曲線線型對公路隧道運營通風(fēng)影響研究

白 赟 袁 松

(四川省交通勘察設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610017)

近年來，隨著我國山區(qū)高速公路的大力發(fā)展，為了提升線路高程、縮短隧道長度和選擇合適的洞口，曲線線型越來越多地在隧道平面設(shè)計中被采用。但曲線隧道運營通風(fēng)時的通風(fēng)阻力明顯異于常規(guī)直線隧道，而我國公路隧道運營通風(fēng)的計算與設(shè)計仍停留在直線隧道層面上，《公路隧道通風(fēng)設(shè)計細(xì)則》關(guān)于直線隧道運營通風(fēng)的計算，對不同曲率的曲線隧道適用性如何，是在隧道通風(fēng)設(shè)計階段一個亟待解決的問題[1]。

對于公路隧道通風(fēng)阻力問題，已有很多學(xué)者進(jìn)行了研究。Martegani采用數(shù)值模擬方式對隧道側(cè)壁粗糙度與隧道通風(fēng)阻力之間的關(guān)系進(jìn)行了研究，得到的模擬結(jié)果與試驗結(jié)果吻合度較高[2]；Bener等采用理論公式和CFD模擬相結(jié)合的方法對公路隧道洞口局部阻力及局部摩阻損失系數(shù)進(jìn)行了相關(guān)研究，經(jīng)驗證，其值與實際情況較為貼合[3]；仇玉良等以秦嶺終南山特長公路隧道為工程背景，對噴射混凝土壁面的摩阻損失系數(shù)進(jìn)行了測算與分析，并總結(jié)了壁面粗糙度與沿程阻力系數(shù)的關(guān)系[4]；王亞瓊等以茅荊壩隧道的通風(fēng)斜井為依托，對隧道通風(fēng)斜井壁面的沿程阻力系數(shù)進(jìn)行了測算并對隧道通風(fēng)相關(guān)計算提出了參考建議[5]；溫玉輝采用數(shù)值模擬的方法對公路隧道沿程阻力系數(shù)進(jìn)行了模擬分析，并給出了最小值和最大值的取值參考[6]；武義凱基于隧道通風(fēng)與流體力學(xué)的基本理論，采用CFD軟件FLUENT進(jìn)行模擬，得出壁面在不同粗糙單元高度和不同粗糙單元間距下壁面的摩阻損失系數(shù)及規(guī)律[7]。針對曲線隧道的通風(fēng)問題，王峰等采用CFD方法對曲線公路隧道的沿程阻力系數(shù)及射流風(fēng)機的布置方式進(jìn)行了研究，并提出了小半徑隧道沿程阻力系數(shù)的計算方法[8,9]；蘆峰以一半橫向通風(fēng)的曲線公路隧道為研究對象，對曲線型公路隧道的火災(zāi)煙氣控制進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，并探討了在曲線區(qū)域應(yīng)用射流風(fēng)機控制煙氣的可行性[10]；何佳以干海子曲線公路隧道為工程依托，應(yīng)用大渦模擬技術(shù)，對小半徑曲線公路隧道火災(zāi)煙氣蔓延規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，并提出了煙氣危害的控制方法[11]。通過查閱文獻(xiàn)可以發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)外學(xué)者對于直線公路隧道的通風(fēng)問題研究較多，關(guān)于曲線隧道通風(fēng)問題有一些研究，但也多是針對曲線公路隧道火災(zāi)控?zé)焼栴}的研究，僅有王峰針對曲線公路隧道沿程阻力系數(shù)做了相關(guān)研究，并無針對曲線公路隧道較直線隧道通風(fēng)效率的相關(guān)研究。

本文采用流體力學(xué)計算軟件FLUENT，對不同曲率半徑的曲線隧道通風(fēng)過程進(jìn)行三維模擬計算，通過對通風(fēng)過程中曲線隧道內(nèi)相對通風(fēng)阻力的對比，探究曲線線型對公路隧道運營通風(fēng)效率的影響。

1 計算理論

空氣在隧道內(nèi)流動屬于非定常湍流流動，而湍流的特點是任一時刻流體內(nèi)任意點的運動仍然滿足連續(xù)介質(zhì)的流動特征，即隧道內(nèi)流場中所有的空間點滿足質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒三大方程[12]。各方程表達(dá)如下[13,14]：

質(zhì)量守恒方程為:

(1)

其中，ρ為流體密度；ui為流體在i方向的速度；xi為i方向的坐標(biāo)。

動量守恒方程為:

(2)

其中，ρ為微元體上的壓力；σij為微元體受到的粘性應(yīng)力；ρgi為i方向的體積力；Fi為污染源、熱源等引起的源項。

能量守恒方程為:

(3)

其中:

其中，T為絕對溫度；E為單位體積總能，E=CVT，CV為定容比熱；K為熱傳導(dǎo)系數(shù)；μ為動力粘性系數(shù)；δij為克羅內(nèi)克符號，當(dāng)i=j時，δij=1，當(dāng)i≠j時，δij=0。

