地下近鄰平行精密恒溫隧道間傳熱的模擬研究*

何 玲 霍鏡濤 朱學(xué)錦 朱 喆 葉 蔚△ 張 旭

(1.同濟大學(xué),上海;2.上海建筑設(shè)計研究院有限公司,上海)

0 引言

為減少地面溫濕度變化、太陽輻射、振動等環(huán)境因素對科學(xué)實驗的干擾,以北京正負電子對撞機、江門中微子實驗站等為代表的國家大科學(xué)裝置常設(shè)計于地下。借助地下相對穩(wěn)定、無強熱擾的“室外”環(huán)境,這類特殊地下空間通過加裝恒溫恒濕空調(diào)以確?！笆覂?nèi)”滿足精密恒溫的要求。與常規(guī)地下恒溫室不同,上海某在建大科學(xué)工程內(nèi)含有3條近鄰平行精密恒溫隧道,隧道頂位于地下38 m。當3條隧道中的1條或1條以上隧道長期運行時,相鄰隧道互相成為恒溫空調(diào)的熱擾,影響程度需進一步研究。

本質(zhì)上,相鄰恒溫空間會通過隧道圍護結(jié)構(gòu)和周圍土壤進行熱量傳遞。Zhang等人發(fā)現(xiàn)隧道內(nèi)部空間溫度除了受內(nèi)部熱源影響外,圍護結(jié)構(gòu)和土壤的傳熱也起著重要作用,熱量的傳遞與土壤及隧道圍護結(jié)構(gòu)的特性有關(guān)[1]。胡政等人通過實際隧道巖體探測,結(jié)合地溫?zé)崃總鬟f理論,對隧道與周圍土壤的熱量傳遞進行了理論預(yù)測分析[2]。Song等人對土壤溫度場和隧道壁溫隨時間的演變進行了分析,求解熱平衡方程,提供了快速確定土壤蓄熱能力的方法[3]。此外,不同土壤的熱物性參數(shù)會影響恒溫空間的傳熱性能和溫度分布,很多學(xué)者也對此展開了研究[4-5]。

通常認為埋深大于12 m的地下建筑為深埋地下建筑。針對深埋地下建筑,學(xué)者們發(fā)現(xiàn)長通道式深埋地下建筑圍護結(jié)構(gòu)沿長度方向上的傳熱過程幾乎可忽略[6];周期性內(nèi)熱源作用下,巖壁1個月后傳熱進入穩(wěn)定期[7]。就研究方式而言,Zeng等人通過縮尺實驗研究了對流傳導(dǎo)與隧道入口低溫氣流的耦合效應(yīng)[8];Liu等人通過建立計算模型并結(jié)合現(xiàn)場實測,得出了隧道內(nèi)含軸向坐標和時間的復(fù)雜邊界條件[9];王開運等人采用數(shù)值模擬研究了保溫層厚度對圍巖溫度的影響[10];王麗慧等人結(jié)合縮尺實驗和模擬,探究了土壤的蓄熱規(guī)律[11]。

對于地下空間和土壤傳熱的研究已有很多,但是針對地下多空間、多熱源之間相互影響的研究卻不多。本文針對某大科學(xué)實際工程存在的3條平行隧道,采用數(shù)值模擬方法,對地下隧道圍護結(jié)構(gòu)的傳熱過程及不同運行工況下隧道圍護結(jié)構(gòu)傳熱的影響進行研究。本研究可為地下空間多熱源的傳熱影響研究提供參考。

1 工程概況

本文研究對象為某大科學(xué)工程,含有3條隧道,隧道頂位于地下38 m,由文獻[12]可知,此處土壤處于恒溫層,年平均溫度約為18 ℃。隧道內(nèi)左右兩側(cè)存在發(fā)熱電纜,熱量傳遞到隧道內(nèi)的空氣中,且隧道內(nèi)空氣溫度約為25 ℃,高于土壤溫度,因此隧道會通過圍護結(jié)構(gòu)向周圍土壤散熱。對于該工程而言,3條隧道之間相距僅4 m,不但存在隧道與土壤的傳熱,還存在隧道之間的相互影響。

