城市地下综合管廊通风缩尺模型的相似性研究

徐元宝

（山西省城乡规划设计研究院工程设计中心，030010）

1 城市地下综合管廊通风系统缩尺模型建立

根据相似理论要求，需要对城市地下综合管廊的通风系统进行新的界定，在了解原型以及模型各边界条件及其物理参数的基础上，采用Fluent 软件构建模型，该模型能够分别模拟不同工况，并通过计算的方法做出相似性判断，这样才能为指导后续研究提供必要的支持[1]。

1.1 案例简介

选择本地区某综合管道任意一段的通风区间为原型。该案例的区间总长度为200m，长宽均为3m，舱室两侧布置电缆，墙壁上各有5 条回路，采用平行布置方法，上下相邻电缆之间的间距为0.5m；在进风口位置布设风机，该风机能够持续地向综合管廊内提供风力，以舱室内部为风道，流动到排风口后将风力传送到外侧；电缆在送电期间会产生一定的热量而影响空气温度，但因为墙壁以及空间结构传导的影响，部分热量会通过墙壁面直接发散到土壤中。

1.2 控制方程的构建

根据相似理论的相关内容可知，为了保障缩尺模型与原型具有一致性，则设计人员必须考虑两个重要的相似条件，分别为：（1）几何相似条件。所构建的缩尺模型应该严格按照原型的尺寸遵照特定比例缩小，这样才能满足几何相似的要求，本次研究中将采用了1:5 的方法缩小原型。（2）运动相似性。确保缩尺模型所处环境相同，这样模型的仿真结果才能对原型的管理、建设有益。对模型的相似参数进行推导，期间原型与模型之间的控制方程要确保具有一致性。之后在描述方程流动转热过程中，控制方程需要充分考虑不同工况下的要求，所以本文本文提出了一种连续方程控制模式，其关系式为：

在方程式（1）中，xuyuzu分别代表在X 轴、Y 轴、Z 轴上的速度，其单位为m/s；p为密度，单位为kg/m3；∂为导热系数，单位为W/（m·°C）。

1.3 边界条件参数比例的确定

Gr 准则可以用于判断自然对流的条件，在该案例中，本文考虑到浮升力等因素会带来气流变化，在强制对流条件下适当忽视Gr 对地下综合管廊的影响，并在其他外部条件基本相同的情况下，通过Fluent 软件做数值运算，判断假设的正确性。

2 数值仿真计算

2.1 模型简化

考虑到本案例管廊的具体情况，采用模型简化方法能够进一步降低数据分析难度，所以在简化模型期间，可以针对模型做出以下判断：

（1）该模型具有良好的稳定性，尤其是当放热量与散热量实现平衡的情况下，其温度场的分布会随着时间的变化而发生改变。（2）电缆支架受空间因素的影响小，所以在模型分析期间可以忽略电缆以及电缆支架几何结构的影响。

在此基础上，结合原型的数据构建缩尺模型，则几何结构与原型结构之间的参数对比结果如表1所示。

表1 几何数据的对比结果（单位：m）

2.2 边界条件的实现

通过数据计算的方法能够描述流体流动的传热过程，并确定其中数据预算的要求，要注意确保运算过程的控制方向满足相似理论中所提到的控制方程[2]。

所以在数据运算环节，本文采用湍流模型以及空气模型的要求，在考虑地下综合管廊通风特性的基础上，评价受热、浮生力等因素对传热的影响，所以本文缩尺模型中空气的关键物理参数为：密度1.225kg/m3，比热容1006.4J/（kg·°C），导热系数0.0219W/（m·°C）。其中边界条件的设计要求为：在进出风口的设计上，采用了机械通风+自然通风的方法，其中进风口为速度进边界条件，排风口为压力出边界条件。

3 实验内容与方法

3.1 实验测量内容与测量设备

为了能够有效模拟地下综合管廊通风缩尺模型的相关指标，判断任意端面的平均风速等数据，在模型的基础上设置了6 个断面，采用全压差测量方法检测每个断面的状态。

所采用的测量设备包括压差传感器、风速传感器等，测量数据依靠数据采集模块提取，其采集软件为LABVIEW。

3.2 缩尺模型的平均风速

在不同类型锻炼中，地下综合管廊舱室在任意环境下的通风风速会发生明显变化，根据模型的仿真结果可以发现，在进、排风口位置，考虑到此处两端的断面小，风速大；而舱室内部的断面大、风速相对较小，这种情况会导致舱室内部压力呈现出不同的变化趋势。

所以为了可以了解缩尺模型在进出风口位置的局部阻力以及舱室沿程阻力特性，将需要进一步判断各个区段的范围区间，根据不同时间段的风速监测结果发现，平均风速的偏差值波动区间为6%-10%，而因为风速的稳定性与准确性正相关，因此选择偏差更小的断面进行沿程阻力判断。最后的判断结果显示，在管线面积占比最大的情况下，其有效通风面积越小，反之亦然；相同流量条件下，发现其他断面的监测结果也发现，其他断面的平均风速与频率基本相同，最终的监测结果如图1所示。

图1 不同断面下测量的平均风速

根据图1的相关资料可发现，除了断面3 之外，其他五个断面的风速基本相同。

3.2 热力相似性分析结果

在热力相似性分析结果中，各个断面的平均温度使用Fluent 软件来计算每个断面的温度变化，所以在本次研究中，通过直接从软件计算中调用平均温度结果，并分析缩尺模型与原型之间的相似性，这种方法能够进一步降低数据处理难度。

在本次研究中发现，缩尺模型与原型之间的温度分布基本相同，其中从进风口到排风口位置，空气因为电缆的加热效果会造成断面平均温度的变化。因此可判断缩尺模型与原型之间的对应关系式基本相同的，缩尺模型的误差得到了有效控制。因此本文将采用公式（2）来计算其中的相对误差。

在公式（2）中，X 代表任意参数，包括阻力系数、温度、速度等；Cx为对应参数的比例系数。

之后对原型与缩尺模型的温度分布云图来判断两者温度场的相似性，通过云图的比较结果可发现，原型与缩尺模型之间沿着流动方向，其空气温度逐渐升高，并且在同一对应的断面上，两者之间的云图表现基本相同，并且靠近电缆位置的温度更高，证明该缩尺模型是科学有效的。

结束语本文介绍的缩尺模型方法具有可行性，概模型的仿真结果与原型基本相同，因此认为该缩尺模型具有极高的相似性，能够为未来城市地下综合管廊通风设计提供支持，值得进一步推广。