豎井型城市隧道自然通風(fēng)哮喘效應(yīng)模型研究

陳明 袁方 徐萬里

(空軍第一空防工程處，北京 100079)

0 引言

針對(duì)前期一些關(guān)于豎井型城市隧道的模型試驗(yàn)研究[1，2]，我們發(fā)現(xiàn)隧道內(nèi)的壓力小，通風(fēng)作用小的豎井則很容易受到隧道外大氣環(huán)境的影響，產(chǎn)生風(fēng)向的頻繁波動(dòng)。此現(xiàn)象可稱為“哮喘效應(yīng)”。哮喘效應(yīng)的存在會(huì)影響到豎井的通風(fēng)效果。哮喘效應(yīng)能否克服，有什么辦法可以減小哮喘效應(yīng)的影響，針對(duì)這些問題作進(jìn)一步的研究十分有意義。

1 原實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ图艾F(xiàn)象[3]

模型實(shí)驗(yàn)按照尺寸比例1∶10進(jìn)行。運(yùn)用風(fēng)速傳感器對(duì)模型中的風(fēng)速進(jìn)行測(cè)量，并在數(shù)據(jù)分析時(shí)把現(xiàn)象反映至原型中。選用PS有機(jī)塑料板制按照斷面尺寸比例1∶10搭建一條長40 m的模型隧道，并按幾何比例常數(shù)，制作模型豎井以及擋板。實(shí)驗(yàn)選用23輛14 cm×15 cm×24 cm的可遙控速度的玩具汽車模擬汽車流，選用EE65風(fēng)速變送器測(cè)定風(fēng)速，采用RS-485通信總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信采集。

搭建的模型見圖1。探頭布置方案見圖2。

圖2 隧道自然通風(fēng)模型探頭布置方案

圖3為豎井4在車速1.6 m/s，車距0.8 m時(shí)的風(fēng)速變化。

圖3 豎井4風(fēng)速逐時(shí)變化圖

圖3表明，豎井4的風(fēng)速也是在不斷變化的。豎井4不僅風(fēng)速變化，就連風(fēng)向也在不斷變化，豎井時(shí)而發(fā)揮排風(fēng)作用、時(shí)而發(fā)揮補(bǔ)風(fēng)作用。其他豎井的風(fēng)速也有變化，但方向總體沒變。像豎井4時(shí)而排風(fēng)、時(shí)而進(jìn)風(fēng)，就如同一個(gè)人不停地喘息一樣，故豎井4的現(xiàn)象可稱為“哮喘效應(yīng)”?！跋?yīng)”導(dǎo)致隧道內(nèi)壓力的頻繁波動(dòng)，同時(shí)導(dǎo)致污染空氣在豎井內(nèi)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，不能達(dá)到換氣效果。

2 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

為了研究哮喘效應(yīng)，我們又改變了車輛的速度和行車間距，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，無論采用何種模型車速、車距，部分平均速度很小的豎井均發(fā)生了“哮喘效應(yīng)”。其實(shí)，除了平均風(fēng)速接近于零的豎井外，其他各豎井均存在一定的風(fēng)向變化現(xiàn)象，只是風(fēng)向變化沒有像風(fēng)速接近于零的豎井那樣頻繁。

“哮喘效應(yīng)”總是伴隨著平均風(fēng)速很小的豎井發(fā)生的，根據(jù)管路壓力與速度的平方關(guān)系可知，發(fā)生“哮喘效應(yīng)”的根本原因是豎井受到的壓力很小。由于受到隧道內(nèi)的壓力過小，所以豎井很容易受到隧道外大氣環(huán)境的影響。前文述及，排風(fēng)豎井與補(bǔ)風(fēng)豎井交替處必存在靜壓為零處，故作用交替的豎井受到的壓力最小，最容易發(fā)生“哮喘效應(yīng)”。

