基于热力学的单向单竖井公路隧道冬季通风模式分析

陈外才 陈林翼

摘 要：分析热位差对单向单竖井公路隧道冬季通风的影响规律，优化单向单竖井公路隧道冬季通风模式。

关键词：单向单竖井公路隧道；热位差；排送组合通风；数值模拟

单向单竖井公路隧道冬季运营时，排风井内存在较大的浮升热位差（排风井内空气较轻），研究如何利用排风井内浮升热位差通风，可有效降低隧道通风能耗。

1 模型分析

隧道模型长6000m高9m，隧道进洞口坐标为（0，0），作为隧道起始点，隧道中间设置竖井，竖井高600m，总宽度为6m，其中排风井宽3m，送风井宽3m，并在隧道两端洞口各加上100m×609m的外部空气流场。隧道竖井与两端空气域等高，隧道与两端空气域一起构成U型管连通器通风系统。

2 单向单竖井公路隧道热位差利用研究

因公路隧道一般建设在山岭里，Fluent软件数值模拟中的公路隧道冬季运营环境温度设置为：-10℃、0℃、10℃，公路隧道两端洞口温度取运营环境温度，竖井口温度分别取-13.6℃、-3.6℃、6.4℃，公路隧道壁温取20℃。公路隧道交通风压可简化为送风井内送风压，为简化模拟条件，故不设置交通风，竖井送风压设置为：100Pa、200Pa、300Pa、400Pa、500Pa，公路隧道两端洞口都取一个大气压，隧道壁粗糙度设0.07。在Fluent软件中根据实际情况设置模拟系数，开能量方程进行数值模拟，各工况模拟计算结果如下表。

由上表知，单向单竖井公路隧道冬季（取0℃环境温度条件的模拟数据分析）运营通风情况如下：（1）送风井内送风压低于300Pa时，送风井内空气密度与排风井内空气密度分布情况基本一样，因此送风井与排风井内浮升热位差一样，且两个井都处于排风状态。（2）送风井内送风压增大到400Pa时，送风井内空气密度与排风井内空气密度分布情况开始分化，因排风井内空气升温时间远大于送风井内空气升温时间，排风井内空气平均温度最终将接近壁温，排风井内空气密度远低于隧道外空气密度，排风井内存在较大的浮升热位差，排风井处于自然排风状态，且排风效果较好。同时送风井内空气与外界空气温差不大（空气升温时间极短），送风井内空气密度与隧道外空气密度相近，浮升热位差极小（利于送风井送风），此时送风井风机只需较小功耗克服浮升热位差向隧道送风。故单向单竖井公路隧道冬季运营通风方案中关闭排风井内排风机，打开送风井内送风机送风具有一定可行性。

单向单竖井公路隧道冬季運营时送风井内风速随送风压增大存在突变现象，当送风压小于某个临界值时（送风压未能克服送风井内浮升热位差），送风井内处于排风状态，送风井内风速随送风压增大逐渐减小。而当送风压超过该临界值时（送风压刚好克服送风井内浮升热位差），送风井内通风状态由排风状态转变为送风状态，且送风井内风速急剧增大，远大于之前排风状态下的风速。

分析知：单向单竖井公路隧道在-10℃环境温度中运营时送风井送风压临界值介于400Pa至500Pa之间，在0℃环境温度中运营时送风井送风压临界值介于300Pa至400Pa之间，在10℃环境温度中运营时送风井送风压临界值介于100Pa至200Pa之间，送风井内送风压取送风压临界值时隧道处于排送组合通风状态，其通风节能效果最优。

3 结论

单向单竖井公路隧道冬季运营排送组合通风方案优化如下：

（1）送风井内存在送风压临界值，送风压取该临界值隧道通风节能效果最佳，且该临界值与送风井内热位差大小存在正相关性。

（2）关闭排风井内风机，打开送风井内部分送风机，送风压取临界值，可确保隧道冬季运营通风能耗最低。

参考文献：

[1]陈外才.带竖井公路隧道运营通风热位差利用数值模拟[D].长安大学，2015.

作者简介：陈外才（1986-），男，汉族，四川成都人，硕士，中级工程师，主要研究方向：桥梁与隧道工程；陈林翼（1995-），男，汉族，湖南郴州人，本科，主要研究方向：工程管理。