2 模型建立

2.1 模型簡介

為了研究隧道圍護結(jié)構(gòu)的傳熱及3條隧道的相互影響,建立如圖1、2所示的2個模型。模型1僅含有1條隧道,模型2有3條隧道,將模型2中3條隧道分別命名為L、M、R。模型包括隧道、隧道外混凝土結(jié)構(gòu)和土壤層三部分。根據(jù)文獻[12],土壤層為灰色砂質(zhì)粉土和粉砂。

圖1 隧道模型1示意圖

圖2 隧道模型2示意圖

隧道的直徑為5.9 m,混凝土結(jié)構(gòu)外徑為6.6 m,隧道之間最短距離為4 m,模型厚度為1 m。由于本文的研究對象為隧道圍護結(jié)構(gòu)與土壤層的傳熱,故隧道內(nèi)部簡化其他部分,僅有發(fā)熱電纜。電纜發(fā)熱簡化為面熱源,發(fā)熱量為35.25 W/m2;隧道內(nèi)縱向風(fēng)速約為0.42 m/s,空氣溫度約為25 ℃。

模型采用ICEM進行網(wǎng)格劃分,通過網(wǎng)格獨立性驗證后,最終選取的網(wǎng)格總數(shù)為1 169 564,土壤區(qū)域采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,隧道區(qū)域和混凝土結(jié)構(gòu)采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,且對混凝土區(qū)域網(wǎng)格進行加密處理。計算求解采用分離式求解器,壓力速度耦合采用SIMPLE算法,采用二階迎風(fēng)格式離散、RealizableK-ε模型,隧道內(nèi)壁采用對流邊界。

2.2 模擬工況簡介

為比較不同隧道運行模式下圍護結(jié)構(gòu)傳熱過程的差異,設(shè)置如表1所示工況。

表1 模擬工況

對于高精度溫控隧道而言,圍護結(jié)構(gòu)單位面積傳熱量越小,隧道內(nèi)溫度精度要求越容易實現(xiàn)。因此,分別對上述幾個工況進行模擬計算,比較不同工況下隧道外混凝土圍護結(jié)構(gòu)與土壤的熱流密度。

3 結(jié)果分析

3.1 工況0(單隧道運行)

為了研究圍護結(jié)構(gòu)傳熱過程和比較隧道間傳熱影響,單設(shè)1組空白對照組。不同運行時間隧道及土壤的溫度場分布如圖3所示。

圖3 工況0不同運行時間土壤溫度分布

由圖3可以看出:整體而言,隨著時間增長,隧道的發(fā)熱影響范圍變大;剛開始運行時,隧道與周圍土壤的溫差很大,隨著時間的增長,溫差和溫度梯度都減小;當僅有1條隧道時,土壤初始溫度一致且物理性質(zhì)不變,各向同性,故土壤中熱量沿各個方向的擴散速率基本相等,等溫線為圓形。

表2給出了不同運行時間工況0隧道圍護結(jié)構(gòu)的平均熱流密度?？梢钥闯?在開始運行的第1個月內(nèi),平均熱流密度急劇減小,減小了92.45%;而后趨于平緩,維持一個較低的水平。

表2 工況0不同運行時間隧道圍護結(jié)構(gòu)平均熱流密度

3.2 工況1(M隧道單獨運行10年)

圖4為M隧道不同運行時間隧道及土壤溫度分布云圖。

圖4 工況1不同運行時間隧道及土壤溫度分布

由圖4可以看出:隨著時間的增長,隧道的發(fā)熱影響范圍變大;同工況0,剛開始運行時,隧道與周圍土壤的溫度梯度很大,而時間越長,溫度梯度越小;兩側(cè)的空置隧道會對熱量擴散造成影響,在豎直方向上,傳熱幾乎相等,而水平方向上,受兩側(cè)隧道的影響,隧道間的溫度梯度更大;土壤等溫線表現(xiàn)為扁平的近橢圓形。

表3給出了不同運行時間M隧道圍護結(jié)構(gòu)的平均熱流密度?？梢钥闯?在M隧道開始運行的1個月內(nèi),熱流密度就降低了92.6%,從第1個月到第6個月,熱流密度減小了約1.75 W/m2,而后的每一年,圍護結(jié)構(gòu)單位面積的傳熱量越來越低;在初始運行時間段,溫度梯度最大,平均熱流密度最大。

