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1、双洞单向公路隧道横通道定位及风机选型李含 孙三祥 张京龙兰州交通大学环境与市政工程学院摘要：运用双向换气设计算法，确定2000m双洞单向公路隧道车行横通道最正确位置。单横洞距下坡隧道入口为650m，相邻两横通道相距300m。基于流场分析原理，运用CFD ansys软件三维数值模拟横通道及其附近区域的速度场，在合理定位横通道的前提下设置风机调压，选定最正确风机类型和数量,保证通风负荷较小的下坡隧道内的新风量通过横通道送至上坡隧道内。关键词：纵向通风 横通道 数值模拟 速度场 风机选型The Selection of the Fan in the Double Hole One-way Highw
2、ay Tunnel Channels under Best PositioningLI Han, SUN San-xiang, ZHANG Jing-longAcademy of Environmental and Municipal Engineering, Lanzhou Jiaotong UniversityAbstract: Determined the best position of cross-channel in double holes one-way highway tunnel by using air interchange. The single channel fr
3、om the downhill tunnel entrance for 650 m, the best spacing between two horizontal channels is 300 m. Based on the flow field analysis principle of operation ventilation system, and used CFD ansys software to 3-d numerical simulate velocity field in the channel and the vicinity of it, set the fan un
4、der the premise of orientation the channel in reasonable for adjusting pressure, selected the best surge fan type and quantity, to ensure that the fresh air in the tunnel which have smaller ventilation load delivered to the tunnel which have larger ventilation load through cross-channel.Keywords: lo
5、ngitudinal ventilation, channel, numerical simulation, velocity field, fan selection收稿日期：2011-9-27作者简介：李含1986，女，硕士研究生；甘肃兰州安宁区安宁西路88号兰州交通大学环境与市政工程学院054信箱730070；E-mail: 0 引言本文选取某工程2000 m双洞单向纵坡公路隧道为研究对象，运用双向换气设计算法，研究车行横通道位置参数对通风效果的影响，基于横通道内流场分析原理，模拟分析横通道及其附近区域的速度场，在横通道内设置风机调压，最终选定最正确风机类型和数量，为公路隧道的纵向运营通
6、风系统的设计和优化提供帮助。双洞平行单向交通能够充分利用汽车交通风，可在投入较少通风设备装机容量和运行数量的条件下满足隧道内通风需求。本文主要研究取消增设通风竖井或斜井，仅在左右线隧道之间辅以横通道的双洞单向纵向通风方式。瑞士学者于1991年提出双向换气系统1的概念将下坡隧道作为上坡隧道的通风井，用下坡隧道内充裕的新风量去弥补上坡隧道内新风量的缺乏，近年来张光鹏等人将浓度场作为分析指标，对该方法在公路隧道纵向通风中的应用展开研究2。鉴于横通道与隧道内的风流状况风速、风向主要由汽车的活塞作用所控制，十分复杂，甚至可能出现有害气体停滞区，因此，本文考虑在横通道中辅以风机调压。1 双向换气设计计算1
7、.1 设计风量确实定当总需风量一定，设计风量的取值在下坡隧道需风量和上坡隧道需风量之间，进行试算，再根据两隧道总的通风功率最小，求得上坡隧道设计风量与下坡隧道设计风量相等时最经济3： 1式中：、x分别为上、下坡隧道设计风量；qx、qs分别为上、下坡隧道需风量。计算结果见表1。表1 隧道设计风量计算表车速Vkm/h排放量Qcom3/s设计浓度Co需风量qm3/s设计风量QX=QSm3/s活塞风速Vm/s下坡1000.870.0065155.38261.735.2上坡602.910.0075360.85261.733.5备注：1、稀释异味所需最大需风量：Qreq(y) = qx；2、稀释烟雾所需最
8、大需风量：Qreq(VI) = qs；3、qco基准排放量2.5；4、每条隧道交通量2021年=26178/24/2=545.375辆/h。1.2 横通道位置确实定进口高、出口低的单向纵坡设计，可充分利用坡度大的特点以及交通风作用，以引入新鲜空气长度最大为目的，每隔200m进行试算合理定位单横洞。即可求得隧道横向通风道安装范围在s-inx-in内： 2式中：s-in为离上坡隧道入口的距离；x-in为离下坡隧道入口的距离；、分别为上、下坡隧道长度，均为2000 m。 3在确定了隧道的设计风量以及对横通道安装范围定位后，得出交换风量横通道内设计风量： 4两条隧道总设计风量Q =2=2x =523.
