地下近邻平行精密恒温隧道间传热的模拟研究*

何 玲 霍镜涛 朱学锦 朱 喆 叶 蔚△ 张 旭

(1.同济大学,上海;2.上海建筑设计研究院有限公司,上海)

0 引言

为减少地面温湿度变化、太阳辐射、振动等环境因素对科学实验的干扰,以北京正负电子对撞机、江门中微子实验站等为代表的国家大科学装置常设计于地下。借助地下相对稳定、无强热扰的“室外”环境,这类特殊地下空间通过加装恒温恒湿空调以确保“室内”满足精密恒温的要求。与常规地下恒温室不同,上海某在建大科学工程内含有3条近邻平行精密恒温隧道,隧道顶位于地下38 m。当3条隧道中的1条或1条以上隧道长期运行时,相邻隧道互相成为恒温空调的热扰,影响程度需进一步研究。

本质上,相邻恒温空间会通过隧道围护结构和周围土壤进行热量传递。Zhang等人发现隧道内部空间温度除了受内部热源影响外,围护结构和土壤的传热也起着重要作用,热量的传递与土壤及隧道围护结构的特性有关[1]。胡政等人通过实际隧道岩体探测,结合地温热量传递理论,对隧道与周围土壤的热量传递进行了理论预测分析[2]。Song等人对土壤温度场和隧道壁温随时间的演变进行了分析,求解热平衡方程,提供了快速确定土壤蓄热能力的方法[3]。此外,不同土壤的热物性参数会影响恒温空间的传热性能和温度分布,很多学者也对此展开了研究[4-5]。

通常认为埋深大于12 m的地下建筑为深埋地下建筑。针对深埋地下建筑,学者们发现长通道式深埋地下建筑围护结构沿长度方向上的传热过程几乎可忽略[6];周期性内热源作用下,岩壁1个月后传热进入稳定期[7]。就研究方式而言,Zeng等人通过缩尺实验研究了对流传导与隧道入口低温气流的耦合效应[8];Liu等人通过建立计算模型并结合现场实测,得出了隧道内含轴向坐标和时间的复杂边界条件[9];王开运等人采用数值模拟研究了保温层厚度对围岩温度的影响[10];王丽慧等人结合缩尺实验和模拟,探究了土壤的蓄热规律[11]。

对于地下空间和土壤传热的研究已有很多,但是针对地下多空间、多热源之间相互影响的研究却不多。本文针对某大科学实际工程存在的3条平行隧道,采用数值模拟方法,对地下隧道围护结构的传热过程及不同运行工况下隧道围护结构传热的影响进行研究。本研究可为地下空间多热源的传热影响研究提供参考。

1 工程概况

本文研究对象为某大科学工程,含有3条隧道,隧道顶位于地下38 m,由文献[12]可知,此处土壤处于恒温层,年平均温度约为18 ℃。隧道内左右两侧存在发热电缆,热量传递到隧道内的空气中,且隧道内空气温度约为25 ℃,高于土壤温度,因此隧道会通过围护结构向周围土壤散热。对于该工程而言,3条隧道之间相距仅4 m,不但存在隧道与土壤的传热,还存在隧道之间的相互影响。

2 模型建立

2.1 模型简介

为了研究隧道围护结构的传热及3条隧道的相互影响,建立如图1、2所示的2个模型。模型1仅含有1条隧道,模型2有3条隧道,将模型2中3条隧道分别命名为L、M、R。模型包括隧道、隧道外混凝土结构和土壤层三部分。根据文献[12],土壤层为灰色砂质粉土和粉砂。

图1 隧道模型1示意图

图2 隧道模型2示意图

隧道的直径为5.9 m,混凝土结构外径为6.6 m,隧道之间最短距离为4 m,模型厚度为1 m。由于本文的研究对象为隧道围护结构与土壤层的传热,故隧道内部简化其他部分,仅有发热电缆。电缆发热简化为面热源,发热量为35.25 W/m2;隧道内纵向风速约为0.42 m/s,空气温度约为25 ℃。

模型采用ICEM进行网格划分,通过网格独立性验证后,最终选取的网格总数为1 169 564,土壤区域采用六面体结构化网格,隧道区域和混凝土结构采用非结构化网格,且对混凝土区域网格进行加密处理。计算求解采用分离式求解器,压力速度耦合采用SIMPLE算法,采用二阶迎风格式离散、RealizableK-ε模型,隧道内壁采用对流边界。

