隧道通風中軸流風機并聯(lián)運行安全性研究

宋 雕，李 喆，馮志勇，蘭 海

（1. 四川川交路橋有限責任公司，四川 廣漢 618000；2. 長安大學道路施工技術(shù)與裝備教育部重點實驗室，陜西 西安 710064）

隨著我國交通運輸業(yè)的發(fā)展，修建的山區(qū)公路中隧道占比越來越大。在隧道瀝青路面鋪裝施工過程中，高溫瀝青混合料會釋放大量的有毒氣體，嚴重影響作業(yè)人員的身體健康和施工進度。隧道中若存在一定濃度的瓦斯氣體，還會給施工帶來安全隱患［1］。在隧道運營過程中，也存在著車輛排放的有害氣體，對長時間停留在隧道內(nèi)人員的身體健康產(chǎn)生威脅［2］。因此，無論在隧道施工還是隧道運營過程中，通風都是關(guān)鍵問題［3］。隧道通風通常采用2臺軸流風機并聯(lián)運行，但由于其葉片自身結(jié)構(gòu)、管網(wǎng)阻力特性的變化等因素，導(dǎo)致其在隧道中工作時可能會出現(xiàn)失速甚至是喘振現(xiàn)象，對風機造成破壞，影響其運行安全［4-6］。

許多學者對軸流風機運行安全性進行了研究。周靜等人分析了軸流風機的喘振機理并提出了一些預(yù)防措施［7］；李春宏通過實際案例分析了軸流風機出現(xiàn)喘振的原因［8］；王明奎、李文英對發(fā)生失速與喘振的軸流風機進行了數(shù)值模擬，并分析了風機內(nèi)部流場特性［9］?，F(xiàn)有資料多是針對單臺軸流風機發(fā)生失速及喘振的情況進行研究，而關(guān)于軸流風機并聯(lián)運行安全性的研究相對匱乏。2臺風機并聯(lián)時，彼此之間的相互作用會誘導(dǎo)失速及喘振現(xiàn)象出現(xiàn)。為研究風機并聯(lián)失速及喘振問題，本文通過CFD（計算流體動力學）對軸流風機并聯(lián)運行進行仿真模擬，以確定設(shè)置風機工作參數(shù)的合理范圍以及風機最佳安裝位置，為實際工程提供參考。

1 軸流風機并聯(lián)工作分析

1.1 軸流風機運行原理

單臺軸流風機以一定轉(zhuǎn)速運行時，其風機性能曲線是由無數(shù)組流量和對應(yīng)的壓力值組成。風機在性能曲線上哪一點工作，取決于所連接的管路特性，即整個隧道的阻力特性。

圖1 軸流風機運行原理圖

如圖1所示為軸流風機運行原理圖，其中P為風機全壓，Q為風機流量，ab為風機特性曲線，曲線1、2、3為管網(wǎng)特性曲線，風機特性曲線與管網(wǎng)特性曲線的交點為風機此時的運行工況點。當管網(wǎng)特性改變時，風機的運行工況點也隨之改變，達到自動平衡。當增大管網(wǎng)阻力時，風機運行工況點由1移動至2，此時壓力增加，流量減小。當減小管網(wǎng)阻力時，風機運行工況點由1移動至3，此時壓力減小，流量增加?？梢钥闯觯S流風機運行工況取決于管網(wǎng)特性。

1.2 軸流風機并聯(lián)運行原理

圖2為型號相同、運行轉(zhuǎn)速相同的2臺軸流風機并聯(lián)運行的工作原理圖。其中P為風機全壓，Q為風機流量，Ⅰ為單臺軸流風機工作時的特性曲線，Ⅱ為采用2臺風機并聯(lián)運行時的特性曲線，Ⅲ為管網(wǎng)特性曲線。其性能曲線滿足如下條件：在同一壓力條件下，并聯(lián)運行時的流量為單臺風機運行時的2倍?？梢钥闯?，在同一管網(wǎng)阻力特性下，采用2臺風機并聯(lián)時流量大幅度提高，但總風量小于2臺風機風量之和。

