豎井風(fēng)塔外結(jié)構(gòu)優(yōu)化及阻力特性研究

陳 嘉 王 文 孫三祥

（1.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 渭南 714000；2.蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院 蘭州 730070）

0 前言

隧道施工、運(yùn)營通風(fēng)中，有效地利用豎井自然通風(fēng)來輔助隧道本身的機(jī)械通風(fēng)，可以提高通風(fēng)效果，節(jié)約能耗[1,2]。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)隧道通風(fēng)研究做了大量理論和試驗(yàn)研究。張恒等[3]以錦州地下儲(chǔ)油洞庫群和官田隧道的施工通風(fēng)為依托，采用理論分析、數(shù)值模擬及現(xiàn)場測試對(duì)豎井自然通風(fēng)效應(yīng)的影響參數(shù)進(jìn)行了研究。Chuangang F 等[4]采用大渦模擬方法研究了強(qiáng)環(huán)境風(fēng)對(duì)自然通風(fēng)條件下隧道火災(zāi)的影響及豎井內(nèi)“煙囪效應(yīng)”煙氣運(yùn)動(dòng)規(guī)律。張亞琴等[5]以誘導(dǎo)通風(fēng)量及熱水換熱溫差為試驗(yàn)指標(biāo)，選取豎井高度、豎井通道直徑、入口水溫及水流量作為四個(gè)試驗(yàn)因素，研究豎井通風(fēng)系統(tǒng)中關(guān)鍵參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響程度，通過極差分析方法對(duì)各試驗(yàn)因素的影響程度進(jìn)行了正交試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)。朱培根等[6]采用CFD 方法，對(duì)25 種豎井送排風(fēng)組合進(jìn)行了模擬，分析了不同送排風(fēng)組合隧道內(nèi)的通風(fēng)效果。姜童輝等[7]通過開展小尺寸實(shí)驗(yàn)以及FDS 數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)，研究縱向通風(fēng)對(duì)不同高度豎井的排煙影響并確定最佳通風(fēng)風(fēng)速。通過分析縱向通風(fēng)風(fēng)速、豎井高度對(duì)吸穿現(xiàn)象、邊界層分離的影響規(guī)律，討論了吸穿現(xiàn)象的臨界條件。Fan 等[8]通過大渦模擬（LES）研究了豎井上方環(huán)境風(fēng)對(duì)隧道自然通風(fēng)效果的影響，通過系統(tǒng)地改變豎井上方的環(huán)境風(fēng)速和隧道縱向風(fēng)速，對(duì)煙氣運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行了詳細(xì)研究。王文[9,10]等采用FLUENT 軟件，分析了隧道豎井位于隧道縱向不同位置時(shí)隧道內(nèi)風(fēng)速及流場分布規(guī)律，根據(jù)豎井風(fēng)塔在不同結(jié)構(gòu)工況下的出量及流場分布對(duì)豎井結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。對(duì)于隧道豎井通風(fēng)方面的研究主要集中于豎井自然通風(fēng)及排煙領(lǐng)域，同時(shí)對(duì)豎井直徑、高度、設(shè)置位置等也有較多研究，但對(duì)于豎井出口外結(jié)構(gòu)流場及其與豎井出流關(guān)系的研究較少。

研究依托于當(dāng)金山隧道工程實(shí)際，對(duì)豎井結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，采用數(shù)值模擬軟件Fluent，選用RNGk-ε湍流模型，對(duì)不同豎井結(jié)構(gòu)下的通風(fēng)效果進(jìn)行模擬研究，分析不同風(fēng)塔外結(jié)構(gòu)下隧道豎井外部流場分布及阻力特性關(guān)系，提出一種最為合理的豎井風(fēng)塔外結(jié)構(gòu)模型，為隧道通風(fēng)及節(jié)能提供參考依據(jù)。

