城市地下綜合管廊通風(fēng)縮尺模型的相似性研究

徐元寶

（山西省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院工程設(shè)計(jì)中心，030010）

1 城市地下綜合管廊通風(fēng)系統(tǒng)縮尺模型建立

根據(jù)相似理論要求，需要對(duì)城市地下綜合管廊的通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行新的界定，在了解原型以及模型各邊界條件及其物理參數(shù)的基礎(chǔ)上，采用Fluent 軟件構(gòu)建模型，該模型能夠分別模擬不同工況，并通過計(jì)算的方法做出相似性判斷，這樣才能為指導(dǎo)后續(xù)研究提供必要的支持[1]。

1.1 案例簡(jiǎn)介

選擇本地區(qū)某綜合管道任意一段的通風(fēng)區(qū)間為原型。該案例的區(qū)間總長(zhǎng)度為200m，長(zhǎng)寬均為3m，艙室兩側(cè)布置電纜，墻壁上各有5 條回路，采用平行布置方法，上下相鄰電纜之間的間距為0.5m；在進(jìn)風(fēng)口位置布設(shè)風(fēng)機(jī)，該風(fēng)機(jī)能夠持續(xù)地向綜合管廊內(nèi)提供風(fēng)力，以艙室內(nèi)部為風(fēng)道，流動(dòng)到排風(fēng)口后將風(fēng)力傳送到外側(cè)；電纜在送電期間會(huì)產(chǎn)生一定的熱量而影響空氣溫度，但因?yàn)閴Ρ谝约翱臻g結(jié)構(gòu)傳導(dǎo)的影響，部分熱量會(huì)通過墻壁面直接發(fā)散到土壤中。

1.2 控制方程的構(gòu)建

根據(jù)相似理論的相關(guān)內(nèi)容可知，為了保障縮尺模型與原型具有一致性，則設(shè)計(jì)人員必須考慮兩個(gè)重要的相似條件，分別為：（1）幾何相似條件。所構(gòu)建的縮尺模型應(yīng)該嚴(yán)格按照原型的尺寸遵照特定比例縮小，這樣才能滿足幾何相似的要求，本次研究中將采用了1:5 的方法縮小原型。（2）運(yùn)動(dòng)相似性。確保縮尺模型所處環(huán)境相同，這樣模型的仿真結(jié)果才能對(duì)原型的管理、建設(shè)有益。對(duì)模型的相似參數(shù)進(jìn)行推導(dǎo)，期間原型與模型之間的控制方程要確保具有一致性。之后在描述方程流動(dòng)轉(zhuǎn)熱過程中，控制方程需要充分考慮不同工況下的要求，所以本文本文提出了一種連續(xù)方程控制模式，其關(guān)系式為：

在方程式（1）中，xuyuzu分別代表在X 軸、Y 軸、Z 軸上的速度，其單位為m/s；p為密度，單位為kg/m3；?為導(dǎo)熱系數(shù)，單位為W/（m·°C）。

1.3 邊界條件參數(shù)比例的確定

Gr 準(zhǔn)則可以用于判斷自然對(duì)流的條件，在該案例中，本文考慮到浮升力等因素會(huì)帶來氣流變化，在強(qiáng)制對(duì)流條件下適當(dāng)忽視Gr 對(duì)地下綜合管廊的影響，并在其他外部條件基本相同的情況下，通過Fluent 軟件做數(shù)值運(yùn)算，判斷假設(shè)的正確性。

2 數(shù)值仿真計(jì)算

2.1 模型簡(jiǎn)化

考慮到本案例管廊的具體情況，采用模型簡(jiǎn)化方法能夠進(jìn)一步降低數(shù)據(jù)分析難度，所以在簡(jiǎn)化模型期間，可以針對(duì)模型做出以下判斷：

（1）該模型具有良好的穩(wěn)定性，尤其是當(dāng)放熱量與散熱量實(shí)現(xiàn)平衡的情況下，其溫度場(chǎng)的分布會(huì)隨著時(shí)間的變化而發(fā)生改變。（2）電纜支架受空間因素的影響小，所以在模型分析期間可以忽略電纜以及電纜支架幾何結(jié)構(gòu)的影響。

在此基礎(chǔ)上，結(jié)合原型的數(shù)據(jù)構(gòu)建縮尺模型，則幾何結(jié)構(gòu)與原型結(jié)構(gòu)之間的參數(shù)對(duì)比結(jié)果如表1所示。

表1 幾何數(shù)據(jù)的對(duì)比結(jié)果（單位：m）

2.2 邊界條件的實(shí)現(xiàn)

通過數(shù)據(jù)計(jì)算的方法能夠描述流體流動(dòng)的傳熱過程，并確定其中數(shù)據(jù)預(yù)算的要求，要注意確保運(yùn)算過程的控制方向滿足相似理論中所提到的控制方程[2]。

