內(nèi)縱向通風(fēng)風(fēng)速甚至?xí)^規(guī)范要求限值，因此采用雙洞互補式通風(fēng)方式，同時輔以豎井用于火災(zāi)狀況下的煙霧排放。

3 物理模型試驗建立

(1) 模型試驗原理

公路隧道通風(fēng)物理模型與隧道原型應(yīng)滿足相似理論，這是進(jìn)行物理模型試驗的理論基礎(chǔ)。對兩個流動系統(tǒng)力學(xué)相似應(yīng)滿足幾何相似、運動相似和動力相似條件。在模型試驗中，假定隧道內(nèi)空氣為不可壓縮的連續(xù)介質(zhì)，且為定常流，空氣在流動過程中假定為等溫流動，能量保持守恒狀態(tài)。

(2) 模型尺寸與試驗平臺

營爾嶺隧道全長約5.6 km，此物理模型包含主隧道2條、互補橫道1個和豎井1個，對模型撓度、試驗場地以及技術(shù)可行性等因素進(jìn)行綜合考慮，模型比例尺最終確定為1∶10，原型與模型的主要幾何尺寸如表1所示。

表1 營爾嶺隧道原型與模型主要幾何尺寸

為縮短隧道模型長度，運用等效摩阻原理使用阻力格柵來替代相應(yīng)長度的模型，風(fēng)流通過阻力格柵時產(chǎn)生局部損失，而隧道沒有添加阻力格柵的區(qū)段風(fēng)流流動穩(wěn)定，對試驗時的所有影響因素綜合考慮，確定在每條隧道內(nèi)各添加14個阻力格柵，模型長度等效縮短為77 m，每一個阻力格柵等效(560-77)/14=34.5 m。隧道模型總體布置如圖1所示。

圖1 隧道模型總體布置圖

4 研究結(jié)果與分析

試驗時保持1號和4號風(fēng)機(jī)打開后不變化，以模擬隧道自然通風(fēng)形成的自然通風(fēng)力，分別調(diào)節(jié)2、3和5號軸流風(fēng)機(jī)，軸流風(fēng)機(jī)頻率變化均為：20、25、30、35、40、45 Hz。如此進(jìn)行組合變化，分5種工況進(jìn)行試驗，第1類是豎井排風(fēng)同時打開1號豎井閥門，第2類是豎井排風(fēng)同時打開2號豎井閥門。

4.1 豎井排風(fēng)同時打開左線(1號)豎井閥門試驗結(jié)果分析

當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時，打開1號豎井閥門，豎井采取排風(fēng)狀態(tài)，使火災(zāi)煙氣盡快從右線橫通道進(jìn)入下行隧道，然后從下行隧道出口處排出；當(dāng)火災(zāi)發(fā)生位置處于Ⅴ、Ⅵ區(qū)段時，打開1號豎井閥門，豎井采取排風(fēng)狀態(tài)，使火災(zāi)煙氣盡快從豎井排出。

以隧道的行車方向為參考，開啟射流風(fēng)機(jī)增壓，開啟1號和2號換氣通道，兩條換氣通道將上坡隧道排風(fēng)段與下坡隧道送風(fēng)段相連通，將上坡隧道送風(fēng)段與下坡隧道排風(fēng)段相連，形成雙U形通風(fēng)段。試驗工程中，固定2號風(fēng)機(jī)和3號風(fēng)機(jī)頻率，調(diào)整5號風(fēng)機(jī)頻率分別為20、25、30、35、40、45 Hz。

工況1：2號風(fēng)機(jī)頻率為20 Hz，3號風(fēng)機(jī)頻率為20 Hz，5號風(fēng)機(jī)頻率從20～45 Hz變化(圖2)。

圖2 工況1試驗結(jié)果(2號、3號風(fēng)機(jī)頻率均為20 Hz)

由圖2可以看出：當(dāng)5號風(fēng)機(jī)頻率從20 Hz變化到45 Hz時：

(1) 上坡隧道的排風(fēng)段污染物濃度最大值C1減小0.1%，上坡隧道的送風(fēng)段污染物濃度最大值C2增加1.1%；下坡隧道的排風(fēng)段污染物濃度最大值C3增加14.6%，下坡隧道送風(fēng)段污染物濃度最大值C4增加16.3%。

