城市單艙綜合管廊最優(yōu)通風(fēng)量的數(shù)值模擬

劉士李, 王道靜, 劉麗, 殷敏

(國(guó)網(wǎng)安徽省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院, 安徽 合肥 230007)

0 引言

城市單艙綜合管廊的工程建設(shè)相比于地面建設(shè)具有難度大、投資高的特點(diǎn)，而城市單艙綜合管廊的通風(fēng)系統(tǒng)作為綜合管廊工程建設(shè)的主要部分，在建設(shè)規(guī)模上占據(jù)的比例比較大，一直以來(lái)都是減少投資審查的重點(diǎn)[1]。國(guó)外在城市單艙綜合管廊最優(yōu)通風(fēng)量數(shù)值模擬的研究發(fā)展非常成熟，已經(jīng)接近于完善，國(guó)外主要從1970年開(kāi)始研究綜合管廊最優(yōu)通風(fēng)量的數(shù)值模擬，歐洲一些國(guó)家以數(shù)值模擬理論為基礎(chǔ)，通過(guò)流體動(dòng)力學(xué)軟件來(lái)分析模擬管廊的最優(yōu)通風(fēng)量，并廣泛應(yīng)用到工程建設(shè)的各個(gè)階段[2]；國(guó)內(nèi)針對(duì)最優(yōu)通風(fēng)量數(shù)值模擬軟件的開(kāi)發(fā)研究已有二十年左右的歷史，數(shù)值計(jì)算與模擬伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用得到廣泛發(fā)展，許多學(xué)者的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也驗(yàn)證了數(shù)值模擬的可靠性，通過(guò)對(duì)不同數(shù)值模擬方法進(jìn)行比較，得到了綜合管廊的最優(yōu)通風(fēng)量。

文獻(xiàn)[3]分析了分支風(fēng)量之間的相互關(guān)系，通過(guò)改進(jìn)靈敏度矩陣，建立了通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)故障范圍庫(kù)，利用全覆蓋法布置了風(fēng)速傳感器及最優(yōu)數(shù)量，通過(guò)數(shù)值模擬程序?qū)︼L(fēng)速傳感器進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明該方法是可行的，但是該方法不利于污染物氣體排放；文獻(xiàn)[4]根據(jù)地鐵隧道電纜的特點(diǎn)，采用數(shù)值模擬的方式，對(duì)地鐵隧道電纜的熱解產(chǎn)物在不同的通風(fēng)模式下的毒害性分析，數(shù)值模擬結(jié)果顯示，該方法可以一定程度確保施工人員的安全，但是有毒物質(zhì)沒(méi)有排放到規(guī)定范圍內(nèi)，不利于統(tǒng)一管理。

基于以上背景，本文設(shè)計(jì)了一種城市單艙綜合管廊最優(yōu)通風(fēng)量數(shù)值模擬方法，為城市單艙綜合管廊提供安全保障。

1 城市單艙綜合管廊最優(yōu)通風(fēng)量數(shù)值模擬方法設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)置最優(yōu)通風(fēng)量數(shù)值模擬的邊界條件

對(duì)城市單艙綜合管廊最優(yōu)通風(fēng)量進(jìn)行數(shù)值模擬之前，先對(duì)數(shù)值模擬軟件初始化，將模擬參數(shù)導(dǎo)入到程序中，設(shè)置最優(yōu)通風(fēng)量數(shù)值模擬的邊界條件，最優(yōu)通風(fēng)量數(shù)值模擬的邊界條件包括綜合管廊風(fēng)口邊界條件、墻面及近地面邊界條件以及其他邊界條件等[5]。