因此，本文對(duì)模型1做出以下兩種更改，研究消除“哮喘效應(yīng)”的方法。

方法1:改變豎井組位置。

將豎井向后推延4 m，即增加暗埋段1的長度。模型設(shè)計(jì)如圖4所示，圖4中的模型稱為模型2。

圖4 推延豎井位置模型搭建方案（模型2，單位：m）

這樣的改動(dòng)是為了增大暗埋段1所能留下的余壓，試圖增大豎井4所受到的靜壓。圖5為各豎井的平均風(fēng)速測(cè)試結(jié)果。

圖5 模型2豎井風(fēng)速分布

圖5表明，移動(dòng)豎井組的位置使得豎井4的平均風(fēng)速進(jìn)一步減小至零。圖6為豎井4的風(fēng)速變化。圖6表明，豎井4的正負(fù)波動(dòng)更加頻繁。改變豎井組的位置非但沒有減緩“哮喘效應(yīng)”，反而減小了豎井的通風(fēng)作用。因此，改變豎井位置的方法不可行。

圖6 模型2中豎井4風(fēng)速變化圖

方法2:取消豎井3、豎井4。

本實(shí)驗(yàn)按照?qǐng)D7的方法取消掉兩個(gè)發(fā)生“哮喘效應(yīng)”的豎井，圖中模型編號(hào)為模型3。

圖8為豎井2的測(cè)試結(jié)果。測(cè)試結(jié)果表明，雖然去掉了曾經(jīng)發(fā)生“哮喘效應(yīng)”的兩個(gè)豎井，但是“哮喘效應(yīng)”轉(zhuǎn)而在其他的豎井上發(fā)生。

圖7 取消部分豎井模型搭建方法（模型3，單位：m）

圖8 模型3中豎井2風(fēng)速變化圖

兩組對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明，“哮喘效應(yīng)”是自然通風(fēng)隧道設(shè)置多組豎井時(shí)的必然產(chǎn)物。只要存在豎井間作用的交替，則發(fā)生作用交替的豎井必定壓力很小，不可避免的發(fā)生“哮喘效應(yīng)”。存在“哮喘效應(yīng)”的豎井通風(fēng)作用雖然很小，但又不能取消，否則將影響整個(gè)隧道的氣流組織。也可這樣理解“哮喘效應(yīng)”的豎井發(fā)揮的作用，這樣的豎井是保證其他豎井通風(fēng)效果良好的一種必然代價(jià)，雖然通風(fēng)量很小，但也是隧道設(shè)計(jì)中必不可少的。

3 結(jié)語

通過模型改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，可以得到以下結(jié)論:

暗埋段汽車產(chǎn)生的交通風(fēng)壓大于隧道的通風(fēng)阻力，富余的壓力作用于豎井上使得豎井內(nèi)空氣流通。豎井受到的余壓隨距暗埋段距離的增加而減小。也正是由于這樣的原因，幾組連續(xù)豎井中最中間的幾個(gè)豎井壓力很小，風(fēng)速也較小，通風(fēng)作用不強(qiáng)。這種現(xiàn)象是連續(xù)豎井的必然產(chǎn)物，是不能阻止的，并非取消這些通風(fēng)作用小的豎井便能消除這種現(xiàn)象。也可這樣理解，這樣的豎井是保證其他豎井通風(fēng)效果良好的一種必然代價(jià)，雖然通風(fēng)量很小，但也是必不可少的。正如通風(fēng)作用小的豎井不能取消一樣，哮喘效應(yīng)也是不能克服的。取消掉這些豎井后，類似的現(xiàn)象轉(zhuǎn)而在其他的豎井上發(fā)生。

其實(shí)，“哮喘效應(yīng)”并非破壞了隧道的通風(fēng)效果，只是使得實(shí)際效果沒有人們根據(jù)平均風(fēng)速所預(yù)計(jì)的那么高。所以，沒必要因?yàn)椤跋?yīng)”而對(duì)豎井通風(fēng)的作用產(chǎn)生懷疑。

[1] 夏永旭.我國長大公路隧道通風(fēng)中的幾個(gè)問題[J].公路，2003(5):47-48.

[2] 蔣鵬飛，萬劍平，喻 波.雪峰山隧道通風(fēng)模型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)研究[J].中南公路工程，2006(1):11-12.

[3] 朱培根，梅 健，涂江峰，等.豎井型城市隧道阻滯交通狀況下自然通風(fēng)模型實(shí)驗(yàn)研究[J].流體機(jī)械，2012(1):25-26.