1 模型建立

當(dāng)金山隧道全長20.14km（隧道進(jìn)口高程為2864.83，出口高程為3107.00），隧道通過區(qū)海拔在2600-4000m 左右。隧道除進(jìn)口段470m 為雙線車站隧道，其余洞身為單線隧道。全隧道除出口段224.18m 位于R-1600m 的曲線上外其余均位于直線上，隧道洞身坡度依次為6‰/570m、12.3‰/19200m、7‰/370m 的單面上坡。隧道建設(shè)初期為縮短高海拔獨(dú)頭施工通風(fēng)距離，隧道中部設(shè)置了2座通風(fēng)豎井，豎井采用圓形斷面外徑為3.0m，運(yùn)營期間1 號(hào)豎井封閉，2 號(hào)豎井作為永久的防災(zāi)救援風(fēng)道使用。由于環(huán)境風(fēng)速對(duì)豎井風(fēng)塔出流有很大的影響，故研究主要針對(duì)不同豎井外型結(jié)構(gòu)在不同環(huán)境風(fēng)速下出流量及流場分布規(guī)律。隧道主體建筑如圖1所示。

圖1 隧道主體建筑示意圖Fig.1 Main building diagram of tunnel

1.1 物理模型

采用CFD軟件分別對(duì)無豎井風(fēng)塔、圓柱風(fēng)塔、矩形風(fēng)塔和凸臺(tái)狀風(fēng)塔進(jìn)行簡化建模，底座h=0.2m，風(fēng)塔高H=2m，最薄壁面厚度δ=0.2m。豎井內(nèi)斷面為圓形斷面，外徑R=1.5m。計(jì)算區(qū)域（長×寬×高）50×40×20 m。風(fēng)塔結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 風(fēng)塔幾何結(jié)構(gòu)Fig.2 Tower geometry

1.2 數(shù)學(xué)模型

采用基于Navier—Stokes 方程的風(fēng)流模型，選取RNGk-ε湍流模型使方程組封閉。隧道豎井及外環(huán)境空氣湍流流動(dòng)與氣體擴(kuò)散用到的控制方程有質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程、湍流動(dòng)能k方程、湍流動(dòng)能耗散率ε方程。

連續(xù)性方程：

動(dòng)量守恒方程：

湍流脈動(dòng)動(dòng)能k方程：

湍流動(dòng)能耗散ε方程：

由湍動(dòng)能k和耗散率ε共同決定了湍流密度μt：

式中，ui為速度分量，m/s；ρ為流體密度，kg/m3；G表示由于平均速度梯度而產(chǎn)生的湍動(dòng)能；μ為層流動(dòng)力黏性系數(shù)，Pa·s；μt為紊流動(dòng)力黏性系數(shù)，Pa·s；σk和σε分別對(duì)應(yīng)湍動(dòng)能k與湍流耗散率ε的Prandtl 數(shù)，c1、c2與cμ為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。最終選擇c1、c2、cμ、σk、σε的值為：c1=1.44，c2=1.92，cμ=0.09，σk=1.0，σε=1.3。

1.3 邊界條件

（1）入口邊界：豎井底部為壓力入口P=10Pa，環(huán)境風(fēng)入口為壓力入口，對(duì)應(yīng)風(fēng)速環(huán)境風(fēng)速：ve=1、2、3、5、7、9m·s-1。

（2）出口邊界：環(huán)境風(fēng)出口邊界為壓力出口P=0Pa。

（3）壁面邊界：地面為無滑移恒溫邊界，溫度T=298K，其余邊界設(shè)置為對(duì)稱邊界。

主要模擬工況設(shè)置如表1所示。

表1 主要模擬工況設(shè)置Table 1 Settings of main simulated working condition

2 模擬方式選取

2.1 數(shù)值算法

速度場模擬選取RNGk-ε湍流模型，流場迭代采用SIMPLE 算法，壓力場采用標(biāo)準(zhǔn)方式離散，其他參數(shù)采用二階迎風(fēng)格式離散。利用網(wǎng)格劃分軟件，采用六面體和四面體網(wǎng)格結(jié)構(gòu)對(duì)模型計(jì)算區(qū)域進(jìn)行分區(qū)網(wǎng)格劃分，對(duì)豎井出流口附近區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密。并已進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性檢驗(yàn)，確保網(wǎng)格數(shù)量對(duì)模擬結(jié)果無影響。