(1)綜合管廊風(fēng)口邊界條件

綜合管廊風(fēng)口邊界條件的設(shè)置采用綜合管廊污染物濃度稀釋法，根據(jù)污染物稀釋結(jié)果，得到綜合管廊風(fēng)口的風(fēng)速v、風(fēng)向、湍流動(dòng)能k等參數(shù)。選用速度出入口作為送風(fēng)口和排風(fēng)口，為綜合管廊風(fēng)口的邊界條件提供速度值和方向、氣流動(dòng)能k、氣流耗散率ε、氣溫以及污染物濃度等參數(shù)[6]。其中氣流動(dòng)能k和氣流耗散率ε的計(jì)算式如式(1)—式(3)。

(1)

(2)

l=0.07L

(3)

式中，uavg表示綜合管廊中空氣的平均湍流速率;I表示氣體湍流強(qiáng)度;C表示給定的經(jīng)驗(yàn)理論值，通常設(shè)定為0.09;l表示氣體的湍流長(zhǎng)度;L表示綜合管廊風(fēng)口的關(guān)聯(lián)尺寸。針對(duì)綜合管廊處比較充分的氣體湍流而言，L通常可以近似于水力直徑。

為了使城市單艙綜合管廊處于微負(fù)壓狀態(tài)，防止綜合管廊內(nèi)部污染物流入周?chē)渌芾葍?nèi)，綜合管廊風(fēng)口的送風(fēng)量取排風(fēng)量值的85%，將綜合管廊送風(fēng)口的風(fēng)速設(shè)置為3.07 m/s，排風(fēng)口的風(fēng)速設(shè)置為2.87 m/s，以滿(mǎn)足綜合管廊內(nèi)部人員的舒適性[7]。綜合管廊風(fēng)口溫度取室外通風(fēng)設(shè)計(jì)參數(shù)，如表1所示。

表1 室外通風(fēng)設(shè)計(jì)參數(shù)

排風(fēng)口位于綜合管廊的側(cè)面，設(shè)置綜合管廊內(nèi)部污染物的初始濃度為3 mg/m3，排風(fēng)方向?yàn)樗较蛴?，排風(fēng)口處的風(fēng)速風(fēng)向?yàn)樗较蜃蟆?/p>

(2)墻面及近地面的邊界條件

將綜合管廊墻面和近地面的空氣流動(dòng)速度看作是零，與此對(duì)應(yīng)的氣流動(dòng)能k和氣流耗散率ε的值也是零，綜合管廊內(nèi)的氣體壓強(qiáng)值也為零，將綜合管廊的墻體設(shè)置為絕熱體，不讓其與外界發(fā)生熱傳導(dǎo)和熱交換。k-ε模型對(duì)于充分發(fā)展的氣體湍流才有效，而壁面函數(shù)的引入是對(duì)近地面和墻壁區(qū)的半經(jīng)驗(yàn)描述，但是考慮到近地面與墻壁區(qū)域的粘性影響，壁面函數(shù)可以將近地面和墻壁區(qū)與空氣流體的核心區(qū)域聯(lián)系起來(lái)，從而設(shè)定墻面及近地面的邊界條件[8]。

(3)其他邊界條件

城市單艙綜合管廊最優(yōu)通風(fēng)量的數(shù)值模擬中，將污染源設(shè)置在綜合管廊的車(chē)道上，根據(jù)車(chē)道流線(xiàn)布置，將污染源簡(jiǎn)化為3.6 m的帶狀污染源，空氣散發(fā)量的大小根據(jù)車(chē)道上不同路段的實(shí)際散發(fā)量來(lái)設(shè)定，而綜合管廊出入口邊界與外部氣流直接相通，將綜合管廊出入口選定為外部氣壓值的邊界條件。

在初始化數(shù)值模擬軟件的基礎(chǔ)上，利用室外通風(fēng)設(shè)計(jì)參數(shù)，設(shè)置了綜合管廊風(fēng)口的邊界條件，結(jié)合墻面及近地面邊界條件和其他邊界條件的設(shè)定，完成最優(yōu)通風(fēng)量數(shù)值模擬邊界條件的設(shè)置[9]。接下來(lái)通過(guò)消除余熱、污染物放散量以及換氣次數(shù)3個(gè)方面，來(lái)計(jì)算城市單艙綜合管廊的最優(yōu)通風(fēng)量。