2 數(shù)值模擬

2.1 計算模型的建立

采用建模軟件Gambit建立三維模型，隧道橫斷面采用高速公路隧道常用的兩車道斷面(如圖1所示)，分別建立曲率半徑為600 m，1 200 m，2 400 m的隧道模型，計算模型如圖2所示。

2.2 邊界條件的設(shè)定

隧道壁面和路面設(shè)定為壁面(wall)邊界條件，隧道入口設(shè)定為速度入口(velocity-inlet)邊界條件，隧道出口設(shè)定為壓力出口(pressure-outlet)邊界條件[15]。

2.3 模擬工況

為研究曲線線型對隧道通風(fēng)阻力的影響，分別對曲率半徑為600 m，1 200 m，2 400 m和∞(直線)各1 000 m長的隧道進(jìn)行通風(fēng)模擬，計算時隧道入口風(fēng)速取4 m/s。各數(shù)值模擬工況見表1。

表1 數(shù)值模擬工況

3 模擬結(jié)果及分析

分別就隧道內(nèi)流速場和壓力場兩方面來分析曲率半徑對隧道通風(fēng)的影響。

3.1 不同曲率半徑下隧道流速場分析

不同曲率半徑下隧道中部橫斷面風(fēng)速分布云圖見圖3。

由圖3可知，隧道橫斷面風(fēng)速受隧道曲線線型的影響，呈現(xiàn)出不對稱的特征，相同長度的隧道，曲率半徑越小，隧道橫斷面內(nèi)風(fēng)速不對稱性越明顯，隧道外側(cè)風(fēng)速越大；當(dāng)曲率半徑為600 m時，隧道內(nèi)有效風(fēng)速已偏移到斷面外側(cè)1/3區(qū)域處。反之，隧道曲率半徑越大，隧道中部斷面風(fēng)速分布越均衡，其分布特點越接近直線隧道；當(dāng)曲率半徑為2 400 m時，隧道中部斷面風(fēng)速已接近于直線隧道的分布。

3.2 不同曲率半徑下隧道壓力場分析

不同曲率半徑下隧道中部橫斷面壓力分布云圖見圖4。

由圖4可知，曲線線型影響隧道橫斷面內(nèi)壓力的分布，相同長度的隧道，曲率半徑越小，隧道橫斷面內(nèi)壓力分布的不對稱性越明顯，隧道橫斷面內(nèi)較大壓力區(qū)域越往外側(cè)偏移；當(dāng)曲線半徑為600 m時，隧道中部橫斷面內(nèi)較大壓力分布在斷面外側(cè)1/3區(qū)域。反之，曲線半徑越大，隧道橫斷面內(nèi)的壓力越接近于對稱分布；當(dāng)曲率半徑為2 400 m時，隧道橫斷面內(nèi)的壓力分布與直線隧道類似，已接近于對稱分布。

將隧道出口斷面與入口斷面的平均壓力差視為該隧道的通風(fēng)壓力損失，即通風(fēng)阻力，并令該值與入口斷面初始壓力之比為該隧道的相對通風(fēng)阻力，該值表示隧道通風(fēng)動力損失率。通過模擬計算結(jié)果得到不同曲率半徑隧道的相對通風(fēng)阻力如表2所示。

表2 不同曲率半徑隧道的相對通風(fēng)阻力

由表2可知，相同長度的隧道，在入口通風(fēng)風(fēng)速相等的情況下，隧道線型的曲率半徑越小，隧道的相對通風(fēng)阻力越大，表明隧道通風(fēng)動力損失率越大，即隧道通風(fēng)動力的有效利用率越低；反之，增大隧道線型的曲率半徑，隧道通風(fēng)時可以有效利用通風(fēng)動力，當(dāng)曲率半徑大于1 200 m時，相對通風(fēng)阻力與直線隧道較為接近；因此，從隧道通風(fēng)動力利用率角度考慮，建議曲線隧道的曲率半徑不小于1 200 m。

4 結(jié)論

本文采用流體力學(xué)計算軟件FLUENT，計算分析了不同曲率半徑對曲線線型隧道通風(fēng)效果的影響，并就曲率半徑、隧道長度和通風(fēng)風(fēng)速對曲線隧道通風(fēng)動力利用率進(jìn)行了研究，得到如下結(jié)論：

1)曲線隧道通風(fēng)時，曲線線型影響隧道橫斷面內(nèi)風(fēng)速和壓力的分布；相同長度的隧道，曲率半徑越小，隧道橫斷面內(nèi)風(fēng)速和壓力分布的不對稱性越明顯，隧道橫斷面內(nèi)較大的風(fēng)速和壓力區(qū)域越往外側(cè)偏移。

2)相同長度的隧道，在入口通風(fēng)風(fēng)速相等的情況下，隧道線型的曲率半徑越小，隧道的相對通風(fēng)阻力越大，表明隧道通風(fēng)動力損失率越大，即隧道通風(fēng)動力的有效利用率越低；反之，增大隧道線型的曲率半徑，隧道通風(fēng)時可以有效利用通風(fēng)動力。

3)當(dāng)曲率半徑大于1 200 m時，相對通風(fēng)阻力與直線隧道較為接近；因此，從隧道通風(fēng)動力利用率角度考慮，建議曲線隧道的曲率半徑不小于1 200 m。