(2) 上坡隧道排風(fēng)段通風(fēng)量增加0.1%，送風(fēng)段通風(fēng)量減小0.4%，下坡隧道排風(fēng)段減小12.6%，送風(fēng)段減小14%。

工況2：2號風(fēng)機(jī)頻率為20 Hz，3號風(fēng)機(jī)頻率為25 Hz，5號風(fēng)機(jī)頻率從20～45 Hz變化(圖3)。

圖3 工況2試驗結(jié)果(2號、3號風(fēng)機(jī)頻率分別為20、25 Hz)

由圖3可以看出，當(dāng)5號風(fēng)機(jī)頻率從20 Hz變化到45 Hz時：

(1) 上坡隧道的排風(fēng)段污染物濃度最大值C1增加2.3%，上坡隧道的送風(fēng)段污染物濃度最大值C2增加0.9%；下坡隧道的排風(fēng)段污染物濃度最大值C3增加14.7%，下坡隧道送風(fēng)段污染物濃度最大值C4增加7.4%。

(2) 上坡隧道排風(fēng)段通風(fēng)量減小2.3%，送風(fēng)段通風(fēng)量減小2.1%，下坡隧道排風(fēng)段減小14.2%，送風(fēng)段減小15.5%。

工況3：2號風(fēng)機(jī)頻率為20 Hz，3號風(fēng)機(jī)頻率為30 Hz，5號風(fēng)機(jī)頻率從20～45 Hz變化(圖4)。

由圖4可以看出，當(dāng)5號風(fēng)機(jī)頻率從20 Hz變化到45 Hz時：

(1) 上坡隧道的排風(fēng)段污染物濃度最大值C1減小0.2%，上坡隧道的送風(fēng)段污染物濃度最大值C2增加0.7%；下坡隧道的排風(fēng)段污染物濃度最大值C3增加17.7%，下坡隧道送風(fēng)段污染物濃度最大值C4增加8.2%。

(2) 上坡隧道排風(fēng)段通風(fēng)量增加0.2%，送風(fēng)段通風(fēng)量減小3.6%，下坡隧道排風(fēng)段減小14.3%，送風(fēng)段減小7.2%。

工況4：2號風(fēng)機(jī)頻率為20 Hz，3號風(fēng)機(jī)頻率為35 Hz，5號風(fēng)機(jī)頻率從20～45 Hz變化(圖5)。

圖4 工況3試驗結(jié)果(2號、3號風(fēng)機(jī)頻率分別為20、30 Hz)

圖5 工況4試驗結(jié)果(2號、3號風(fēng)機(jī)頻率分別為20、35 Hz)

由圖5可以看出，當(dāng)5號風(fēng)機(jī)頻率從20 Hz變化到45 Hz時：

(1) 上坡隧道的排風(fēng)段污染物濃度最大值C1減小3.3%，上坡隧道的送風(fēng)段污染物濃度最大值C2增加0.9%；下坡隧道的排風(fēng)段污染物濃度最大值C3增加16.6%，下坡隧道送風(fēng)段污染物濃度最大值C4增加9.8%。

(2) 上坡隧道排風(fēng)段通風(fēng)量增加3.4%，送風(fēng)段通風(fēng)量減小1%，下坡隧道排風(fēng)段減小13.3%，送風(fēng)段減小19.2%。

工況5：2號風(fēng)機(jī)頻率為20 Hz，3號風(fēng)機(jī)頻率為40 Hz，5號風(fēng)機(jī)頻率從20～45 Hz變化(圖6)。

圖6 工況5試驗結(jié)果(2號、3號風(fēng)機(jī)頻率分別為20、40 Hz)

由圖6可以看出，當(dāng)5號風(fēng)機(jī)頻率從20 Hz變化到45 Hz時：

(1) 上坡隧道的排風(fēng)段污染物濃度最大值C1減小0.3%，上坡隧道的送風(fēng)段污染物濃度最大值C2增加1%；下坡隧道的排風(fēng)段污染物濃度最大值C3增加15.9%，下坡隧道送風(fēng)段污染物濃度最大值C4增加28.3%。

(2) 上坡隧道排風(fēng)段通風(fēng)量增加0.3%，送風(fēng)段通風(fēng)量減小0.9%，下坡隧道排風(fēng)段減小13.4%，送風(fēng)段減小8.1%。

