長大公路隧道復(fù)雜通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)值模擬研究

1、長大公路隧道復(fù)雜通風(fēng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)值模擬研究金文良 趙金銳 聶玉文（廣東省公路勘察規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司,廣東 廣州510507）摘 要：本文運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)通風(fēng)理論，引入風(fēng)機(jī)風(fēng)壓風(fēng)量曲線模型、自然風(fēng)力模型、連續(xù)交通風(fēng)壓模型等概念，建立隧道復(fù)雜通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)仿真模型，編制隧道一元流通風(fēng)系統(tǒng)整體仿真程序，并對(duì)依托工程秦嶺終南山特長公路隧道通風(fēng)方案進(jìn)行仿真分析，實(shí)現(xiàn)通風(fēng)方案的比選和優(yōu)化。關(guān)鍵詞：隧道；通風(fēng)；網(wǎng)絡(luò)；仿真Network Emulation Technique And Optimization For Extra-Long Tunnel Ventilation SystemJin Wenliang Zhaoj

2、inrui Nie Yuwen（Guangdong Highway Design Institute,GuangDong Guangzhou 510507）Abstract: Appling on network ventilation theories, the paper introduced fans wind pressure-quantity curve model, nature wind pressure model and transportation wind pressure model, established the ventilation network emulat

3、ion system, and worked out a simple equation emulator for the analysis of complex tunnel ventilation system. In the end, the paper analyzed Qinling Zhongnan mountain extra-long tunnel ventilation system, and triumphantly carried out a ventilation scheme for the tunnel.Key words: Tunnel; Ventilation;

4、 Network; Emulation1 引言近20年來我國公路交通事業(yè)迅猛發(fā)展，公路隧道工程建設(shè)越建越多、越建越長。隨著高速公路向山區(qū)延伸，正在或即將涌現(xiàn)許多長大或特長公路隧道。目前，已建和在建3000m以上的特長隧道50余座，其中通車5000m以上隧道2座，雙洞八車道隧道一座。川西高原海拔3400m、長4448m的鷓鴣山隧道已正式竣工；已經(jīng)通車營運(yùn)的秦嶺終南山隧道長18.02km，居世界第二；上海上中路隧道長2.8km，是世界直徑最大，首條雙層雙向4車道隧道；廈門翔安隧道是我國第一條長5.9km的海底隧道；近7000m長、海拔4300m的雀兒山隧道；還有長約10000m、海拔2400多米、

5、西部大通道泥巴山隧道長達(dá)10.3km已經(jīng)在建設(shè)。這些說明我國公路隧道建設(shè)已進(jìn)入快速發(fā)展的新時(shí)期。雖然近十年來，我國公路隧道建設(shè)取得了長足進(jìn)步，但還是適應(yīng)不了公路交通發(fā)展的要求，與國外先進(jìn)水平相比，還存在著一定的差距。其中很重要的一點(diǎn)就是特長公路隧道的關(guān)鍵技術(shù)如通風(fēng)防災(zāi)等問題還沒有完全解決，制約了高等級(jí)公路隧道的發(fā)展。近年來，世界各國的隧道專業(yè)人員一直致力于隧道通風(fēng)的程序化，具代表性的有瑞典的Axel Bring等在IDA(輸入數(shù)據(jù)匯編程序)環(huán)境下編制的一套模塊化模擬程序，該程序靈活實(shí)用，可沿展性好易于維護(hù)。但其模擬功能單一，不便于進(jìn)行方案比選和各種計(jì)算之間的轉(zhuǎn)換，模擬中的經(jīng)驗(yàn)值過多，容易影響計(jì)