2.2 模拟工况简介

为比较不同隧道运行模式下围护结构传热过程的差异,设置如表1所示工况。

表1 模拟工况

对于高精度温控隧道而言,围护结构单位面积传热量越小,隧道内温度精度要求越容易实现。因此,分别对上述几个工况进行模拟计算,比较不同工况下隧道外混凝土围护结构与土壤的热流密度。

3 结果分析

3.1 工况0(单隧道运行)

为了研究围护结构传热过程和比较隧道间传热影响,单设1组空白对照组。不同运行时间隧道及土壤的温度场分布如图3所示。

图3 工况0不同运行时间土壤温度分布

由图3可以看出:整体而言,随着时间增长,隧道的发热影响范围变大;刚开始运行时,隧道与周围土壤的温差很大,随着时间的增长,温差和温度梯度都减小;当仅有1条隧道时,土壤初始温度一致且物理性质不变,各向同性,故土壤中热量沿各个方向的扩散速率基本相等,等温线为圆形。

表2给出了不同运行时间工况0隧道围护结构的平均热流密度。可以看出:在开始运行的第1个月内,平均热流密度急剧减小,减小了92.45%;而后趋于平缓,维持一个较低的水平。

表2 工况0不同运行时间隧道围护结构平均热流密度

3.2 工况1(M隧道单独运行10年)

图4为M隧道不同运行时间隧道及土壤温度分布云图。

图4 工况1不同运行时间隧道及土壤温度分布

由图4可以看出:随着时间的增长,隧道的发热影响范围变大;同工况0,刚开始运行时,隧道与周围土壤的温度梯度很大,而时间越长,温度梯度越小;两侧的空置隧道会对热量扩散造成影响,在竖直方向上,传热几乎相等,而水平方向上,受两侧隧道的影响,隧道间的温度梯度更大;土壤等温线表现为扁平的近椭圆形。

表3给出了不同运行时间M隧道围护结构的平均热流密度。可以看出,在M隧道开始运行的1个月内,热流密度就降低了92.6%,从第1个月到第6个月,热流密度减小了约1.75 W/m2,而后的每一年,围护结构单位面积的传热量越来越低;在初始运行时间段,温度梯度最大,平均热流密度最大。

表3 工况1不同运行时间M隧道围护结构平均热流密度

同时,结合模型1空白对照组可发现:首先,土壤中仅1条隧道运行和M隧道单独运行,围护结构热流密度变化规律一致,均在开始使用的第1个月内急剧减小,而后趋于平缓;其次,对比工况0和工况1的热流密度数据,两者变化基本一致,随着运行时间的增长,两者之间的偏差虽会增大,但是差值仍很小。

因此,对于研究结果作出推测,研究的3条隧道在地下土壤中平行存在,当只有1条隧道运行时,其围护结构传热过程可简化为单条隧道围护结构的传热过程。

3.3 工况2(M隧道单独使用10年后L、R隧道开始使用)

图5为工况2不同运行时间隧道及土壤温度分布云图。

图5 工况2不同运行时间隧道及土壤温度分布

由图5可以看出:M隧道使用10年后开始使用L、R隧道,相当于在原有温度场的基础上,左右两边各增加了新的稳定热源,随着时间的增长,温度梯度逐渐减小,土壤中等温线逐渐形成椭圆形;此外,新热源增加也会影响原来隧道M的温度分布和热量扩散,M隧道水平方向温度梯度减小,热量扩散速率大大减小,而竖直方向上热量扩散速率增大。

图6显示了开始使用两侧隧道后,M隧道周围混凝土围护结构热流密度随时间的变化,虚线对应的时间为10年后L和R开始运行的时间。可以看出:当开始使用左右两侧隧道后,M隧道的围护结构单位面积传热量迅速减小,而后逐渐趋于平稳;两侧隧道的运行对M隧道产生了影响,使得M隧道由围护结构向周围土壤传热的热流密度减小。

图6 M隧道运行10年后围护结构热流密度的变化

表4给出了不同运行时间L、R隧道围护结构的平均热流密度。

表4 工况2不同运行时间L、R隧道围护结构的平均热流密度

2条新增运行隧道热流密度随时间的变化趋势与M隧道单独开始运行时一致,但数值上,L、R运行后的平均热流密度远小于M单独开始运行时的热流密度。由于两侧隧道开始运行时,中间的隧道已经运行了10年,周围土壤的温度已经升高,故两侧隧道围护结构的热流密度要小很多。