綜合工況1～5，打開上行隧道豎井閥門，豎井采取排風(fēng)狀態(tài)，保持橫通道風(fēng)機(jī)頻率不變，增大豎井風(fēng)機(jī)頻率時，上行隧道送風(fēng)段及其短道段風(fēng)速保持穩(wěn)定，排風(fēng)段風(fēng)速減小；下行隧道送風(fēng)段內(nèi)豎井到隧道出口段風(fēng)速減小，豎井到右線橫通道段風(fēng)速保持穩(wěn)定，短道段和下行隧道排風(fēng)段風(fēng)速增大，此工況利于調(diào)節(jié)下行隧道排風(fēng)段污染物濃度。

4.2 豎井排風(fēng)同時打開右線(2號)豎井閥門試驗結(jié)果分析

當(dāng)火災(zāi)發(fā)生位置處于Ⅰ區(qū)段時，打開2號豎井閥門，豎井采取排風(fēng)狀態(tài)，使火災(zāi)煙氣盡快從豎井排出。

以隧道的行車方向為參考，開啟射流風(fēng)機(jī)增壓，開啟1號和2號換氣通道，兩條換氣通道將上坡隧道排風(fēng)段與下坡隧道送風(fēng)段相連通，將上坡隧道送風(fēng)段與下坡隧道排風(fēng)段相連，形成雙U形通風(fēng)段。試驗工程中，固定2號風(fēng)機(jī)和3號風(fēng)機(jī)頻率，調(diào)整5號風(fēng)機(jī)頻率分別為20、25、30、35、40、45 Hz等，同樣分為5種工況進(jìn)行討論。

工況1：2號風(fēng)機(jī)頻率為20 Hz，3號風(fēng)機(jī)頻率為20 Hz，5號風(fēng)機(jī)頻率從20～45 Hz變化(圖7)。

圖7 工況1試驗結(jié)果(2號、3號風(fēng)機(jī)頻率均為20 Hz)

由圖7可以看出，當(dāng)5號風(fēng)機(jī)頻率從20 Hz變化到45 Hz時：

(1) 上坡隧道的排風(fēng)段污染物濃度最大值C1減小1.3%，上坡隧道的送風(fēng)段污染物濃度最大值C2增加11.1%；下坡隧道的排風(fēng)段污染物濃度最大值C3增加3.3%，下坡隧道送風(fēng)段污染物濃度最大值C4增加2.2%。

(2) 上坡隧道排風(fēng)段通風(fēng)量增加1.3%，送風(fēng)段通風(fēng)量增加3.2%，下坡隧道排風(fēng)段減小3%，送風(fēng)段減小2.1%。

工況2：2號風(fēng)機(jī)頻率為20 Hz，3號風(fēng)機(jī)頻率為25 Hz，5號風(fēng)機(jī)頻率從20～45 Hz變化(圖8)。

圖8 工況2試驗結(jié)果(2號、3號風(fēng)機(jī)頻率分別為20、25 Hz)

由圖8可以看出，當(dāng)5號風(fēng)機(jī)頻率從20 Hz變化到45 Hz時：

(1) 上坡隧道的排風(fēng)段污染物濃度最大值C1減小0.7%，上坡隧道的送風(fēng)段污染物濃度最大值C2增加114.8%；下坡隧道的排風(fēng)段污染物濃度最大值C3增加2.6%，下坡隧道送風(fēng)段污染物濃度最大值C4增加3%。

(2) 上坡隧道排風(fēng)段通風(fēng)量增加0.7%，送風(fēng)段通風(fēng)量增加2.7%，下坡隧道排風(fēng)段減小1.9%，送風(fēng)段減小2.9%。

工況3：2號風(fēng)機(jī)頻率為20 Hz，3號風(fēng)機(jī)頻率為30 Hz，5號風(fēng)機(jī)頻率從20～45 Hz變化(圖9)。

圖9 工況3試驗結(jié)果(2號、3號風(fēng)機(jī)頻率分別為20、30 Hz)