1.2 計(jì)算城市單艙綜合管廊最優(yōu)通風(fēng)量

計(jì)算城市單艙綜合管廊最優(yōu)通風(fēng)量的方式有很多，城市單艙綜合管廊最優(yōu)通風(fēng)量的計(jì)算包括正常最優(yōu)通風(fēng)量計(jì)算和異常最優(yōu)通風(fēng)量計(jì)算。通過(guò)設(shè)計(jì)城市單艙綜合管廊的模擬示意圖，來(lái)計(jì)算城市單艙綜合管廊的最優(yōu)通風(fēng)量[10]。城市單艙綜合管廊模擬設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

圖1 城市單艙綜合管廊模擬設(shè)計(jì)圖

一般情況下，城市單艙綜合管廊的正常通風(fēng)量是根據(jù)綜合管廊內(nèi)部余熱量或污染物氣體的放散量來(lái)計(jì)算，通常取兩者之間的最大值作為城市單艙綜合管廊正常狀態(tài)下的最優(yōu)通風(fēng)量，消除余熱最優(yōu)通風(fēng)量的計(jì)算式和污染物氣體放散量的最優(yōu)通風(fēng)量計(jì)算式如下。

(1)消除余熱的最優(yōu)通風(fēng)量計(jì)算

假設(shè)城市單艙綜合管廊在正常狀態(tài)下，開(kāi)通n條管廊，單條管廊的散熱量為100kW，散熱總量為Q=100×103n，可以計(jì)算得到消除余熱的最優(yōu)通風(fēng)量為式(4)。

(4)

式中，a表示綜合管廊內(nèi)部的設(shè)計(jì)溫度，單位℃；b表示四季通風(fēng)計(jì)算溫度，單位℃；C表示比熱容;ρ表示綜合管廊內(nèi)部空氣密度;Δt表示溫度差。

(2)排除污染物氣體放散量的最優(yōu)通風(fēng)量計(jì)算

同樣假設(shè)城市單艙綜合管廊處于正常狀態(tài)下，計(jì)算最優(yōu)通風(fēng)量為式(5)

(5)

式中，L表示最優(yōu)通風(fēng)量，單位m3/h；W表示污染物氣體的最大放散量，單位kg/h；LEL表示污染物氣體的排放下限，單位mg/m3；K表示綜合管廊的安全系數(shù)，最小取值為4；T表示綜合管廊的環(huán)境溫度，單位℃。

在計(jì)算消除余熱和排除污染物氣體放散量的最優(yōu)通風(fēng)量的基礎(chǔ)上，采用全面通風(fēng)的方式，計(jì)算綜合管廊的進(jìn)風(fēng)量和排風(fēng)量，使綜合管廊內(nèi)部的污染物濃度降至最低[11]。當(dāng)綜合管廊處于全面通風(fēng)狀態(tài)時(shí)，綜合管廊內(nèi)部的污染物氣體濃度值基本保持不變，令綜合管廊內(nèi)部的污染物氣體濃度為C，污染物氣體量為G，綜合管廊通風(fēng)系統(tǒng)在開(kāi)啟dτ時(shí)間段內(nèi)，最優(yōu)通風(fēng)量的有質(zhì)量平衡方程如式(6)。

(6)

式中，G表示綜合管廊內(nèi)部污染物氣體的散發(fā)量，單位mg/h；C0表示污染物氣體的濃度，單位mg/m3；V表示污染物氣體的體積。

當(dāng)綜合管廊通風(fēng)系統(tǒng)開(kāi)啟t段時(shí)間之后，污染物氣體濃度就會(huì)從室外的濃度C0轉(zhuǎn)變成C，因此就形成了式(7)。

(7)

對(duì)式(7)求積分，可以得到式(8)。

(8)