2.2 結(jié)果驗(yàn)證

為確保模擬方式選取、參數(shù)設(shè)置及模擬結(jié)果的正確性，選取相近研究模型進(jìn)行模擬，并將模擬與文獻(xiàn)測量壓力系數(shù)Cp值作對(duì)比分析，壓力系數(shù)按Cp=(P-P0)/(0.5ρU20)計(jì)算，其中P為內(nèi)表面平均靜壓 力，P0為 參 考 值 靜 壓，ρ為 空 氣 密 度（ρ=1.225kg·m-3），U0為自由流速度。對(duì)比結(jié)果如圖3所示[10]。

圖3 模擬驗(yàn)證Fig.3 Simulation Verification

由圖3 可以看出，CFD 模擬值與文獻(xiàn)值契合度較好，文獻(xiàn)測量值與模擬值最大絕對(duì)偏差約為7%。對(duì)于本文的研究，選用相似模擬設(shè)置進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果可靠。

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 外環(huán)境風(fēng)速對(duì)流場的影響

以圓柱狀風(fēng)塔為例，截取距地高h(yuǎn)=1m 截面對(duì)不同外環(huán)境風(fēng)速下的速度場做分析，如圖4所示。

圖4 速度分布云圖Fig.4 Velocity distribution

由圖4 可以看出，風(fēng)塔其后側(cè)速度都較低，且后側(cè)范圍影響遠(yuǎn)大于前側(cè)。在風(fēng)塔兩側(cè)由于繞流作用，形成了較高的繞流速度。隨著外環(huán)境風(fēng)速的不斷增大圓柱后端渦流作用區(qū)域逐漸增大，同時(shí)渦流區(qū)的擾動(dòng)也逐漸增強(qiáng)。

取y=0m、h=1m 位置作為壓力系數(shù)監(jiān)測線，監(jiān)測不同外環(huán)境風(fēng)速工況下圓柱風(fēng)塔前后壓力系數(shù)分布，結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同風(fēng)速壓力系數(shù)Fig.5 Pressure coefficient of different wind speed

由圖5 可以看出，相同風(fēng)塔結(jié)構(gòu)、不同外環(huán)境風(fēng)速工況下，風(fēng)塔來流側(cè)壓力系數(shù)差異極小。風(fēng)塔背風(fēng)側(cè)渦流區(qū)域壓力系數(shù)值小于0，且在塔后x≈7m的范圍內(nèi)呈遞增關(guān)系，x≈7m 后范圍壓力系數(shù)維持恒定。隨著環(huán)境風(fēng)速的增大，壓力系數(shù)逐漸增大，但環(huán)境系數(shù)最大突變區(qū)域集中在環(huán)境風(fēng)速ve=3～5m·s-1范圍之內(nèi)。表明在風(fēng)速大于5m·s-1后，隨外環(huán)境風(fēng)速增大，風(fēng)塔后側(cè)對(duì)豎井出流的積極作用逐漸減弱。

3.2 風(fēng)塔結(jié)構(gòu)對(duì)流場的影響

以外環(huán)境風(fēng)速ve=5m·s-1為例，截取y=0 截面不同豎井風(fēng)塔外結(jié)構(gòu)下豎井風(fēng)塔附近壓力分布云圖，分析不同豎井風(fēng)塔外結(jié)構(gòu)對(duì)豎井出流的影響，如圖6所示。

圖6 不同風(fēng)塔結(jié)構(gòu)壓力分布Fig.6 Pressure distribution of different tower structures

由圖6 可以看出，隨著風(fēng)塔結(jié)構(gòu)的不斷優(yōu)化，豎井出口段動(dòng)壓力逐漸增大，表明豎井出流速度逐漸增大。風(fēng)塔來流側(cè)動(dòng)壓為0 的區(qū)域隨著結(jié)構(gòu)優(yōu)化逐漸減小，風(fēng)塔背風(fēng)側(cè)動(dòng)壓為0 的區(qū)域呈逐漸增大趨勢，矩形風(fēng)塔與凸臺(tái)風(fēng)塔背風(fēng)側(cè)壓力分布較為相似。

