基于ANSYS的寒区隧道瞬态温度场分析

苟胜荣， 李萍萍

(杨凌职业技术学院建筑工程分院， 陕西 杨凌 712100)



基于ANSYS的寒区隧道瞬态温度场分析

苟胜荣， 李萍萍

(杨凌职业技术学院建筑工程分院， 陕西 杨凌 712100)

摘要：利用ANSYS软件对某寒区铁路隧道的瞬态温度场进行分析，得到了外界空气以一定的速度流入隧道时隧道内空气、衬砌及围岩温度场的变化情况，并且对比分析了不同的空气流通速度条件下温度场的分布情况，为寒区隧道的养护维修提供参考。

关键词：寒区隧道； 空气流速； 围岩； 瞬态温度场

0引言

寒区隧道贯通之后，随着外界空气对隧道内环境的影响，隧道内热环境将会日益恶化，导致隧道周围岩体温度升高，破坏冻土天然的水热收支平衡，冻土地基工程稳定性的下降，使隧道结构基础产生较大变形，整个隧道产生纵向不均匀变形[1]，衬砌漏水、路面(隧底)冒水等现象，严重影响隧道结构运营期间的安全性及结构的长期寿命。融沉破坏已成为冻土地区建筑物冻害的主要原因之一[2]。因此有必要对在不同空气流通情况下隧道内温度场进行分析，以了解隧道结构及运营行车的安全情况。

1控制方程

牛顿提出：对流换热热流量与固壁——流体之间的温度差ΔT及接触面积A成比例，比例系数为α，即

φ=AαΔT

(1)

或者

(2)

在对流换热中，其热动势为固壁与流体之间的温差ΔT，对流换热阻为1/Aα，其中A为流体与固体的接触面积， α表示对流换热系数，单位是W/(m2·K)。

本研究过程中所涉及到的对流换热问题属于无内热源的非稳态空间温度场问题，所遵循的热平衡微分方程为[3]：

(3)

2有限元计算模型

2.1有限元模型的建立

本研究以世界上最长的冻土隧道、青藏铁路格拉段第一大控制工程昆仑山隧道为研究对象，研究不同的空气流通速度对寒区隧道周围岩体温度场分布情况的影响。昆仑山隧道里程为DK976+250 ～ DK977+936，全长1 686 m。温度场有限元计算模型如图1所示。

图1　有限元计算模型

2.2边界条件

根据计算模型特点及昆仑山隧道当地的实际环境，确定边界条件为：

(1)在对称面上，水平方向的热通量为0。

(2)入口边界温度与外界大气温度相等：Ta=T0，此处取T0为10 ℃。围岩的定温度层边界及深层岩土的温度Tdw=-2.5 ℃。

(3)出口边界处温度梯度为0：

(4)

(4)隧道内的空气与隧道衬砌进行对流换热：

(5)

其中: Tt为隧道的壁面; Ta为与隧道接触的空气。

2.3初始条件

传热过程开始时物体在整个区域中所具有的温度为已知值，结合该隧道所处地区的实际情况，用公式表示为：

隧道空气Ta|t=0=10 ℃，隧道衬砌Tt|t=0=-2 ℃，周围冻土围岩Tf|t=0=-2.5 ℃。

3瞬态温度场计算

当外界空气以5 m/s和14 m/s两种速度进入隧道时，通过分析研究得，隧道内各截面的瞬态温度场沿隧道径向的分布情况如图2～11所示：

图2洞口处温度场分布 图3距入口86 m处温度场云图

图4 距入口286 m处温度场分布 图5距入口486 m处温度场云图

图6 距入口686 m处温度场分布 图7距入口886 m处温度场云图

图8 距入口1 086 m处温度场分布 图9距入口1 286 m处温度场云图

图10距入口1 486 m处温度场分布 图11出口处温度场云图

隧道内的瞬态温度场沿隧道轴向的分布情况如图12所示：

图12　隧道内瞬态温度场沿隧道轴向分布云图

通过比较隧道在空气流通速度为5 m/s和14 m/s的温度场分布情况，空气、衬砌、围岩的温度场分布如下：

空气温度在距离洞口一定范围内沿隧道轴向变化是不明显的，在风速不相同的情况下，速度为14 m/s比速度为5 m/s空气温度沿轴向温度变化不明显的区域更长，另外，沿着径向来看，距离衬砌一定范围内，空气温度比较低，在核心区域，温度比较高。

衬砌的温度在距离隧道壁面一定范围内温度场的变化是不明显的，该范围的大小跟空气速度大小有密切的关系，其后在距离隧道一定距离后，温度变化开始变得明显，相同时长的情况下，不同的速度，造成衬砌0 ℃以上的厚度不同，速度越高，衬砌0 ℃以上的厚度就越大。

由于计算总时长较小，空气的温度分布还没有对隧道的围岩温度场分布产生比较明显的影响，此时，隧道围岩的温度场的变化只与衬砌温度有关，从隧道全长来看，围岩的温度变化不明显。

4结语

(1)在距离隧道洞口一定范围内，隧道内空气温度沿隧道径向和轴向的变化并不明显。

(2)隧道衬砌的温度变化和空气流速有关，随着空气流速的增大，隧道内空气与衬砌之间的热交换越明显，导致衬砌温度变化越大。

(3)不同的空气流速对隧道内空气、隧道衬砌和隧道周围围岩的温度场影响不同。

(4)由于计算时间的限制，从隧道全长范围来看，隧道周围围岩的温度场变化并不明显。

参考文献：

[1]程国栋，杨成松. 青藏铁路建设中的冻土力学问题[J]. 力学与实践, 2006，28(3)：1-8.

[2]杨成松，何平，程国栋，施烨辉. 冻土热融下沉研究的现状和进展[J]. 工程地质学报，2004，(12)：147-150.

[3]孔祥谦. 有限单元法在传热学中的应用[M]. 北京：科学出版社，1998.

[4]王 敏，宁波，李科兴. 黄土隧道衬砌背后空洞对隧道衬砌结构影响分析[J]. 杨凌职业技术学院学报，2008，(1)：47-48.

[5]王福军. 计算流体动力学分析——CFD软件原理与应用[M]. 北京：清华大学出版社，2004.

[6]杨凡杰. 昆仑山隧道温度场及冻胀力分析[D]. 兰州：兰州交通大学，2009.

The Analysis of Transient Temperature Field of the Tunnel

in Cold Regions by ANSYS

GOU Sheng-rong，LI Ping-ping

(Branch College of Architectural Engineering，Yangling Vocational and Technical College，Yangling, Shaanxi 712100, China)

Abstract:The transient temperature field about the tunnel in cold regions was analyzed when the wind flowed through the tunnel. The changes of transient temperature field about the air in the tunnel, the lining and the surrounding rock with certain wind speed was got. The distribution situation of transient temperature field with different wind speeds through the tunnel was analyzed, providing a reference basis for the maintenance of tunnel in cold regions.

Key words:cold regional tunnel; wind speed; surrounding rock; transient temperature field

中图分类号：U451+.2

文献标识码：A

文章编号：1671-9131(2015)02-0049-04

作者简介：苟胜荣(1987-)，男，硕士，助教。主要从事桥梁与隧道工程和建筑工程方面的教学与研究工作。

收稿日期：2014-11-12