當(dāng)通風(fēng)系統(tǒng)的開(kāi)啟時(shí)間趨近于無(wú)窮大時(shí)，綜合管廊內(nèi)部的污染物氣體濃度就會(huì)越趨于穩(wěn)定[12]，那么就可以計(jì)算城市單艙綜合管廊的最優(yōu)通風(fēng)量為式(9)。

(9)

從式(9)可以看出，影響城市單艙綜合管廊通風(fēng)量的因素有很多，污染物氣體濃度是影響最優(yōu)通風(fēng)量的直接因素，通風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)越苛刻，最優(yōu)通風(fēng)量就會(huì)越大。

以上模擬了城市單艙綜合管廊的設(shè)計(jì)圖，計(jì)算了消除余熱和排除污染物氣體放散量的最優(yōu)通風(fēng)量，在此基礎(chǔ)上，采用全面通風(fēng)的方式，計(jì)算了城市單艙綜合管廊的最優(yōu)通風(fēng)量[13]，接下來(lái)通過(guò)建立綜合管廊最優(yōu)通風(fēng)量數(shù)值模擬模型，來(lái)實(shí)現(xiàn)綜合管廊最優(yōu)通風(fēng)量的數(shù)值模擬。

1.3 數(shù)值模擬綜合管廊最優(yōu)通風(fēng)量

在數(shù)值模擬綜合管廊最優(yōu)通風(fēng)量之前，需要引入數(shù)值模擬程序，將綜合管廊最優(yōu)通風(fēng)量的邊界條件、求解得到的最優(yōu)通風(fēng)量數(shù)值導(dǎo)入到數(shù)值模擬程序中，利用數(shù)值模擬程序求解，來(lái)求出數(shù)值模擬最優(yōu)通風(fēng)量。數(shù)值模擬程序的求解流程如圖2所示。

圖2 數(shù)值模擬程序的求解流程

根據(jù)數(shù)值模擬程序的求解流程，通過(guò)建立能量守恒方程，來(lái)求出數(shù)值模擬綜合管廊的最優(yōu)通風(fēng)量[14]。k-ε模型中的k還可以通過(guò)式(10)來(lái)取值計(jì)算。

(10)

利用k-ε模型中的ε可以將粘度系數(shù)μt與k結(jié)合，即式(11)。

(11)

式中，Cμ表示經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。

為了得到綜合管廊的溫度分布和通風(fēng)能力，利用數(shù)值模擬求解得到綜合管廊的最優(yōu)通風(fēng)量守恒方程為式(12)。

(12)

基于以上求解過(guò)程，得到了綜合管廊最優(yōu)通風(fēng)量的數(shù)值模擬流程，如圖3所示。

圖3 綜合管廊最優(yōu)通風(fēng)量的數(shù)值模擬流程

綜上所述，先初始化數(shù)值模擬軟件，通過(guò)設(shè)置綜合管廊風(fēng)口邊界條件、墻面及近地面邊界條件以及其他邊界條件，計(jì)算了城市單艙綜合管廊最優(yōu)通風(fēng)量，利用數(shù)值模擬程序求解，實(shí)現(xiàn)了綜合管廊最優(yōu)通風(fēng)量的數(shù)值模擬[15]。

2 實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析

2.1 速度場(chǎng)的通風(fēng)效果對(duì)比分析

城市單艙綜合管廊的通風(fēng)，要求通風(fēng)系統(tǒng)必須具備全面均勻的布置，在最優(yōu)通風(fēng)量的數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)中，利用文獻(xiàn)[1]數(shù)值模擬方法和文獻(xiàn)[2]數(shù)值模擬方法作為實(shí)驗(yàn)對(duì)比對(duì)象，得到了速度場(chǎng)的分布結(jié)果，如圖4所示。

