铁路隧道射流与洞口风道组合式通风效果分析

曾艳华,周小涵,袁建刚

铁路隧道射流与洞口风道组合式通风效果分析

曾艳华1,周小涵1,袁建刚2

(1.西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室,成都 610031; 2.中国长江三峡集团公司移民工作局,成都 610031)

射流风机与洞口风道组合通风效果一直是学术界和工程界关注的关键科学问题,在长度超过5km的内燃牵引隧道中,射流风机并未有效阻止风流从洞口隧道内流出,未达到设计通风效果。采用CFD计算软件FLUENT建立三维非线性力学模型,研究洞口射流风机安装断面连接方式、轴流送风口风速、射流风机台数关键因素影响效果。射流风机安装处设置渐变过渡段后,风机吹出的风流可以平稳的进入隧道,从洞口引入新风效果明显;在同样的风量下,送风口风速不同,产生阻力也不同,对洞口端引入新风产生影响,设计中应适当降低送风口风速;在洞口设置同样的射流风机,轴流送风道送入的风量不同,洞口端隧道内风流的状态不同,当送风量大到一定程度时,将产生洞口段隧道风流流出,设计中洞口射流风机的台数应根据送风道的送风量进行调整。

铁路隧道;射流通风;洞口风道式通风;数值模拟

1 问题的提出

铁路隧道的运营通风方式分为自然通风和机械通风。在20世纪80年代以前,铁路隧道的机械通风方式主要有洞口风道式、喷嘴式、斜井式和竖井式[1]。其中采用最多是无帘幕洞口风道式,其次是洞口帘幕式。20世纪80年代末期,国内进行了铁路隧道射流通风研究,继枝柳线牙已隧道应用成功后,国内修建的铁路隧道的运营通风方式几乎全部采用了射流通风技术[2-4]。例如京九线五指山隧道、金温线石笕岭隧道、焦枝铁路新龙门双线隧道(全长2 540m)、兰新线乌鞘岭特长隧道(20 050m),采用电力牵引[5-7]。从20世纪90年代开始,我国铁路隧道运营通风进入一个射流通风的新时代。

射流通风技术可分为全射流通风和射流与洞口风道组合式纵向式通风。为防止短道漏风,在洞口集中设置射流风机可拓展洞口风道式通风的长度,这种组合通风方式最早用于枝柳线彭莫山(5 608m)隧道通风改造中,取得了良好的通风效果[8],以后相继应用于分水关隧道(7 252 m)、南山隧道(7 566 m)、荒沟隧道(6 610m)、奎先隧道(6 152m)等采用内燃机牵引的隧道中[9-12]。

尽管射流与洞口风道组合式的通风方式得到了广泛的应用,在一些隧道中,由于洞口设置的射流风机数量不足,致使洞口段隧道风流反向回流;另一些隧道中,风机距洞口的距离不足30m,甚至射流风机安装断面与隧道常规断面之间是错台衔接(图1),致使通风效果差。通过某隧道内风速实测(图2),在风道轴流风机与射流风机全开启的情况下,隧道内的风速分布见表1。

图1 某隧道短道端射流风机安装

图2 开启风机条件下洞内风速测点布置

由表1可以看出,当开启射流和轴流风机后,1号风道与2号风道轴流风机送入的风量大部分通过短道流向洞外。说明该隧道中,射流风机并未有效阻止风流从洞口隧道内流出,未达到设计通风效果。因此射流风机与洞口风道组合通风的效果是受多因素影响的。本文将采用CFD数值模拟软件FLUENT,对射流风机安装处设置过渡段、轴流送风口风速、射流风机台数对短道送风的影响进行三维数值模拟,探明其对该通风效果的影响。

表1 开启风机条件下通风测试结果m/s

2 计算模型的建立

以东北地区某铁路隧道为计算模型,隧道长约7 500 m,风道长70m。分别建立模型如图3所示。整个模型的网格采用结构化和非结构化混合网格。在风道和短道部分,由于速度和压力变化梯度大,适当加密网格,所有计算模型的网格单元在100万左右。

图3 计算模型

隧道进口设为压力边界条件,给定进口压力为大气压;隧道和风道壁面设为固体壁面边界条件,给定沿程阻力系数为0.02;射流风机设为FAN,给定风机升压力;风道进口设为速度入口边界条件,给定入口速度的标量。

3 射流风机设置过渡段对通风效果的影响

射流风机设置在距隧道进口20 m处向隧道内吹风,运用FLUENT软件模拟了射流风机安装段突变连接和平滑过渡连接处风流的流动情况,得到距隧道轨面3 m高水平面的局部风速矢量图,如图4和图5所示。

由图4可以看出,当射流风机安装段为突变连接时,风机吹出的风流碰撞挡头墙上,在洞口大断面内形成两股大涡流,阻碍洞口风流的流入;在挡头墙后的小断面内,两侧也形成了涡流,仅中部风流是往前方流动的。风机后主隧道的最大风流速度约为8 m/s,大部分风流风速为2 m/s左右,射流风机送风效果不明显。当射流风机安装段为过渡连接时,风机吹出的风流能沿着渐变过渡断面进入隧道内,仅在安装断面中间形成一小涡流(若过渡段长度增加,该小涡流将会消失),风流比较平稳;过渡段后的小断面内,风流均向前方流动;风机后主隧道的风流速度最大约为15m/s,大部分风速为4 m/s左右,射流风机送风效果较明显。

图4 突变连接y=3m平面速度矢量图(单位:m/s)