9、45 m3/s，两条横通道将左线隧道划分为1、2、3三局部，将右线隧道划分为R 1、R 2、R 3三局部，极限定位下：s-in = R1，x-in =3，计算得交换风量计算表2。表2 极限定位下交换风量计算表Vkm/hx-inms-inmQhm3/s60653.85514.28297.15待横通道安装范围确定后，按两个横向通风道间距每隔200进行试算，两条隧道总风量523.45 m3/s，在车速V=60km/h的工况下，R1=s-in=520m不变，变换横通道在间距L2进行试算，交换风量Qh远远大于两条隧道的总设计风量，因此以=距上坡右线隧道洞口限值为基准定位不符合设计要求，下面试以距下坡左线
10、隧道洞口限值为基准定位计算。随着横向通风道在允许安装范围内沿隧道进深方向移动，横向通风道交换风量呈不断增大的趋势，由于左右线设计风量相同，当通风横通道设计风量越小，整个通风系统就越经济。因此，开始试算时，将横向通风道设置在离左线入口650处极限定位处。3 =x-in =650m不变，计算结果如表3所示。表3 交换风量校核计算表2m3m1mQh(m3/s)Qx-QhQx+Qh100650125083.477178.248345.2023006501050103.7158.025365.425500650850119142.725380.725700650650201.3360.395463.05
11、5900650450380.28-118.555642.005当L2=300m时，右线需风量qs = 360.85 m3/s，左线需风量q=155.38m3/s，横通道设计风量Qh=136.9m3/s，x-Qh q，x+Qh qs，符合通风设计要求。最终确定单横洞距下坡隧道入口最正确位置为650m，相邻两横通道最正确间距为300m。2 风机选型分析与确定根据横通道的需风量反算通风阻力，再结合自然风压和交通风压，得出所需风机提供的升压力，最终根据压力和风量确定风机台数和规格。计算结果如表4所示。表4 风机规格计算表区段设计风量m3/s通风阻力Pa隧道内所需风机升压力Pa风机升压力Pa风机台数横洞
12、11943.4343.432022.1 计算模型与模拟方法2.1.1 模型的建立数值模拟计算采用ANSYS软件中的FLOTRAN流体动力学模块分析。隧道内气体作低速流动，在许多部位都存在紊流流态雷诺数Re的数量级一般为106，所以可采用不可压缩均匀紊流对隧道通风进行数值模拟。选取FLUID142单元，RNG湍流模型，该模型是标准k-双参数模型的扩展，在e方程中增加一个条件，提高了在湍流漩涡方面的精度，对于几何形状曲度变化剧烈的情况如隧道的180大转弯有很好的计算效果4。选取单向纵坡为2.3%的2000m双洞单向公路隧道作为模拟计算对象，如图1所示，按照1:1实际工程几何尺寸建立模型，Z轴方向为
13、左线车行方向，Y轴方向为隧道高度方向，X轴方向为隧道宽度方向。横通道与正洞中线夹角60，双洞间距50m。L3为单横洞横通道1与左线入口间距，Xm为两横通道间距，均为可变值。隧道内风向为车行方向，Vfj为射流风机风速，参照?公路隧道通风照明设计标准?5，并根据隧道的工程概况、交通量与交通组成计算出各隧道交通风风速计算值如表5所示。 图1三维仿真模型示意图表5交通风风速计算表设计车速km/h隧道内与设计风速同向车辆数n阻力N/m2交通风风速m/s10010.91394.315.26018.18236.583.5备注：空气密度=1.2 kg/m3；设计交通量N=545.375辆/h；汽车等效阻抗面积
14、Am= 2.2 m2；直洞断面积Ar= 64.07 m2；横洞断面积A=24 m2。2.1.2 网格划分与边界条件对网格划分进行分区，均采用四面体网格。隧道区域网格采用均分网格，网格长度控制在0.20.4m之间。加密细化速度梯度大的局部网格区域，横通道之间区域的网格长度控制在0.20.3m之间。网格长度控制在0.51.0m之间。网格数量均在100万左右。设定速度入口边界为左、右线隧道的入口，出口和大气边界均设定为压力出口边界，相对压力为0 Pa。2.1.3 模拟方法采用三对角矩阵法TDMA对速度方程进行稳态求解，采用预条件共轭残差法PCCR精确求解压力方程，设置速度和压力收敛准那么均为110-6，设置流场环境参数时，选取压力为101350Pa，环境温度为293K，壁面粗糙度设为0.06，各个相关参量的松弛因子为0.5。2.2 数值模拟计算结果与分析横通道内的风流方向是由其两端的压力差决定的， 主要受交通风、风机升压影响。风流由压力高的一端流向压力低的一端。隧道通风风速差值越大，横通道的风速值也越大。单横洞横洞1距左线入口650m，两横洞间距300m，在横洞2入口附近安装风机，模拟结果