6、算結(jié)果的精度；英國的Alan Vardy編制的模擬計(jì)算程序可以對(duì)縱向通風(fēng)方式和半橫向通風(fēng)方式進(jìn)行計(jì)算，可以模擬穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)氣流狀況。國內(nèi)的西南交大、蘭州鐵道學(xué)院和重慶交通科研設(shè)計(jì)院等單位在公路隧道通風(fēng)方面也做過大量研究，取得了不少突破，但鑒于國內(nèi)長大公路隧道建設(shè)剛剛起步，35km以上隧道鳳毛麟角。而單洞長達(dá)18.02km的秦嶺終南山雙洞單向四車道公路隧道達(dá)亞洲之最、世界第二，加之其東側(cè)平行相距30120m的兩座18km鐵路隧道，其龐大通風(fēng)防災(zāi)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和科研遇到了新的挑戰(zhàn)?？偟目磥恚瑖鴥?nèi)隧道通風(fēng)仿真程序大多存在以下幾個(gè)問題：隧道通風(fēng)形式單一，或?yàn)槿v向通風(fēng)、或?yàn)樨Q井單排式通風(fēng)、或?yàn)閱呜Q井送排式

7、通風(fēng)，通風(fēng)規(guī)模小；開發(fā)編制的通風(fēng)計(jì)算程序相互獨(dú)立，適應(yīng)性差，難以進(jìn)行復(fù)雜組合通風(fēng)方式的模擬；開發(fā)的程序功能簡單，難以實(shí)現(xiàn)不同交通量、不同運(yùn)營狀態(tài)等各種工況的通風(fēng)模擬；數(shù)值仿真分析多停留在通風(fēng)局部，未能進(jìn)行復(fù)雜系統(tǒng)的全面整體通風(fēng)仿真。本文針對(duì)以上問題，運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)通風(fēng)理論，引入風(fēng)機(jī)風(fēng)壓風(fēng)量曲線模型、自然風(fēng)力模型、連續(xù)交通風(fēng)壓模型等概念，建立隧道復(fù)雜通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)仿真模型，編制一元流通風(fēng)系統(tǒng)整體仿真程序，并對(duì)依托工程秦嶺終南山特長公路隧道通風(fēng)方案進(jìn)行仿真分析，實(shí)現(xiàn)通風(fēng)方案的比選和優(yōu)化。2 通風(fēng)仿真理論模型建立通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算理論服從流體力學(xué)基本定律。節(jié)點(diǎn)風(fēng)流連續(xù)方程即風(fēng)量平衡定律式： ；回路風(fēng)壓平衡方程：（不含

8、通風(fēng)動(dòng)力，包括自然風(fēng)壓、風(fēng)機(jī)和交通通風(fēng)力等）或（含通風(fēng)動(dòng)力，包括自然風(fēng)壓、風(fēng)機(jī)或交通通風(fēng)力）。2.1 隧道通風(fēng)阻力模型隧道本身具有的通風(fēng)阻力可分為二類，一為沿程阻力，二為局部阻力。沿程阻力損失和局部阻力損失 計(jì)算公式可寫成：和。則通風(fēng)支路阻力損失計(jì)算公式可寫成：由于隧道的長度、截面積、濕周對(duì)于建成的隧道是固定不變的。當(dāng)流體的運(yùn)動(dòng)進(jìn)入完全紊流狀態(tài)時(shí)，沿程阻力系數(shù)僅取決于隧道內(nèi)壁的相對(duì)光滑度，一定時(shí)間內(nèi)是不變的，故沿程阻力系數(shù)可視為常數(shù)。局部阻力系數(shù)的主要差別在于不同類型的局部阻力具有不同局部阻力系數(shù)，但在具體條件下是確定不變的常數(shù)?？諝饷芏入S空氣溫度、濕度、氣壓的變化而變化，但隧道內(nèi)空氣密度變化