圖2 軸流風機并聯(lián)運行原理圖

在長大隧道瀝青路面鋪裝過程中，由于隧道橫斷面積大，通風所需風量大，單臺風機風量難以滿足需求，此時可增加1臺或多臺風機并聯(lián)運行，以提高總風量，滿足隧道施工通風需求［10］。

2 軸流風機失速及喘振現(xiàn)象分析

由于軸流風機葉片的特殊結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致軸流風機特性曲線具有駝峰，其峰值點B右側(cè)為穩(wěn)定工作區(qū)，峰值點左側(cè)為不穩(wěn)定工作區(qū)［11-12］，如圖3所示。

圖3 典型軸流風機性能曲線

圖3為典型軸流風機性能曲線，其中P為風機全壓，Q為風機流量。風機最初運行在AB段的穩(wěn)定工作區(qū)，當系統(tǒng)阻力增加時，風機流量相應(yīng)減小。若流量減小至低于點B對應(yīng)流量時，風機葉片氣流不穩(wěn)定，風機進入失速狀態(tài)。軸流風機在點C回到“半穩(wěn)定”的第二條特性曲線上，此時流量可以進一步減小，同時阻力又開始增加。若系統(tǒng)阻力降低使風機的工作點從點D移動回到點E，隨著進一步降低系統(tǒng)阻力，工作點將會從該點跳回到穩(wěn)定工作點F。由B、C、E、F組成的區(qū)域是風機運行極其不穩(wěn)定的區(qū)域，氣體具有不確定的流動性。在不穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)，當軸流風機發(fā)生失速時，風機壓力突然降低。由于管網(wǎng)系統(tǒng)容量較大，使得管網(wǎng)中壓力大于風機出口壓力，風機無法向系統(tǒng)排出風量，反而系統(tǒng)中的風量要向風機內(nèi)部倒流。隨后風機自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)又向管網(wǎng)輸送氣體，管網(wǎng)壓力回升。如此不斷循環(huán)，就會形成喘振［13］。

根據(jù)上述分析，風機能否平穩(wěn)運行取決于管路系統(tǒng)阻力的變化。若風機出口所受的外界壓力大于風機輸出的出口壓力，風機會發(fā)生失速現(xiàn)象，并進一步形成喘振［14］。

當2臺軸流風機并聯(lián)運行時，風機內(nèi)部流場及回流區(qū)的變化相較于單臺軸流風機運行要復(fù)雜得多。尤其當2臺風機運行參數(shù)不同、輸出流量與風壓有較大差異時，對并聯(lián)工況下實際流動情況進行監(jiān)測十分困難。

3 軸流風機并聯(lián)運行仿真分析

2臺軸流風機并聯(lián)工作時，對于其中一臺風機而言，另一臺風機的輸出流量與風壓相當于是管路系統(tǒng)的一部分，2臺風機之間相互影響。為研究風機之間的相互作用對其發(fā)生失速及喘振現(xiàn)象的影響，采用FLUENT軟件對2臺風機并聯(lián)工況下的系統(tǒng)流場進行仿真分析。

3.1 數(shù)值模型

隧道輪廓參數(shù)參考米倉山隧道，隧道模型高8.6m，寬15m，長60m。風機尺寸參考SDS-12.5射流風機，風機截面直徑1460mm。由于本仿真僅觀察風機出口外界壓力數(shù)值，為簡化仿真模型，使用2個圓形截面表示風機，2臺風機對稱安裝在隧道入口截面高5m處，風機相距5.6m，采用三維建模軟件Unigraphics NX對隧道及風機以10：1比例建模。將模型導(dǎo)入ANSYS mesh中進行網(wǎng)格劃分，如圖4所示。

