公路隧道纵向射流通风的三维数值模拟与分析

王松任刚崔兴华石明杨杨洪海

1东华大学环境科学与工程学院

2南方风机股份有限公司

公路隧道纵向射流通风的三维数值模拟与分析

王松1任刚2崔兴华2石明杨1杨洪海1

1东华大学环境科学与工程学院

2南方风机股份有限公司

以隧道纵向射流通风基本理论为基础，采用FLUENT软件，对隧道内空气的速度场及压力场作三维数值模拟与分析。在此基础上，将模拟后得到的风机升压力值与经典理论公式计算值比较，得到射流风机综合影响系数K，并进一步分析其影响因素及变化规律。研究工作可以为进一步优化纵向射流通风设计提供参考。

公路隧道 射流通风 速度场 压力场 综合影响系数

0 引言

近年来，在公路隧道建设中，通风设施及费用所占比例与日俱增。对于隧道通风来说，较高的通风效率是良好经济效益的保证，合理的气流组织是良好环境效益的体现。因此，合理经济地采用公路隧道通风方案，对现代隧道通风技术有着重要的意义。隧道纵向通风无需通风管道，从而也无需增大隧道断面，被称为经济节能型通风方式[1]。本文以某公路隧道纵向射流通风为例，运用Fluent软件研究了隧道内空气的速度场、压力场，并在此基础上分析研究了射流风机综合影响系数K的影响因素及变化规律，希望能为公路隧道的纵向通风设计和优化提供参考。

1 模拟条件及计算方法

1.1 物理模型

以某隧道的实际尺寸为依据，截取隧道长度300m作为计算模型，如图1所示。隧道高7.5m，横断面积及周长分别为68.8m2及31.57m，隧道当量直径8.7m。在距离隧道入口150m处布置2台射流风机，风机长0.7m，直径0.112m，安装位置如图2所示[2]。

图1 隧道射流风机计算模型

图2 隧道横断面图

1.2 边界条件

由于隧道空间较大，网格数较多，且射流风机尺寸相对于隧道空间很小，因此模型按非结构网格划分，并对网格进行自适应加密。应用FLUEN软件[3～4]，选取RNG k-ε两方程紊流模型，速度-压力耦合采用SIMPLE算法。

计算边界类型及条件设置如下：①隧道底部和上部设为壁面边界条件，并根据实际的粗糙度给定相应的壁面函数中的参数[5]；②隧道入口设为等速边界条件，速度值为隧道入口风速Ve；③隧道出口设为压力边界条件，压力与当地大气压相等；④风机壁面设为固体壁面条件，摩擦阻力系数设为0；⑤风机入口设为定流量边界条件，其数值为所选用风机的风量；⑥风机出口设为等速边界条件，速度值为射流风机的出口速度Vj。

2 计算结果及分析

在隧道入口风速为4m/s，射流风机出口风速为35m/s工况下，选取y=3.4m，z=1.0m（如图2所示A-A及B-B）截面，计算分析隧道内速度场；通过其中一台风机中心，沿隧道纵向方向，计算分析压力场。在此基础上，计算风机综合影响系数K，并分析其影响因素及变化规律。

2.1 速度场分析

如图3所示为隧道内沿风机轴向水平面（A-A截面）与铅锤面（B-B截面）速度分布云图。结果表明：1）风机对上游处的空气流速影响较小，只在风机入口3～4m处，流速增加；风机出口处的流速增加明显，影响距离较长，约有100m左右；2）气流在风机入口处大量涌入，有小部分气流不通过风机，在风机出口段与高速气流掺混形成新的气流。这种卷吸作用，使射流范围扩展，流量增加，速度减小，压力上升，形成射流发展过程；3）隧道内水平面的风速呈均匀对称分布，风机出口的高风速沿射流方向迅速下降；4）在风机安装处的下方区域，空气流速较低，速度分布比较均匀，存在回流现象。

图3 隧道内沿风机轴向水平面与铅锤面速度分布云图

2.2 压力场分析

如图4、图5所示分别为隧道内的静压图与动压图。结果表明：1）在隧道入口至风机吸入口（3～4m外），射流风机增压效果不明显，隧道内静压略有下降，动压几乎不变；2）在距风机入口3～4m处，静压急剧下降；3）在距风机出口50m范围内，压力有较大提升。其中，静压连续升高，动压跃升到最高值，然后迅速下降；4）在距风机出口50m后，静压与动压的变化均趋缓，并于100m后趋于稳定。