9、不大，也可視為常量，所以通風(fēng)支路風(fēng)阻系數(shù)也為常量。2.2 風(fēng)機(jī)風(fēng)壓風(fēng)量曲線模型單臺(tái)軸流風(fēng)機(jī)風(fēng)壓風(fēng)量曲線（H-Q曲線）的數(shù)學(xué)表達(dá)式，常用曲線擬合的方法獲得。在H-Q曲線上選取足夠點(diǎn)數(shù)的Hi、Qi值，用最小二乘法擬合多項(xiàng)式，通式可寫成解算出系數(shù)、，風(fēng)機(jī)特性曲線的數(shù)學(xué)表達(dá)式即可確定。多臺(tái)風(fēng)機(jī)并聯(lián)的特性曲線的數(shù)學(xué)表達(dá)式，只需按相同風(fēng)壓各風(fēng)機(jī)風(fēng)量相加的原則，對(duì)H-Q曲線所選點(diǎn)的Hi、Qi值進(jìn)行計(jì)算，再用最小二乘法擬合多項(xiàng)式即可。對(duì)于固定安裝角下、轉(zhuǎn)數(shù)一定的通風(fēng)機(jī)，產(chǎn)生的體積流量無論在任何海拔高度上都是不變的，即：QZ=Q0。而風(fēng)壓隨海拔高度的增加而降低，即與空氣的密度成正比，得：Hz=H0=kzH02.

10、3 交通風(fēng)壓模型隧道交通風(fēng)風(fēng)力的計(jì)算公式可表示成如下將上式改寫成通風(fēng)支路的交通通風(fēng)力公式式中：、為、。2.4 自然風(fēng)力模型隧道內(nèi)自然風(fēng)壓的產(chǎn)生主要由兩方面因素促成，一是隧道及豎井各進(jìn)出口間的超靜壓差，二是隧道及豎井內(nèi)外因空氣溫度不同引起密度變化而形成的熱位差。超靜壓差：；熱位差的形成源于洞內(nèi)空氣與外界發(fā)生了熱能或其他形式能量的交換而促使空氣做功，以克服隧道通風(fēng)阻力，維持空氣流動(dòng)。熱位差的計(jì)算方法如下：按流體靜力學(xué)公式，隧道兩洞口的空氣壓差，式中空氣密度取決于空氣狀態(tài)變化過程，即與高程、壓力、溫度等有關(guān)。就一般隧道而言，可近似認(rèn)為屬等容過程，可視為常量，積分上式有：，可按計(jì)算，壓力按毫米汞柱代入

11、，按絕對(duì)溫度代入。按照經(jīng)驗(yàn)，在無實(shí)測數(shù)據(jù)的情況下，洞內(nèi)空氣相對(duì)濕度可取60%，進(jìn)風(fēng)口的氣溫可取該處地表的月平均氣溫，出風(fēng)口的氣溫可按該處巖體溫度減去12計(jì)算。2.5 火災(zāi)煙流阻力模型火災(zāi)時(shí)，煙流受到節(jié)流效應(yīng)、摩擦、浮力效應(yīng)的聯(lián)合作用，因此，煙流阻力是以上3種效應(yīng)引起阻力的代數(shù)和，即：?；馂?zāi)過程中，洞內(nèi)火焰燃燒段和煙流流過段的煙流，其溫度、體積、密度的變化差別較大，故將火災(zāi)區(qū)分為著火區(qū)和煙流污染區(qū)，對(duì)應(yīng)的煙流阻力分別為火區(qū)煙流阻力和污染區(qū)煙流阻力?；饏^(qū)長度相對(duì)整個(gè)流程是很短的，在計(jì)算火區(qū)煙流摩擦阻力時(shí)簡化煙流溫度和速度，近似按線性規(guī)律變化；污染區(qū)內(nèi)沿程煙流的溫度分布滿足負(fù)指數(shù)規(guī)律。對(duì)于水平洞煙流

