舟山西堠门跨海大桥南锚室送风方案的CFD对比分析

朱梁杰 程亨达

(1.浙江舟山跨海大桥有限公司 浙江舟山 316031； 2.华中科技大学能源与动力学院 武汉 430074)

0 引言

长江及一些海上的钢结构大桥,其环境湿度较高，环境温差较大。通常在钢材表面包覆防腐材料以及对桥梁采用主动除湿系统，实现防腐的要求[1]。从湿度的角度来看，通常要求钢材内部湿度控制在45%以下。

主动除湿系统自日本明石大桥首次采用以后，得到了业界的认可。主动除湿系统一般是通过除湿机生产干燥清洁的空气，并把它送入到被保护对象，吸收钢材附近的水蒸气，使环境相对湿度保持在钢材锈蚀速度接近为零的状态。对于悬索桥而言，锚室是缆束分开并固定在锚碇的场所，缆束在这个空间内与空气充分接触，科学有效地控制锚室的相对湿度，对大桥的寿命有极大的益处。

国内关于大桥主动除湿系统的研究较少，钢箱梁和主缆的除湿研究相对较多，主要是针对除湿风量设计的一般技术概述及设计过程[2-5],其中，方大东等[3]对主缆通风除湿进行了系统分析和设计，主要原理是根据能量平衡方程进行的；邹宏华等[4]提出钢箱梁风量设计换气次数为0.05次/(m3·h)，尚未见到有关锚室通风设计的文献。值得指出的是，缆束间空气的流动，肯定会受到缆束布局的影响；何长江等[6]通过建立计算流体力学的控制方程讨论了流体绕过单根圆柱的阻力情况；田子朋等[7]采用差分方法，建立了地下石油渗流的黏弹性流体分形多孔介质渗流数学模型，并求解了方程。

西堠门跨海大桥锚室内部有110根缆束分布，如果保持整个空间的流速在0.1 m/s附近，风量将高达80 000 m3/h，这将产生极大能耗，除湿机也十分庞大。因此，需要科学地确定锚室送风的风口位置、风速、送风方向，在保证除湿效果的前提下，减少送风量。

1 西堠门跨海大桥锚室概况

舟山西堠门跨海大桥跨越西堠门水道，连接册子和金塘岛，主桥为两跨连续钢箱梁悬索桥，主跨长1 650 m，引桥长900 m。大桥的南北锚室，都由前锚室、后锚室及连接前后锚室的通道组成。以南锚室为例(见图1)，其前锚室体积为7 910 m3，最窄处为8.73 m，最宽处为19.00 m，最高处高出内部最低地面28.952 m。主缆从锚室前墙上部进入后，按六边形的形式散开并连到后部的锚碇上。前后锚室间的通道为矩形，宽1 m、高1.9 m。后锚室为一个异形空间，台阶高2.1 m、宽1.6 m。

图1 南锚室实景

2 计算流体力学(CFD)控制方程

本文选建的均匀介质流场的控制方程如下：

(1)RANS(Renold Averaged Navi_Stokes)方程

(1)

(2)

(2)k-ε两方程模型

μeff=μ+μt

(3)

(4)

(5)

3 送风量的确定

锚室通风设计风量的设计原则不同，得到的送风量也会不同。根据图2的流程计算送风量，并确定送风方案。

图2 分析路线

(1)根据正压法确定风量Gb

(6)

式中，μ为流量系数，取0.6；L为缝隙面积，取0.029 m2；△P为锚室正压，取5 Pa。

经上式计算，风量Gb=140 m3/h。

(2)除湿需要的风量Gd

(7)

式中，W为通过锚室渗透的水量，取0.85 g/h；Dw为室外含湿量，14.9 g/kg；Dd为设计含湿量，7.63 g/kg。

经上式计算，除湿需要的风量Gd=424 m3/h。

(3)根据CFD反推送风量

因为对锚室送风气流组织缺乏成熟的算法，同时锚室的结构比较复杂，不能当做单一流体空间对待，所以本文采取了基于计算流体力学(CFD)的算法确定风量。

首先把锚室空间作为单一的流域，进行风量的初步计算，初步确定前锚室风量为2 507 m3/h，后锚室风量为625 m3/h。

(4)总送风量

从前面可知，可选择的送风量有3个，考虑到空间气流分布的不均匀性，最后确定在每个锚室内部设置了一套主动除湿系统，总送风量为4 000 m3/h，其中前锚室风量为3 000 m3/h，后锚室送风量为1 000 m3/h，进入后锚室后通过单个送风口送风。

4 送风方式的确定

送风方式包括送风口的数量、位置、送风速度和方向，本研究提出了3套送风方案，对整个锚室的空间进行了处理与建模，并通过CFD方法进行演算，CFD方程求解采用的是微体积法。

4.1 锚室流场送风方案的确定

送风口布置位置为散索鞍附近和/或锚碇墙，送风方案1风口总数量4个，送风方案2和3风口总数量为8个，具体见表1。其中，风量按风口数量平均分配，4个风口时，每个风口大小为200 mm；8个风口时，每个风口大小为160 mm。