所以在數(shù)據(jù)運(yùn)算環(huán)節(jié)，本文采用湍流模型以及空氣模型的要求，在考慮地下綜合管廊通風(fēng)特性的基礎(chǔ)上，評(píng)價(jià)受熱、浮生力等因素對(duì)傳熱的影響，所以本文縮尺模型中空氣的關(guān)鍵物理參數(shù)為：密度1.225kg/m3，比熱容1006.4J/（kg·°C），導(dǎo)熱系數(shù)0.0219W/（m·°C）。其中邊界條件的設(shè)計(jì)要求為：在進(jìn)出風(fēng)口的設(shè)計(jì)上，采用了機(jī)械通風(fēng)+自然通風(fēng)的方法，其中進(jìn)風(fēng)口為速度進(jìn)邊界條件，排風(fēng)口為壓力出邊界條件。

3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與方法

3.1 實(shí)驗(yàn)測(cè)量?jī)?nèi)容與測(cè)量設(shè)備

為了能夠有效模擬地下綜合管廊通風(fēng)縮尺模型的相關(guān)指標(biāo)，判斷任意端面的平均風(fēng)速等數(shù)據(jù)，在模型的基礎(chǔ)上設(shè)置了6 個(gè)斷面，采用全壓差測(cè)量方法檢測(cè)每個(gè)斷面的狀態(tài)。

所采用的測(cè)量設(shè)備包括壓差傳感器、風(fēng)速傳感器等，測(cè)量數(shù)據(jù)依靠數(shù)據(jù)采集模塊提取，其采集軟件為L(zhǎng)ABVIEW。

3.2 縮尺模型的平均風(fēng)速

在不同類型鍛煉中，地下綜合管廊艙室在任意環(huán)境下的通風(fēng)風(fēng)速會(huì)發(fā)生明顯變化，根據(jù)模型的仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)、排風(fēng)口位置，考慮到此處兩端的斷面小，風(fēng)速大；而艙室內(nèi)部的斷面大、風(fēng)速相對(duì)較小，這種情況會(huì)導(dǎo)致艙室內(nèi)部壓力呈現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)。

所以為了可以了解縮尺模型在進(jìn)出風(fēng)口位置的局部阻力以及艙室沿程阻力特性，將需要進(jìn)一步判斷各個(gè)區(qū)段的范圍區(qū)間，根據(jù)不同時(shí)間段的風(fēng)速監(jiān)測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，平均風(fēng)速的偏差值波動(dòng)區(qū)間為6%-10%，而因?yàn)轱L(fēng)速的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性正相關(guān)，因此選擇偏差更小的斷面進(jìn)行沿程阻力判斷。最后的判斷結(jié)果顯示，在管線面積占比最大的情況下，其有效通風(fēng)面積越小，反之亦然；相同流量條件下，發(fā)現(xiàn)其他斷面的監(jiān)測(cè)結(jié)果也發(fā)現(xiàn)，其他斷面的平均風(fēng)速與頻率基本相同，最終的監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同斷面下測(cè)量的平均風(fēng)速

根據(jù)圖1的相關(guān)資料可發(fā)現(xiàn)，除了斷面3 之外，其他五個(gè)斷面的風(fēng)速基本相同。

3.2 熱力相似性分析結(jié)果

在熱力相似性分析結(jié)果中，各個(gè)斷面的平均溫度使用Fluent 軟件來計(jì)算每個(gè)斷面的溫度變化，所以在本次研究中，通過直接從軟件計(jì)算中調(diào)用平均溫度結(jié)果，并分析縮尺模型與原型之間的相似性，這種方法能夠進(jìn)一步降低數(shù)據(jù)處理難度。

在本次研究中發(fā)現(xiàn)，縮尺模型與原型之間的溫度分布基本相同，其中從進(jìn)風(fēng)口到排風(fēng)口位置，空氣因?yàn)殡娎|的加熱效果會(huì)造成斷面平均溫度的變化。因此可判斷縮尺模型與原型之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系式基本相同的，縮尺模型的誤差得到了有效控制。因此本文將采用公式（2）來計(jì)算其中的相對(duì)誤差。

在公式（2）中，X 代表任意參數(shù)，包括阻力系數(shù)、溫度、速度等；Cx為對(duì)應(yīng)參數(shù)的比例系數(shù)。

之后對(duì)原型與縮尺模型的溫度分布云圖來判斷兩者溫度場(chǎng)的相似性，通過云圖的比較結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，原型與縮尺模型之間沿著流動(dòng)方向，其空氣溫度逐漸升高，并且在同一對(duì)應(yīng)的斷面上，兩者之間的云圖表現(xiàn)基本相同，并且靠近電纜位置的溫度更高，證明該縮尺模型是科學(xué)有效的。

結(jié)束語本文介紹的縮尺模型方法具有可行性，概模型的仿真結(jié)果與原型基本相同，因此認(rèn)為該縮尺模型具有極高的相似性，能夠?yàn)槲磥沓鞘械叵戮C合管廊通風(fēng)設(shè)計(jì)提供支持，值得進(jìn)一步推廣。