基于溫度效應的高豎井雙向公路隧道集中排風模式分析

陳外才 陳林翼

摘 要：分析高豎井雙向公路隧道熱位差對隧道集中排風的影響規(guī)律，進一步優(yōu)化高豎井雙向公路隧道的通風模式。

關(guān)鍵詞：高豎井雙向公路隧道；熱位差；集中排風；數(shù)值模擬

深埋長大公路隧道一般都會設置高豎井，高豎井內(nèi)易產(chǎn)生較大的熱位差，分析豎井內(nèi)熱位差如何影響公路隧道運營通風，研究優(yōu)化公路隧道的節(jié)能通風方案，可有效降低公路隧道通風能耗。

1 模型分析

公路隧道模型長6000m高9m，豎井寬6m高600m（參考秦嶺鐘南山公路隧道最高豎井高度），隧道兩端洞口各加上100m x 609m外部空氣流場。公路隧道豎井與兩端空氣域等高，隧道與兩端空氣域一起構(gòu)成U型管連通器通風系統(tǒng)。

2 熱位差對高豎井雙向公路隧道集中排風規(guī)律的影響分析

Fluent數(shù)值模擬中的公路隧道運營環(huán)境溫度設置為：0℃、10℃、20℃、30℃，公路隧道兩端洞口溫度取運營環(huán)境溫度，豎井口溫度分別取.3.6℃、6.4℃、16.4℃、26.4℃，公路隧道壁溫取20℃。豎井排風壓取.100Pa、.200Pa、.300Pa，公路隧道兩端洞口都取一個大氣壓，公路隧道壁粗糙度設0.07，雙向公路隧道兩個方向都有來車，不考慮隧道交通風壓。在Fluent軟件中根據(jù)實際情況設置模擬系數(shù)，開能量方程進行數(shù)值模擬，各工況模擬計算結(jié)果如下表。

由上表可知：高豎井雙向公路隧道冬季運營（環(huán)境溫度低于20℃）采用豎井集中排風方案可有效利用豎井內(nèi)的浮升熱位差（豎井內(nèi)存在較大的浮升熱位差），將極大地降低排風機能耗。此時，如豎井內(nèi)風機排風功率相同，則環(huán)境溫度越低隧道內(nèi)風速越大。同時由圖2知，高豎井雙向公路隧道冬季運營采用豎井集中排風方案時，隧道和豎井內(nèi)風速與豎井內(nèi)排風壓成正相關(guān)性，但隨著排風壓增大，兩者正相關(guān)性逐漸減弱，說明風機排風功率并非越大越好，應以滿足高豎井雙向公路隧道通風需求為宜（避免風機能耗浪費）。因此，高豎井雙向公路隧道冬季運營應采用豎井集中排風方案，如需打開豎井內(nèi)排風機排風，應設置合適的排風壓，避免能耗浪費。

由表格和圖3知，高豎井雙向公路隧道夏季（30℃環(huán)境溫度）運營采用豎井集中排風方案的通風情況如下：（1）豎井排風壓低于200Pa時，隧道為集中送風狀態(tài)，此時排風壓無法克服豎井內(nèi)浮升熱位差，隧道呈弱集中送風狀態(tài)，且隨著排風壓增大，隧道和豎井內(nèi)風速逐漸減小。（2）排風壓增大至200Pa，排風壓剛好克服豎井內(nèi)熱位差，豎井內(nèi)空氣基本處于靜止狀態(tài)（如圖4），此時隧道和豎井風速降至最低。（3）排風壓達到300Pa時，隧道通風狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榧信棚L狀態(tài)，隧道和豎井內(nèi)風速開始隨著排風壓增大逐漸增大。故高豎井雙向公路隧道夏季（環(huán)境溫度為30℃）運營采用豎井集中排風方案存在能耗浪費的現(xiàn)象，此時豎井排風機需克服豎井內(nèi)沉降熱位差才能將隧道內(nèi)空氣排出，且豎井越高需克服的浮升熱位差越大。故高豎井雙向公路隧道夏季不宜采用豎井集中排風方案通風。

3 結(jié)論

（1）高豎井雙向公路隧道夏季通風不宜采用豎井集中排風方案，需進一步論證豎井集中送風方案可行性；

（2）高豎井雙向公路隧道冬季通風應采用豎井集中排風方案，如需打開豎井內(nèi)排風機排風，應設置合適的排風壓（隧道運營中進行調(diào)試），避免能耗浪費。

參考文獻：

[1]陳外才.帶豎井公路隧道運營通風熱位差利用數(shù)值模擬[D].長安大學，2015.

作者簡介：陳外才（1986.），男，漢族，四川成都人，碩士，中級工程師，主要研究方向：橋梁與隧道工程；陳林翼（1995.），男，漢族，湖南郴州人，本科，主要研究方向：工程管理。