以外環(huán)境風(fēng)速ve=5m·s-1為例，截取不同風(fēng)塔結(jié)構(gòu)h=1m 截面速度分布云圖分析其差異，如圖7所示。

圖7 不同風(fēng)塔結(jié)構(gòu)速度分布Fig.7 Velocity distribution of different tower structures

由圖7 可以看出，在外環(huán)境風(fēng)速ve=5m·s-1工況下，隨著風(fēng)塔外結(jié)構(gòu)截面積的不斷增大，其渦流影響區(qū)域也逐漸增大。圓柱風(fēng)塔后端在該界面沒有出現(xiàn)明顯的回流現(xiàn)象，矩形風(fēng)塔后端最大回流速度約為0.5m·s-1，凸臺(tái)風(fēng)塔后端最大回流速度約為1.5m·s-1。圓柱風(fēng)塔兩側(cè)影響區(qū)域最小，凸臺(tái)狀風(fēng)塔外結(jié)構(gòu)兩側(cè)影響區(qū)域較矩形狀風(fēng)塔小。

以外環(huán)境風(fēng)速ve=5m·s-1為例，取y=0m、h=1m作為壓力系數(shù)監(jiān)測線，監(jiān)測結(jié)果如圖8所示。

圖8 不同風(fēng)塔結(jié)構(gòu)壓力系數(shù)Fig.8 Pressure coefficient of different tower structures

由圖8 可以看出，風(fēng)塔外結(jié)構(gòu)來流側(cè)壓力系數(shù)凸臺(tái)狀風(fēng)塔最大、矩形風(fēng)塔次之、圓柱風(fēng)塔最小，背風(fēng)側(cè)壓力系數(shù)凸臺(tái)狀風(fēng)塔最小、矩形風(fēng)塔次之、圓柱風(fēng)塔最大。豎井出口壓力主要受來流受建筑物前端阻礙所形成的正壓、建筑物后端由于渦流形成的負(fù)壓所影響及豎井內(nèi)部壓力共同作用所決定。由此可知，隧道豎井內(nèi)部壓力變化較小，豎井出口壓力主要由建筑物前后端的正、負(fù)壓所決定。建筑物前端形成的正壓能有效減小來流對(duì)豎井出口的封堵作用，降低豎井出口處壓力。建筑物后端形成的負(fù)壓能增大豎井出流面積，同時(shí)也降低豎井出口處壓力。

4 結(jié)論

研究依托工程實(shí)際，采用CFD 方法對(duì)不同豎井結(jié)構(gòu)下的通風(fēng)效果進(jìn)行模擬研究，分析不同風(fēng)塔外結(jié)構(gòu)下隧道豎井外部流場分布及阻力特性關(guān)系，主要結(jié)論如下：

（1）隧道豎井不設(shè)出口結(jié)構(gòu)時(shí)，外界環(huán)境風(fēng)豎井有效出流面積減小，豎井出流量降低。豎井采用不同風(fēng)塔外結(jié)構(gòu)，環(huán)境風(fēng)流在風(fēng)塔前端形成正壓，在風(fēng)塔后端形成負(fù)壓渦流區(qū)，最大限度保留了豎井出流面積，同時(shí)增大了出流速度。

（2）常見圓柱狀風(fēng)塔背風(fēng)側(cè)渦流區(qū)域壓力系數(shù)值小于0，且在塔后x≈7m 的范圍內(nèi)呈遞增關(guān)系，x≈7m 后范圍壓力系數(shù)維持恒定。隨著環(huán)境風(fēng)速的增大，壓力系數(shù)逐漸增大，但環(huán)境系數(shù)最大突變區(qū)域集中在環(huán)境風(fēng)速ve=3～5m·s-1范圍之內(nèi)。表明在風(fēng)速大于5m·s-1后，隨外環(huán)境風(fēng)速增大，風(fēng)塔后側(cè)對(duì)豎井出流的積極作用逐漸減弱。

（3）豎井出口壓力主要由建筑物前后端的正、負(fù)壓所決定。同一環(huán)境風(fēng)速下，矩形或凸臺(tái)狀風(fēng)塔前端、后壓力值以及影響范圍最大，表明矩形或凸臺(tái)狀風(fēng)塔形成的豎井出流效果最佳。