表3 工況1不同運行時間M隧道圍護結(jié)構(gòu)平均熱流密度

同時,結(jié)合模型1空白對照組可發(fā)現(xiàn):首先,土壤中僅1條隧道運行和M隧道單獨運行,圍護結(jié)構(gòu)熱流密度變化規(guī)律一致,均在開始使用的第1個月內(nèi)急劇減小,而后趨于平緩;其次,對比工況0和工況1的熱流密度數(shù)據(jù),兩者變化基本一致,隨著運行時間的增長,兩者之間的偏差雖會增大,但是差值仍很小。

因此,對于研究結(jié)果作出推測,研究的3條隧道在地下土壤中平行存在,當只有1條隧道運行時,其圍護結(jié)構(gòu)傳熱過程可簡化為單條隧道圍護結(jié)構(gòu)的傳熱過程。

3.3 工況2(M隧道單獨使用10年后L、R隧道開始使用)

圖5為工況2不同運行時間隧道及土壤溫度分布云圖。

圖5 工況2不同運行時間隧道及土壤溫度分布

由圖5可以看出:M隧道使用10年后開始使用L、R隧道,相當于在原有溫度場的基礎(chǔ)上,左右兩邊各增加了新的穩(wěn)定熱源,隨著時間的增長,溫度梯度逐漸減小,土壤中等溫線逐漸形成橢圓形;此外,新熱源增加也會影響原來隧道M的溫度分布和熱量擴散,M隧道水平方向溫度梯度減小,熱量擴散速率大大減小,而豎直方向上熱量擴散速率增大。

圖6顯示了開始使用兩側(cè)隧道后,M隧道周圍混凝土圍護結(jié)構(gòu)熱流密度隨時間的變化,虛線對應(yīng)的時間為10年后L和R開始運行的時間?？梢钥闯?當開始使用左右兩側(cè)隧道后,M隧道的圍護結(jié)構(gòu)單位面積傳熱量迅速減小,而后逐漸趨于平穩(wěn);兩側(cè)隧道的運行對M隧道產(chǎn)生了影響,使得M隧道由圍護結(jié)構(gòu)向周圍土壤傳熱的熱流密度減小。

圖6 M隧道運行10年后圍護結(jié)構(gòu)熱流密度的變化

表4給出了不同運行時間L、R隧道圍護結(jié)構(gòu)的平均熱流密度。

表4 工況2不同運行時間L、R隧道圍護結(jié)構(gòu)的平均熱流密度

2條新增運行隧道熱流密度隨時間的變化趨勢與M隧道單獨開始運行時一致,但數(shù)值上,L、R運行后的平均熱流密度遠小于M單獨開始運行時的熱流密度。由于兩側(cè)隧道開始運行時,中間的隧道已經(jīng)運行了10年,周圍土壤的溫度已經(jīng)升高,故兩側(cè)隧道圍護結(jié)構(gòu)的熱流密度要小很多。

3.4 工況3(M、R隧道同時開始運行)

圖7為當M、R 2條距離較近的隧道同時運行時不同運行時間隧道及土壤溫度分布云圖。

圖7 工況3不同運行時間隧道及土壤溫度分布

當M、R隧道同時運行時,由于它們相距較近,圍護結(jié)構(gòu)的傳熱會互相影響。與1條隧道單獨運行相比,2條隧道同時運行時,中間的土壤溫升很快。此外,由于左側(cè)空隧道的影響,熱量在兩側(cè)的傳播速率不同,土壤中等溫線為類橢圓形。

表5給出了不同運行時間M和R隧道圍護結(jié)構(gòu)的平均熱流密度。

表5 M、R隧道圍護結(jié)構(gòu)不同運行時間的平均熱流密度

同時開始運行2條隧道時,圍護結(jié)構(gòu)傳熱變化規(guī)律與1條隧道基本一致。但數(shù)值上,與僅運行M隧道相比,運行2條隧道的圍護結(jié)構(gòu)熱流密度衰減速率更快。由于2條隧道圍護結(jié)構(gòu)傳熱過程的疊加效應(yīng)和相互影響,2條隧道附近的土壤溫升比單獨1條隧道大,故隧道圍護結(jié)構(gòu)的熱流密度也更小。