图5 过渡连接y=3 m平面速度矢量图(单位:m/s)

比较分析图4和图5,可看出设置渐变过渡段后,射流风机吹出的风流可以较平稳地进入隧道,风流损失较小,射流风机引入新风效果明显。因此,在洞口集中设置射流风机的隧道中,射流风机安装段应设渐变过渡断面连接,以达到充分利用射流风机引入风流,减小洞口段隧道漏风的目的。

4 轴流送风道风速对通风效果的影响

在相同的送风量情况下,通过改变送风口的面积,来比较不同送风口风速对通风效果的的影响。当送风量为Q=85 m3/s,送风口面积分别为10.03、32.43 m2时,对应的风速分别为8.5 m/s和2.62 m/s,模拟出高度方向y=2.5 m水平面的局部风速矢量图如图6、图7所示。

图6 小断面风道v=8.5 m/s的速度矢量图(单位:m/s)

从图6、图7可以看出,当风道口风速为8.5 m/s时,隧道射流风机引入的风流与送风口风速发生碰撞,产生了涡流,洞口隧道局部位置产生回流;当风道口的风速降低为2.62 m/s时,产生涡流明显减小,洞口端隧道回流消失,且短道端吹向隧道内的风流速度明显增大。因此,在同样的风量下,送风口风速不同,在该处产生阻力也不同,对洞口端引入风量产生影响,从而影响其通风效果,设计中应适当降低送风口风速。

图7 大断面风道v=2.62 m/s的速度矢量图(单位:m/s)

5 安装射流风机台数对通风效果的影响分析

为考察洞口端安装射流风机台数对通风效果的影响,在洞口端安装10台φ630mm射流风机,送风量分别为162、85 m3/s及65m3/s时,y=2.5 m水平面的局部风速矢量图见图8、图9。

图8 送风量为162m3/s时的速度矢量图(单位:m/s)

图9 送风量为65 m3/s时的速度矢量图(单位:m/s)

从图8、图9可以看出,同样在洞口设置10台射流风机,轴流送风道送入的风量不同,洞口端隧道风流的状态不同。当送风量为162 m3/s时,由于送风量大,洞口10台射流风机的升压力不足以抵挡风流从洞口端流出;当送风量降为85 m3/s时,仅在送风口段产生局部涡流,洞口端风流不再流出;当风量继续降低为65m3/s时,洞口端流入隧道风流非常平稳。因此,在射流通风与洞口风道组合的通风方式中,洞口射流风机的台数应根据送风道的送风量进行调整,以避免在大送风量情况下,洞口端隧道风流流出。

6 结论与建议

本文采用CFD计算软件FLUENT对影响射流与洞口风道组合式通风效果的因素进行了三维数值模拟,通过模拟分析得到以下结论。

(1)射流通风与洞口风道组合的通风方式中,射流风机安装段应设渐变过渡断面连接,以达到充分利用射流风机引入风流,减小洞口段隧道漏风的目的。

(2)在同样的风量下,送风口风速不同,产生阻力也不同,这将对短道端引入风量产生影响,从而影响其通风效果,保证该通风方式的通风效果,应根据送入风量调整送风口的面积,适当降低送风风速。

(3)在洞口设置相同的射流风机台数,轴流送风道送入的风量不同,洞口端隧道风流的状态不同,洞口射流风机的台数应根据送风道的送风量进行调整,以避免在大送风量情况下,洞口段隧道风流流出。

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Analysis on Combined Ventilation System Containing Both Jet Fan and Air Duct Used for Railway Tunnel

ZENG Yan-hua1,ZHOU Xiao-han1,YUAN Jian-gang2
(1.MOE Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China; 2.Resettlement Office,China Three Gorges Corporation,Chengdu 610031,China)

Consisting of both jet fan and portal air duct,the combined ventilation system is a critical scientific subjectwhich is focused on all the time by both academic circle and engineering circle.In an internal combustion traction tunnel of more than 5 km long,it is impossible to achieve ideal designed ventilation efficiency only by using jet fans,because the jet fans cannot effectively stop the outflow of the air current from tunnel portal.For this reason,through establishing three-dimensionalmechanicalmodel by using FLUENT software of CFD series,this paper researched the influences of critical factors, including the connection ways of jet fans installed at the portal cross-section,the wind velocity of air supply outlet of axial flow fan,and the number of jet fans.The research shows that,after setting up a transition section at the placewhere the jet fans are,the air currentblown from the jet fans can enter into the tunnel smoothly,that is to say,the fresh air can be effectively led into tunnel from the portal.On condition of the same air supply volume,the wind resistancewill change with the change ofwind velocity at the air supply outlet,which has effect on the fresh air importing from the portal,so the wind velocity should be appropriately weakened at the air supply outlet during design.On condition of the same jet fans,the situation of air currentwithin tunnel portal is differentwhen air supply volume from axial-flow air duct is different;and when the air supply volume rises up to a certain extent,the air current will outflow from the tunnel portal,so the number of jet fans at the portal should be adjusted according to the air supply volume of air duct during design.

railway tunnel;jet ventilation;ventilation by portal air-duct;numerical simulation

U453.5

A

1004-2954(2013)07-0066-04

2012-11-21;

2012-12-17

中央高校基本科研业务费专项资金资助(SWJTU11ZT33);教育部创新团队发展计划资助(IRT0955)

曾艳华(1968—),女,教授,工学博士,E-mail:zengyhua@ 163.com。