基于不同射流温度的公路隧道纵向间距分析

邵振宇 陈军强 王文

摘要：为探究不同射流温度时隧道风机纵向间距的影响，以某公路隧道实际工程为研究背景，运用FLU-ENT軟件，模拟分析了当开启一组射流风机时，不同射流温度对隧道内速度场和温度场的影响。结果表明：在不同射流温度工况下射流风机纵向控制间距的模拟数值与经验公式的计算结果吻合，验证了模拟方法的正确性;射流温度越高，隧道内温度衰减趋势越明显，诱导段的风机轴线纵向速度越低，从而不利于气流组织的发展。

关键词：射流温度;公路隧道;速度场;温度场;纵向间距

中图分类号：U403

文献标识码：A

文章编号：1674-9944（2018）8-0188-03

1 引言

隧道通风技术是制约长大公路隧道建设的一项重要技术。为长大隧道设计通风系统时，经常选用射流风机。由于公路隧道交通量大，机动车排热多日一照明系统长期持续运行，导致隧道内温度不断升高;再者射流风机工作时本身就是热源，在长期运行中必然使射流温度升高。隧道内射流特性及风机位置的优化研究都离不开对速度场、温度场的分析，而机组的纵向控制间距直接影响射流通风效果。研究基于Fluent软件，采用标准k-ε湍流模型模拟分析了射流风机出口风速一定、风机吸入并射出不同温度气流的条件下，隧道内通风流场变化及射流主体段温度对风机组纵向控制间距的影响。

2 射流作用范围的理论分析

射流通风是在隧道中将多组风机按一定间距串联，利用射流的诱导效应和增压效应，在隧道中形成空气的纵向流动·满足隧道通风换气的需要[1]。风机性能不仅取决于出口射流的特性，还与人口的吸人流动有关。完善的吸入条件和充分发展的射流，是射流风机正常工作的重要条件，也是获得良好通风效果的基本保证[2]。为此，风机组之间应保持定的最小纵向距离，以使射流的产生、发展和完成形成一个完整的过程（图1）。

机组的纵向控制间距lmc可表示为[3]：

lmc=lj+lst=lsu+lin+lst

（1）

式中，lj为风机工作段长度，lst为均匀流长度，lsu为吸人段长度，lin为诱导段长度。

根据射流风机工作原理，风机吸人段长度lsu对纵向控制间距影响很小，按lsu≈1.5de [8]，均匀流长度可按lst≈de控制，其中de为隧道断面当量直径。射流通风系统中的高速紊动射流，因伴随作用延缓了射流的发展过程，使诱导段长度lin成为影响纵向控制间距lmc的主要因素。

诱导段长度lin的回归方程为 [1]：

lin=（7.16+62.93α-108.2mβ）de

（2）

式中：α为速度比，α= Vt/Vj，Vt与Vj分别为隧道通风速度和射流出口速度;m为风机台数，m=2;口为面积比，β=Aj/At，At与At分别为射流出口面积和隧道断面面积;d为隧道的当量直径。

联立式（2），整理得到机组纵向控制间距为：

lmc=（9.66+62.93a-108.2mβ）de

（3）

射流风机出口风速、风机尺寸、布置参数对射流诱导段长度均有影响，这些凶素的影响已有理论及试验研究成果。但风机出口不同射流温度对诱导段的影响日前未见研究报道。

3 计算模型的建立及边界设定

3.1 数学模型的假设

在确定主控方程之前，先作如下假设[2]：①隧道内空气视为不可压缩流体。②隧道内空气流动为稳态紊流。③隧道入口风速设为均匀风速。④射流风机假定为一个圆柱体管，风机喷口风速假设为均匀速度。

3.2 几何模型的建立及网格划分

为了节省计算时间，截取隧道纵向400 m作为隧道模型的计算长度，按照隧道其他实际尺寸建立几何模型。隧道断面高度7.2 m，宽度10.5 m，断面面积64.07 m2，当量直径8.18 m。采用长5 m，直径Im的风机，按2台1组布置在隧道顶部，风机间距2m，距隧道入口120 m，风机中心距底部6m。模型横断面如图2所示。

应用ICEM CFD划分网格，需要对隧道和风机两部分进行网格划分。隧道内部空间采用非结构四面体网格，风机进出口及表面采用四边形网格，为确保计算精度，加密风机附近网格。单组风机计算模型的网格总数为798754个，已进行网格无关性检测。

3.3 边界条件的设定

应用Fluent软件对隧道内流场模拟计算时，采用稳态SIMPLE算法，湍流模型选取标准k-ε双方程模型，速度、温度求解器均采用三对角矩阵法，离散格式采用二阶迎风格式。各个相关参量的松弛因子为0.5，收敛准则均为le-4。

具体的边界条件设置如下：隧道入口、风机入口和出口没为速度入口边界，其中隧道入口风速为3 m/s，风机射流风速为30 m/s;温度分别没置为297 K、303K、309 K、314 K。隧道出口设为压力出口，相对压力为0。隧道底部和上部设为无滑移壁面边界，并设定相应的粗糙度;风机壁面设为光滑固体壁面边界[4]。