3.5 工況4(L、R隧道同時開始運行)

圖8為2條相距較遠的隧道L和R同時運行時不同運行時間隧道及土壤溫度分布云圖。

圖8 工況4不同運行時間隧道及土壤溫度分布

從圖8可以看出:由于L、R隧道相距較遠,相較工況3來說,L、R隧道的傳熱過程要經(jīng)過較長時間才能互相影響;剛開始運行時類似僅1條隧道運行的情況,隨著時間的增長,等溫線分布近似于啞鈴狀。

表6給出了不同運行時間L、R隧道圍護結(jié)構(gòu)的平均熱流密度。

表6 L、R隧道圍護結(jié)構(gòu)不同運行時間的平均熱流密度

L、R隧道同時開始運行時,圍護結(jié)構(gòu)傳熱變化趨勢與其他工況基本一致。與工況3相比,工況4中2條隧道的圍護結(jié)構(gòu)熱流密度較大,原因是2條隧道相距較遠,隧道之間圍護結(jié)構(gòu)傳熱影響較小。即2條隧道距離越遠,隨著時間的增長,隧道的平均熱流密度受彼此影響程度越小。

3.6 工況5(3條隧道同時開始運行)

圖9為3條隧道同時運行時不同時間隧道及土壤溫度分布云圖。

圖9 工況5不同運行時間隧道及土壤溫度分布

由圖9可以看出:當3條隧道同時開始運行時,土壤的溫升很快,傳熱過程也很快互相影響;隨著時間的增長,土壤中等溫線表現(xiàn)為類橢圓形。

表7給出了不同運行時間3條隧道圍護結(jié)構(gòu)的平均熱流密度。

表7 3條隧道同時運行圍護結(jié)構(gòu)不同運行時間的平均熱流密度

當3條隧道同時運行時,隧道圍護結(jié)構(gòu)的傳熱變化趨勢也與其他工況相似。數(shù)值上,M隧道同時受到左右兩側(cè)隧道的影響,隨著時間的增長,M隧道的圍護結(jié)構(gòu)熱流密度比兩側(cè)的小。

3.7 小結(jié)

各運行模式下熱流密度變化趨勢的比較如圖10所示。圖中紅色虛線為6個月運行時間的分界線。

圖10 各運行模式熱流密度隨時間的變化

由圖10可以看出:不同運行模式下,熱流密度在6個月后出現(xiàn)明顯差異;隧道運行數(shù)量越多、距離越近,相互影響就越大,此時熱流密度也越小,如M隧道在3條隧道同時運行時,受兩邊隧道的影響,熱流密度最小,而在單獨運行時熱流密度最大。

4 結(jié)論

本文采用數(shù)值模擬方法,對某大科學(xué)裝置的地下3條近鄰隧道運行時的隧道間傳熱進行了研究,比較了不同運行工況下隧道圍護結(jié)構(gòu)熱流密度和周圍土壤溫度分布,得出以下結(jié)論:

1) 僅中間隧道使用時,圍護結(jié)構(gòu)熱流密度在開始的1個月內(nèi)下降速度最快,而隨著時間的增長逐漸變小。實際隧道運行過程中可在初始時間段對隧道進行通風(fēng)處理,防止初始時間段的不穩(wěn)定。

2) 兩側(cè)空隧道對中間隧道圍護結(jié)構(gòu)傳熱的影響較小。當中間隧道運行后再開始運行另外2條隧道,因土壤溫度的升高,兩側(cè)隧道開始運行時的熱流密度僅為中間隧道不運行時的28%;且兩側(cè)隧道運行后,中間隧道圍護結(jié)構(gòu)熱流密度也會衰減。

3) 當同時運行2條或3條隧道時,各隧道的圍護結(jié)構(gòu)傳熱過程基本一致。隧道運行數(shù)量越多、距離越近,相互影響就越大,圍護結(jié)構(gòu)熱流密度也越小;僅運行1條隧道的工況下,圍護結(jié)構(gòu)熱流密度最大。

4) 各運行模式均在初始第1個月內(nèi)熱流密度下降最快,可下降90%以上。不同運行模式下,熱流密度在6個月后出現(xiàn)明顯差異,最大值是最小值的115%;而10年后差異可達到268%。