表1 备选方案风口布置

4.2 模拟流场的处理

4.2.1 缆束空间多孔介质模型

(1)多孔介质模型

多孔介质用于模拟带动量损失的流动区域。固体介质的影响效果通过一个损失项来表现。多孔介质模型结合了达西定律与N-S方程。

方程的形式为

(8)

(9)

式中，γ为体积孔隙率，K为面积孔隙率矩阵。

对不同方向损失不同，采用如下的损失模型。设流向方向为x，有：

(10)

(11)

(12)

(2)六边形缆束空间的特征孔隙率γ

缆束在锚碇墙上是按六边形的范围固定的，从散索鞍到锚碇墙，缆束的分布呈六面锥体。根据初等几何知识，可得到如下规律：

平行于锥体底面的任意截面的面积Sx为

(13)

式中，Stop为锚碇墙上缆束的分布面积，m2；x为计算截面距锥顶的坐标，m；x0为锥的高度，取30.152 m。

锥体的平均截面积为

(14)

平均截面位置为

(15)

定义特征孔隙率γ为

(16)

式中，S0为缆束总横断面积，为缆束数量与单股缆束的截面积乘积，缆束数量为110，单股缆束的截面积为0.003 08 m2。

经上式计算，特征孔隙率γ=97.9%。

4.2.2 其他简化

忽略传热与传质，两个侧墙皆为一个平面且垂直于地面。风管、灯具、电线管、门洞凹陷、楼梯、栏杆所占空间全部不予考虑，除湿机及其平台简化成一个1 550 mm×550 mm的风管，从侧面墙壁伸进锚室3 m。在这个3 m的除湿机的侧面上，是一个1 550 mm×550 mm的回风口。方案简化结果如图3、图4所示。

图4 备选方案气流分析简化图

图3 原方案气流分析简化图

4.2.3 流场设定及其边界条件

本研究分析采用中等密度的方法划分网格，对送风口部分进行局部加密。方案1送风口部分网格大小设为0.05 m，方案2和3的送风口处网格大小设为0.04 m。网格主要部分采用六面体网格，局部采用四面体网格。

5 研究结果及分析

5.1 速度矢量场

图5中显示了剖切断面上的速度矢量，剖切断面通过缆束中心并从前到后剖切锚室，缆束空间位于图中标号为⑤的三角形区间。观察图中不同方案对应标号①～⑧的位置上干燥气流进入缆束空间的程度，不难发现，方案2与3相当，方案1最不理想；再观察缆束附近气流的扰动程度，方案3最好，方案2次之，方案1最弱。结合设置主动除湿的目的，是为了让干燥的流体尽可能充分地与缆束接触，方案3相对而言最好。

(a)方案1 (b)方案2 (c)方案3

5.2 缆束附近上下、前后的风速

为分析缆束附近上下、前后的风速，在剖切面上选择了3条控制线，研究缆束附近风速与位置的关系，分析结果见图6。结合图5、图6可知，方案1中缆束周围的风速较大，基本处于0.1 m/s以上，最大可至0.7 m/s，但工作气流的流动方式较为不理想，在缆束附近基本沿缆束方向流动，缺少上下贯通缆束方向流动；方案2中缆束周围的风速较小，基本处于0.1 m/s以下，所有控制线上的风速基本都维持在0.06 m/s左右，工作气流则主要从上部贯通缆束方向流动；方案3中缆束周围的风速较大，基本保持在0.1 m/s左右，在较靠前处甚至可达0.3 m/s，最小风速也可保持在0.05 m/s以上，而且工作气流可以分别从上部和下部穿过缆束，流动情况较理想。分析可知，方案3的工作气流流动方式最佳，缆束附近风速也较大，是技术可行性最佳的方案。

(a)方案1

6 结论

根据维持正压法、通风除湿质量平衡法、CFD初试法计算锚室总送风量，然后利用CFD技术研究了3种送风方式对锚室缆束附近气流的影响。

(1)维持锚室正压需要的风量最小(140 m3/h)，其次是根据除湿所需的通风量(424 m3/h)，最大的是根据CFD初试法算得的风量(3 124 m3/h)。最终确定的总风量为4 000 m3/h,按锚室体积计算，相当于换气次数为0.38次/h。

(2)在前锚室前部和后部都进行送风的送风方案2和3，均优于只在锚室前部缆束下方送风的方案1。只在锚室前部送风的方案最大的缺点，是缆束以外的空间空气流动很弱，不是所有送风气流都会送到缆束内部，所以除湿效率低。

(3)送风方案2为锚室前墙送风气流在缆束上方、后墙送风口在缆束下方，送风方案3为锚室前墙送风气流在缆束下方、后墙送风口在缆束上方。结果表明：方案3优于方案2，方案3的气流覆盖区间主要在缆束上，区间风速大小也优于方案2。

(4)CFD技术用于锚室送风方案分析与确定，可以得出较为数字化的全局结果。

(5)通过对缆束多孔介质空间的数学计算可知本研究的孔隙率很高，在不需要精确计算的前提下，可以忽略缆束阻力的影响，采用均匀介质模型。