由圖9可以看出，當(dāng)5號風(fēng)機(jī)頻率從20 Hz變化到45 Hz時：

(1) 上坡隧道的排風(fēng)段污染物濃度最大值C1減小1.7%，上坡隧道的送風(fēng)段污染物濃度最大值C2增加83.1%；下坡隧道的排風(fēng)段污染物濃度最大值C3增加2.2%，下坡隧道送風(fēng)段污染物濃度最大值C4增加1.8%。

(2)上坡隧道排風(fēng)段通風(fēng)量增加1.8%，送風(fēng)段通風(fēng)量增加2.2%，下坡隧道排風(fēng)段減小1.7%，送風(fēng)段減小1.7%。

工況4：2號風(fēng)機(jī)頻率為20 Hz，3號風(fēng)機(jī)頻率為35 Hz，5號風(fēng)機(jī)頻率從20～45 Hz變化(圖10)。

圖10 工況4試驗結(jié)果(2號、3號風(fēng)機(jī)頻率分別為20、35 Hz)

由圖10可以看出，當(dāng)5號風(fēng)機(jī)頻率從20 Hz變化到45 Hz時：

(1) 上坡隧道的排風(fēng)段污染物濃度最大值C1減小1.7%，上坡隧道的送風(fēng)段污染物濃度最大值C2增加135.6%；下坡隧道的排風(fēng)段污染物濃度最大值C3增加1.6%，下坡隧道送風(fēng)段污染物濃度最大值C4增加3.2%。

(2) 上坡隧道排風(fēng)段通風(fēng)量增加1.8%，送風(fēng)段通風(fēng)量增加2.7%，下坡隧道排風(fēng)段減小1.8%，送風(fēng)段減小3.1%。

工況5：2號風(fēng)機(jī)頻率為20 Hz，3號風(fēng)機(jī)頻率為40 Hz，5號風(fēng)機(jī)頻率從20～45 Hz變化(圖11)。

由圖11可以看出，當(dāng)5號風(fēng)機(jī)頻率從20 Hz變化到45 Hz時：

(1) 上坡隧道的排風(fēng)段污染物濃度最大值C1減小2.5%，上坡隧道的送風(fēng)段污染物濃度最大值C2增加117.5%；下坡隧道的排風(fēng)段污染物濃度最大值C3增加1%，下坡隧道送風(fēng)段污染物濃度最大值C4增加0.7%。

(2) 上坡隧道排風(fēng)段通風(fēng)量增加2.6%，送風(fēng)段通風(fēng)量增加4.8%，下坡隧道排風(fēng)段減小0.6%，送風(fēng)段減小0.8%。

綜合分析工況1～5，打開下行隧道豎井閥門，豎井采取排風(fēng)狀態(tài)，保持橫通道風(fēng)機(jī)頻率不變，增大豎井風(fēng)機(jī)頻率時，上行隧道內(nèi)各個區(qū)段風(fēng)速均減??；下行隧道內(nèi)各個區(qū)段風(fēng)速基本保持穩(wěn)定，有緩慢減小的趨勢。

5 結(jié)論

以流體力學(xué)相似理論為基礎(chǔ)，建立了營爾嶺隧道組合通風(fēng)物理模型試驗系統(tǒng)，通過組合通風(fēng)物理模型試驗結(jié)果分析，得到以下結(jié)論：

(1) 打開上行隧道豎井閥門，豎井采取排風(fēng)狀態(tài)，保持橫通道風(fēng)機(jī)頻率不變，增大豎井風(fēng)機(jī)頻率時，上行隧道送風(fēng)段及其短道段風(fēng)速保持穩(wěn)定，排風(fēng)段風(fēng)速減小；下行隧道送風(fēng)段內(nèi)豎井到隧道出口段風(fēng)速減小，豎井到右線橫通道段風(fēng)速保持穩(wěn)定，短道段和下行隧道排風(fēng)段風(fēng)速增大，此工況利于調(diào)節(jié)下行隧道排風(fēng)段污染物濃度。

(2) 打開下行隧道豎井閥門，豎井采取排風(fēng)狀態(tài)，保持橫通道風(fēng)機(jī)頻率不變，增大豎井風(fēng)機(jī)頻率時，上行隧道內(nèi)各個區(qū)段風(fēng)速均減??；下行隧道內(nèi)各個區(qū)段風(fēng)速基本保持穩(wěn)定，有緩慢減小的趨勢。