圖4 隧道網(wǎng)格劃分模型

通過計算流體動力學FLUENT軟件采用標準κ-ε雙方程模型，并對模型進行求解［15-16］。邊界條件設(shè)置如下：

（1）隧道壁面設(shè)置為墻面wall，參數(shù)保持為默認數(shù)值。

（2）隧道進口與出口均為速度進口邊界，本仿真不考慮隧道內(nèi)外壓差及自然風影響，設(shè)置為Velocity-inlet，速度取0m/s。

（3）2臺風機截面為壓力出口邊界，設(shè)置為Pressure-outlet，壓力數(shù)值根據(jù)試驗條件設(shè)定。

3.2 并聯(lián)風壓比

將左側(cè)風機設(shè)置為高壓風機，出口壓力PH依次為0Pa、120Pa、140Pa、160Pa、180Pa、200Pa、240Pa、280Pa、320Pa、360Pa，將右側(cè)風機設(shè)置為低壓風機，出口壓力PL始終為0Pa。對求解結(jié)果中右側(cè)風機外界壓力監(jiān)測值P進行記錄，記錄結(jié)果如表1所示。

表1 第1組右側(cè)風機外界壓力監(jiān)測值/Pa

表1中監(jiān)測值即為右側(cè)風機在左側(cè)風機風壓下不發(fā)生失速的臨界風壓值。保持左側(cè)風機壓力數(shù)值同上，將右側(cè)風機出口壓力數(shù)值依次設(shè)置為相對應(yīng)的臨界風壓值，其他參數(shù)不做變化，再對求解結(jié)果中右側(cè)風機外界壓力進行記錄，如表2所示。

表2 第2組右側(cè)風機外界壓力監(jiān)測值/Pa

再次進行上述操作，將右側(cè)風機外界壓力進行記錄，如表3所示。

表3 第3組右側(cè)風機外界壓力監(jiān)測值/Pa

根據(jù)表1-3中數(shù)據(jù)可以看出，當?shù)蛪猴L機同高壓風機并聯(lián)工作時，低壓風機外界壓力始終大于低壓風機出口壓力，因此低壓風機一直存在發(fā)生失速的可能性。以左側(cè)風機出口壓力為橫坐標，右側(cè)風機外界壓力監(jiān)測值為縱坐標，將上述3組數(shù)據(jù)繪制在同一坐標系中，如圖5所示。

圖5 右側(cè)風機外部壓力監(jiān)測值與左側(cè)風機出口壓力關(guān)系

從圖中可以看出，對于同一隧道的固定位置，一側(cè)風機出口壓力與其對另一側(cè)風機外界壓力影響呈線性關(guān)系。對3組數(shù)據(jù)進行擬合，擬合結(jié)果分別為P=0.605PH，P=0.842PH，P=0.947PH，其中P/PH=0.605為仿真位置風機并聯(lián)工作發(fā)生失速的臨界風壓比。定義風壓比φ為低壓風機出口壓力PL與高壓風機出口壓力PH的比值，如式（1）所示。

因此風壓比φ取值范圍為φ∈［0，1］。當?shù)蛪猴L機出口壓力PL為0時，風壓比φ為0；當?shù)蛪猴L機出口壓力PL與高壓風機出口壓力PH相等時，風壓比φ為1。

3.3 失速可能性大小評估

以下就不同風壓比時風機發(fā)生失速可能性大小進行對比分析，采用失速因子δ對失速可能性大小進行評估。失速因子δ表示在某一風壓比下，風機外界壓力超出風機出口壓力的壓力值對風機失速情況產(chǎn)生的影響。δ越大表明當前風壓比下風機越容易發(fā)生失速，反之則表明當前風壓比下風機越不易發(fā)生失速。其計算方法如式（2）所示。

選擇不同風壓比進行數(shù)據(jù)記錄并計算失速因子，計算結(jié)果如表4所示。

表4 不同風壓比下的失速因子

由表4可知，2臺風機并聯(lián)風壓比φ越大，即2臺風機壓差越小，失速因子δ越小，風機越不易發(fā)生失速，難以形成喘振現(xiàn)象，風機工作平穩(wěn)；當風壓比φ為1，即2臺風機輸出壓力相同時，失速因子為0，表示從理論上講，此時風機不會因外界壓力而發(fā)生失速和喘振現(xiàn)象。因此在實際工程應(yīng)用中，當2臺風機并聯(lián)工作時，為保證風機能夠平穩(wěn)工作，應(yīng)將2臺風機風壓比盡可能設(shè)置大一些，最小不低于該位置的臨界風壓比。