4 数值模拟计算结果及分析

4.1 纵向间距的确定和验证

射流风机纵向最小间距的判断依据为[5]：①射流与隧道内气流充分混合，断面速度分布均匀;②紊流强度趋于稳定;⑧工作段末端对应射流机组的最高升压面。

以风机射流温度为297K时隧道轴线的速度及紊流动能分布为例，计算分析射流风机的纵向控制间距，结果如图3、图4所示。

由图3可看出，轴线处（y-6 m）气流速度在125～140 m范围内急剧下降，说明该区段诱导效应减弱;速度曲线在243 m处（距离风机出口118 m处）趋于稳定，隧道内气流呈均匀流态，基本可以确定射流风机的纵向控制间距为118 m。从图4可看出，轴线处紊流动能有两个峰值。第一个峰值出现在距离隧道进口120 m处，这是由于此处风机的诱导效应最强，伴随着隧道空气的剧烈运动，紊流动能达到最大值;第二个峰值在距离隧道入口180 m处，南于紊动现象使得射流主体不断卷吸周围流体，伴随紊动的发展，被卷吸并与射流一起运动的流体不断增多，在180 m处紊动达到充分发展。之后卷吸作用逐渐减弱，射流主体和周围空气逐渐混合，到245 m左右（距离风机出口120 m）紊动趋于平稳。综合图3、图4可以得出，当射流出口温度为297 K时，纵向控制间距确定为118 m较为合理。

由模拟结果可知，297 K时隧道内的通风速度Vt为3.31 m，/s，聯立数据代入公式（3）算得风机的纵向控制间距为111 m，与模拟计算出的结果基本吻合，由此验证了模拟方法的正确性。

4.2 不同温度工况下隧道速度场和温度场的分析

图5所示为不同温度工况下由风机出口至距隧道入口250 m范围内风机轴线纵向速度分布图。

由图5可以看出：①距风机出口5 m范围内，风机轴线纵向速度急剧减小，不同温度工况下速度分布趋势基本一致。这是由于风机出口处射流风速较大，轴线方向紊动剧烈，并不断卷吸周围流体，使得速度骤降，温度对速度分布趋势影响极小[6]。②距风机出口5m后，速度沿程衰减，最后趋于平稳，各工况下趋于平稳的位置大概都在240 m左右（距风机出口115 m）。③在距隧道入口125～175 m范围内，射流温度越高，风机轴线速度反而越低。这是由于风机出口温度较高，出现回流现象，回流会导致大量的能量被消耗，不利于气流组织的发展。④根据Fluent计算结果得出，温度在297 K、303K、309 K、314 K工况下，隧道通风趋于稳定状态时的风速分别是3.31 m;s、3.18 m，/s、3.30 m/s、3.30 m/s。通过比较模拟值和理论计算值，得出温度在各工况下的风机纵向间距分别是118 m、112 m、115 m、115 m。由此看出随着温度的升高，风机纵向间距先逐渐减小，在303 K左右达到最小值，后缓慢增大，在309 K后温度对纵向间距的影响减弱，纵向间距不再变化，最终稳定在115 m左右。

不同温度工况下由风机出口至距隧道入口250 m范围内风机轴线纵向温度分布如图6所示。

由图6可以看出：①气流进入射流风机时，温度急剧上升，在风机出口处温度达到最大值，在风机出口5m范围内，风机轴线温度急剧下降。之后沿程衰减，最终趋于平稳，说明隧道内气流组织进入均匀流段。②在温度急剧上升阶段，射流温度越高，其峰值越大，上升的趋势也越明显。同样在温度急剧下降阶段，射流温度越高，其下降的趋势也越明显。这是由于射流出口温度越高时，风机轴线纵向温度的波动越大，隧道内气流组织的扰动越剧烈。③射流出口温度在297 K、303 K、309K、314 K时，温度趋于平稳的位置分别是197 m、210m、215 m、223 m。说明温度越高，风机轴线纵向温度趋于平稳的距离越远，温度衰减也越大，不利于隧道内气流组织的发展。

5 结语

应用Fluent软件，通过对某长大公路隧道入口的一组风机在4种不同射流温度工况下隧道内温度场和速度场的模拟分析，得出以下结论。

（1）根据数值模拟与运用经验公式计算确定的射流风机纵向间距，计算结果接近，验证了模拟分析的可行性。在工程实践中，可利用两种方法互相验证来确定风机的纵向间距。

（2）同组射流风机喷出的两股高速气流在射流发展过程中会相互吸引混合，沿隧道纵向方向衰减，最终达到均匀流状态。在不同射流温度工况下，温度越高，诱导段的风机轴线纵向速度越低，风机纵向控制闯距相应变大，从而影响了射流效率，不利于气流组织的发展。

（3）射流温度在303 K左右时对风机纵向间距的影响较明显，比温度在297 K和314 K工况下间距缩短了2.6%～5%。当温度小于297 K或大于309 K时，对射流风机纵向间距的影响较小。

参考文献：

[1]高孟理.武金明，孙三祥.隧道射流通风系统的优化分析[J].中国公路学报，2002（3）：66～69.

[2]李晓菲，孙三祥，吴林庄，公路隧道射流通风系统风机纵向间距分析[J].制冷与空调，2016，16（3）：26～29+53.

[3]孙三祥，高孟理。武金明，双向行车公路隧道射流通风系统优化分析[J].公路交通科技，2006，23（12）：106～110.

[4]曹学明，张忠泽，公路隧道纵向射流通风数值模拟与分析[J].制冷与空调，2011，25（6）：558～561.

[5]杨秀军，王晓雯，陈建忠.公路隧道通风中射流风机纵向最小间距研究[J].重庆交通大学学报，2008，27（1）：40～43.

[6]王松，任刚.公路隧道纵向射流通风的三维数值模拟与分析[J].建筑热能通风空调，2015，34（2）：46～48.