3.4 工况3(M、R隧道同时开始运行)

图7为当M、R 2条距离较近的隧道同时运行时不同运行时间隧道及土壤温度分布云图。

图7 工况3不同运行时间隧道及土壤温度分布

当M、R隧道同时运行时,由于它们相距较近,围护结构的传热会互相影响。与1条隧道单独运行相比,2条隧道同时运行时,中间的土壤温升很快。此外,由于左侧空隧道的影响,热量在两侧的传播速率不同,土壤中等温线为类椭圆形。

表5给出了不同运行时间M和R隧道围护结构的平均热流密度。

表5 M、R隧道围护结构不同运行时间的平均热流密度

同时开始运行2条隧道时,围护结构传热变化规律与1条隧道基本一致。但数值上,与仅运行M隧道相比,运行2条隧道的围护结构热流密度衰减速率更快。由于2条隧道围护结构传热过程的叠加效应和相互影响,2条隧道附近的土壤温升比单独1条隧道大,故隧道围护结构的热流密度也更小。

3.5 工况4(L、R隧道同时开始运行)

图8为2条相距较远的隧道L和R同时运行时不同运行时间隧道及土壤温度分布云图。

图8 工况4不同运行时间隧道及土壤温度分布

从图8可以看出:由于L、R隧道相距较远,相较工况3来说,L、R隧道的传热过程要经过较长时间才能互相影响;刚开始运行时类似仅1条隧道运行的情况,随着时间的增长,等温线分布近似于哑铃状。

表6给出了不同运行时间L、R隧道围护结构的平均热流密度。

表6 L、R隧道围护结构不同运行时间的平均热流密度

L、R隧道同时开始运行时,围护结构传热变化趋势与其他工况基本一致。与工况3相比,工况4中2条隧道的围护结构热流密度较大,原因是2条隧道相距较远,隧道之间围护结构传热影响较小。即2条隧道距离越远,随着时间的增长,隧道的平均热流密度受彼此影响程度越小。

3.6 工况5(3条隧道同时开始运行)

图9为3条隧道同时运行时不同时间隧道及土壤温度分布云图。

图9 工况5不同运行时间隧道及土壤温度分布

由图9可以看出:当3条隧道同时开始运行时,土壤的温升很快,传热过程也很快互相影响;随着时间的增长,土壤中等温线表现为类椭圆形。

表7给出了不同运行时间3条隧道围护结构的平均热流密度。

表7 3条隧道同时运行围护结构不同运行时间的平均热流密度

当3条隧道同时运行时,隧道围护结构的传热变化趋势也与其他工况相似。数值上,M隧道同时受到左右两侧隧道的影响,随着时间的增长,M隧道的围护结构热流密度比两侧的小。

3.7 小结

各运行模式下热流密度变化趋势的比较如图10所示。图中红色虚线为6个月运行时间的分界线。

图10 各运行模式热流密度随时间的变化

由图10可以看出:不同运行模式下,热流密度在6个月后出现明显差异;隧道运行数量越多、距离越近,相互影响就越大,此时热流密度也越小,如M隧道在3条隧道同时运行时,受两边隧道的影响,热流密度最小,而在单独运行时热流密度最大。

4 结论

本文采用数值模拟方法,对某大科学装置的地下3条近邻隧道运行时的隧道间传热进行了研究,比较了不同运行工况下隧道围护结构热流密度和周围土壤温度分布,得出以下结论:

1) 仅中间隧道使用时,围护结构热流密度在开始的1个月内下降速度最快,而随着时间的增长逐渐变小。实际隧道运行过程中可在初始时间段对隧道进行通风处理,防止初始时间段的不稳定。

2) 两侧空隧道对中间隧道围护结构传热的影响较小。当中间隧道运行后再开始运行另外2条隧道,因土壤温度的升高,两侧隧道开始运行时的热流密度仅为中间隧道不运行时的28%;且两侧隧道运行后,中间隧道围护结构热流密度也会衰减。

3) 当同时运行2条或3条隧道时,各隧道的围护结构传热过程基本一致。隧道运行数量越多、距离越近,相互影响就越大,围护结构热流密度也越小;仅运行1条隧道的工况下,围护结构热流密度最大。

4) 各运行模式均在初始第1个月内热流密度下降最快,可下降90%以上。不同运行模式下,热流密度在6个月后出现明显差异,最大值是最小值的115%;而10年后差异可达到268%。