4 并聯(lián)安裝位置對軸流風機喘振影響

隧道內(nèi)風機并聯(lián)工作時，彼此之間的相互作用與二者的布置位置具有某種關(guān)系，同時風機與隧道作為一個系統(tǒng)而言，隧道內(nèi)壁對風機出流也會產(chǎn)生一定的影響［17］。為得到2臺風機并聯(lián)的最佳安裝位置，以下對2臺風機間距以及風機安裝高度分別進行仿真分析。

4.1 2臺風機間距對臨界風壓比的影響

將2臺風機對稱布置在距離隧道路面高4.5m處，將風機間距依次設(shè)置為3.0m、4.0m、4.5m、5.0m、5.5m、6.0m、7.0m、9.0m，使用與前述相同的參數(shù)設(shè)置方式與數(shù)據(jù)采集位置，將不同風機間距的臨界風壓比記錄在表5中，并根據(jù)數(shù)據(jù)繪制曲線，如圖6所示。

表5 不同風機間距下的臨界風壓比

圖6 臨界風壓比與風機間距關(guān)系

由圖6可以看出，2臺風機臨界風壓比與風機間距關(guān)系曲線有極小值點，存在最佳風機間距。臨界風壓比在2臺風機間距5.0m時達到最低值0.618；當2臺風機間距由5.0m逐漸減小時，臨界風壓比逐漸增大。這是由于2臺風機間距越來越小，風機相互間的作用越來越明顯，高壓風機對低壓風機的干涉作用變強，如圖7所示。當2臺風機間距由5.0m逐漸增大時，臨界風壓比也增加。這是由于風機間距增加，隧道邊緣墻壁對風機出流的影響越發(fā)顯著，如圖8所示。

圖7 風機間距3m壓力云圖

圖8 風機間距9m壓力云圖

4.2 風機安裝高度對臨界風壓比的影響

將2臺風機對稱布置在隧道中，風機間距為6.0m，安裝高度依次設(shè)置為3.5m、4.0m、4.5m、5.0m、5.5m，使用相同的參數(shù)設(shè)置方式與數(shù)據(jù)采集位置，將不同風機安裝高度的臨界風壓比記錄在表6中。

表6 不同安裝高度下的臨界風壓比

由表6可知，當風機安裝在5.0m處時，臨界風壓比達到最低值0.621；當安裝高度由5m增加或減小時，臨界風壓比均呈上升趨勢。這是由于過高的高度會使風機與隧道頂部墻體距離減小，過低的安裝高度會使風機與隧道路面的距離減小。隧道頂部墻體與隧道路面均會對風機出流的外部流場產(chǎn)生較大影響，從而導(dǎo)致臨界風壓比上升。

5 結(jié)論

在隧道通風過程中，軸流風機并聯(lián)時流場相對復(fù)雜，發(fā)生失速甚至喘振現(xiàn)象的可能性較高。本文通過FLUENT對風機并聯(lián)工作進行仿真分析，得到以下結(jié)論：

（1）2臺風機并聯(lián)工作時，對于同一安裝位置來說，一側(cè)風機出口壓力與其對另一側(cè)風機外界壓力的影響呈線性關(guān)系。風壓比越大，失速因子越小。風機工作發(fā)生失速的可能性越小，工作越穩(wěn)定。當風壓比為1，即2臺風機風壓相同時，風機不會因外界壓力而出現(xiàn)失速現(xiàn)象。

（2）2臺風機并聯(lián)工作時，風機安裝位置對臨界風壓比有較大影響，存在最佳安裝位置，在該位置上風機臨界風壓比最小。仿真結(jié)果表明，對于本文所述隧道模型而言，2臺風機間距5m，且風機安裝高度為5m處是最佳安裝位置。