图4 过一台风机中心线沿轴线方向静压图

图5 过一台风机中心线沿轴线方向动压图

2.3 综合影响系数K及影响因素分析

本次模拟计算只考虑隧道壁面由于粗糙度而带来的沿程损失△P，忽略隧道入口和出口的局部损失，则隧道中压力变化只与隧道入口静压P1、隧道沿程阻力损失△P以及射流风机升压力Pj三个因素有关，因此，可通过式（1）计算得到射流风机升压力的模拟计算值。

通过式（2）计算得到射流风机升压力的经典理论公式计算值[6]。

式中：Aj为射流风机的出口面积，m2；Ae为隧道横截面积，m2；Ve为隧道入口风速，m/s；Vj为射流风机的出口风速，m/s；i为每一处设置射流风机的台数。

将风机升压力的模拟计算值与经典理论公式计算值进行比较，通过式（3）计算得到风机调压的综合影响系数K，该系数是评价射流风机性能发挥好坏的重要指标。

计算结果见图6、图7，可以看出：1）综合影响系数K的范围在0.81～0.95之间，小于1，说明模拟计算值小于经典理论公式计算值，这是由于模拟计算过程更接近实际情况，考虑了风机射流导致气流之间的剧烈碰撞和掺混，以及存在不同程度的涡流等必然导致射流能量损失的因素；2）当Vj一定时，随着Ve的增加，综合影响系数K变小，Vj越大，综合影响系数K的下降幅度越大；3）当Ve一定时，随着Vj的增加，综合影响系数K变大，Ve越大，综合影响系数K的上升幅度越小。

图6 Ve-K关系曲线

图7 Vj-K关系曲线

3 结论

本文运用Fluent软件，对某公路隧道纵向射流通风进行了数值模拟研究，并在此基础上，分析研究了射流风机调压能力的影响因素及变化规律。结果表明：

1）风机射流出口附近呈一定的自由射流属性，沿射程方向边界不断扩大、轴心速度逐渐衰减。

2）射流风机的主射流区范围可达到100m。其中风机的推动力主要集中在其出口处50m范围，距离风机出口50～100m范围为压力通风段。

3）隧道入口风速Ve和射流风机出口风速Vj都对风机的调压能力有影响。适当降低Ve，或适当增大Vj，有利于充分发挥射流风机的性能。

[1]王晓雯,蒋树屏.公路长隧道纵向组合通风计算方法及应用[J].中国公路学报,1996,9(3):62-71

[2]李景银.公路隧道射流风机设计和选型综述[J].公路,2004,3(3): 141-144

[3]温正,石良辰,任毅如.流体计算应用教程[M].北京:清华大学出版社,2009

[4]江帆,黄鹏.FLUENT高级应用与实例分析[M].北京:清华大学出版社,2008

[5]Schlichting Hermann.Boundary Layer Theory[M].New York: Mcgraw-hill Book Company,1968

[6]交通部.公路隧道通风照明技术规范(JTJ026.1-1999).北京:人民交通出版社,1999

[7]张林.公路隧道射流通风数值模拟与风机安装参数优化[D].重庆:重庆交通大学,2009

The Num e ric a l Sim ula tion a nd Ana lys is of Roa d Tunne l Longitudina l Ve ntila tion

WANG Song1,REN Gang2,CUI Xing-hua2,SHI Ming-yang1,YANG Hong-hai1
1 School of Environmental Science and Engineering,Donghua University
2 Nanfang Ventilator Co.,Ltd.

Based on the basic theory of tunnel longitudinal jet ventilation,by the mean of FLUENT software,simulated the air distribution of tunnel longitudinal ventilation with jet fan in a three-dimensional model,and analyzed the velocity field and the pressure field of the tunnel.On this basis,get the changing discipline of comprehensive influence coefficient K influenced by the air velocity in the tunnel and the outflow velocity of the jet fan by means of comparing with the theoretical calculation results.In order to optimize the design of Longitudinal jet ventilation for reference.

road tunnel,efflux ventilation,velocity field,pressure field,comprehensive influence coefficient

1003-0344（2015）02-046-3

2013-10-29

杨洪海（1968～），女，博士，副教授；上海市松江区人民北路2999号东华大学环境科学与工程学院3163室（201620）；E-mail:yhh@dhu.edu.cn