從圖4的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，提出的數(shù)值模擬方法在速度場(chǎng)的分布比較均勻，而采用文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[2]的數(shù)值模擬方法，在速度場(chǎng)的數(shù)值分布不均，主要集中在一處。可見(jiàn)，城市單艙綜合管廊內(nèi)的空氣流量均勻度明顯好于文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[2]的數(shù)值模擬方法，使得綜合管廊的排風(fēng)口都可以充分發(fā)揮作用，排風(fēng)口處每一股空氣流之間沒(méi)有混雜，該方法雖然不會(huì)將從排風(fēng)口出來(lái)的污染物氣體帶到室外，但是將污染物氣體進(jìn)行了稀釋?zhuān)瑥亩古棚L(fēng)口下面的氣體濃度降低，效果明顯優(yōu)于文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[2]的方法，整體的稀釋效果較好。

(a)提出的數(shù)值模擬方法

2.2 濃度場(chǎng)的通風(fēng)效果對(duì)比分析

不同數(shù)值模擬方法下，濃度場(chǎng)的通風(fēng)效果分布圖如圖5所示。

(a)提出的數(shù)值模擬方法

從圖5的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[2]的數(shù)值模擬方法在濃度場(chǎng)的通風(fēng)效果分布不均勻，主要集中在50-70 m3,而且整體數(shù)值都大于提出的數(shù)值模擬方法，不僅只有綜合管廊的落客平臺(tái)處濃度區(qū)域大，濃度數(shù)值也相對(duì)較高，而提出的數(shù)值模擬方法在濃度場(chǎng)的通風(fēng)效果分布均勻，數(shù)值普遍較低，濃度數(shù)值大就不能滿(mǎn)足人員對(duì)綜合管廊的空氣質(zhì)量的要求，而提出的數(shù)值模擬方法可以將綜合管廊內(nèi)的分量送到需要的地方，具有很強(qiáng)的優(yōu)越性。

2.3 壓強(qiáng)場(chǎng)的通風(fēng)效果對(duì)比分析

不同數(shù)值模擬方法下，壓強(qiáng)場(chǎng)的通風(fēng)效果分布圖如圖6所示。

(a)提出的數(shù)值模擬方法

從圖6的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[2]的數(shù)值模擬方法在綜合管廊壓強(qiáng)場(chǎng)的通風(fēng)效果分布不均勻，有的地方數(shù)值高，有的地方數(shù)值低，且高數(shù)值集中在一個(gè)區(qū)域，處于微負(fù)壓狀態(tài)，壓強(qiáng)場(chǎng)的通風(fēng)效果分布與速度場(chǎng)的分布結(jié)果基本是一致的，但是提出的數(shù)值模擬方法在壓強(qiáng)場(chǎng)的通風(fēng)效果分布是非常均勻的，這樣就會(huì)導(dǎo)致綜合管廊內(nèi)的空氣流動(dòng)的擾動(dòng)加強(qiáng)，有利于氣體污染物的擴(kuò)散，說(shuō)明提出的數(shù)值模擬方法對(duì)綜合管廊內(nèi)部的氣流有明顯的擾動(dòng)，具有良好的通風(fēng)效果。

綜合以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，無(wú)論是在綜合管廊的速度場(chǎng)、濃度場(chǎng)還是壓強(qiáng)場(chǎng)，提出的數(shù)值模擬方法都具有良好的通風(fēng)效果。

3 總結(jié)

本文提出了城市單艙綜合管廊最優(yōu)通風(fēng)量數(shù)值模擬研究。利用室外通風(fēng)設(shè)計(jì)參數(shù)，設(shè)置了最優(yōu)通風(fēng)量數(shù)值模擬邊界條件，通過(guò)模擬城市單艙綜合管廊的設(shè)計(jì)圖，計(jì)算了城市單艙綜合管廊的最優(yōu)通風(fēng)量，結(jié)合綜合管廊最優(yōu)通風(fēng)量數(shù)值模擬流程，實(shí)現(xiàn)了城市單艙綜合管廊最優(yōu)通風(fēng)量的數(shù)值模擬。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，提出的數(shù)值模擬方法具有良好的通風(fēng)效果。