12、的浮力效應(yīng)很小，可忽略不計(jì)。所以有：火區(qū)煙流阻力污染區(qū)煙流阻力對(duì)于點(diǎn)火源，火區(qū)長度等于零，則摩擦阻力等于零，于是有：2.6通風(fēng)計(jì)算仿真系統(tǒng)開發(fā)和程序編制本隧道通風(fēng)數(shù)值仿真程序采用VB語言編制，主程序約2200條語句，包括仿真程序主模塊、風(fēng)機(jī)風(fēng)壓處理模塊、交通風(fēng)壓處理模塊和自然風(fēng)壓處理模塊等。仿真程序采用目前被廣泛采用的斯考德恒斯雷迭代法，正常運(yùn)營通風(fēng)解算步驟如下：每一閉合回路選定一條支路為未知風(fēng)量分路，設(shè)定n個(gè)分路風(fēng)量Qj（j=1，2，3，n），務(wù)必滿足節(jié)點(diǎn)風(fēng)流連續(xù)方程；利用回路風(fēng)壓平衡方程，解算各閉合回路未知風(fēng)量支路的風(fēng)量修正值：；對(duì)應(yīng)回路的各個(gè)支路的風(fēng)量Qij作如下改正： = +；進(jìn)行下一

13、回路的風(fēng)量修正值計(jì)算，對(duì)該回路的各個(gè)支路的風(fēng)量Q進(jìn)行修正；所有支路計(jì)算完成后進(jìn)行第二次迭代，計(jì)算風(fēng)量修正值，對(duì)各回路的各個(gè)支路風(fēng)量Qij進(jìn)行第二次修正；依此類推，逐回路、逐輪次計(jì)算，直至各支路中的小于設(shè)定誤差，即： EPS；終止迭代運(yùn)算，輸出各支路風(fēng)量、風(fēng)壓等運(yùn)算結(jié)果。3 秦嶺終南山公路隧道通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)仿真優(yōu)化秦嶺終南山公路隧道通風(fēng)方案擬采用三豎井分段送、排風(fēng)和射流風(fēng)機(jī)調(diào)壓相組合的縱向通風(fēng)方式，豎井采用兩分隔形式，同一豎井同時(shí)對(duì)上、下行線隧道進(jìn)行送風(fēng)與排風(fēng)，豎井分隔成兩半分別實(shí)現(xiàn)送風(fēng)和排風(fēng)，每一半底部設(shè)置一定高度的分隔導(dǎo)流板，以對(duì)上、下行線分別送風(fēng)或排風(fēng)，分隔導(dǎo)流板的目的在于減小風(fēng)阻，同時(shí)降低上、

14、下行線風(fēng)流的相互干擾。通風(fēng)系統(tǒng)平面布置示意圖1。圖1 通風(fēng)系統(tǒng)平面布置示意圖Fig.1 Disposal sketch of ventilation plane system 本研究采用網(wǎng)絡(luò)通風(fēng)仿真軟件對(duì)秦嶺終南山公路隧道不同交通量、不同工況車速等各種運(yùn)營工況進(jìn)行仿真模擬，綜合考慮各通風(fēng)要素對(duì)通風(fēng)的影響，特別是高速行車時(shí)為充分利用交通風(fēng)壓對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，從而得出各種情況下風(fēng)路各分支風(fēng)量、風(fēng)壓以及裝機(jī)功率等最優(yōu)結(jié)果。將通風(fēng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模型，如圖2所示。圖2 通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模型圖Fig.2 The model of ventilation network針對(duì)秦嶺終南山公路隧道的控制車速30k

15、m/h和80km/h兩種車速工況，對(duì)近期2015年和遠(yuǎn)景設(shè)計(jì)年限2025年，分析當(dāng)量小時(shí)交通量分別為750×2、800×2、850×2、900×2、950×2、1000×2、1050×2、1100×2、1150×2輛時(shí)，隧道內(nèi)所需的射流風(fēng)機(jī)和軸流風(fēng)機(jī)功率配置。4 結(jié)論（1）車速v=30km/h的條件下，近期設(shè)計(jì)年限2015年所需風(fēng)機(jī)功率為1970.62kW，遠(yuǎn)期設(shè)計(jì)年限2025年為12452.61 kW，近期風(fēng)機(jī)功率僅占遠(yuǎn)期的15.83；車速v=80km/h的條件下，近期設(shè)計(jì)年限2015年的風(fēng)機(jī)運(yùn)營功率僅

16、為489.13kW，而遠(yuǎn)期設(shè)計(jì)年限2025年為6787.29 kW。因此近期所需風(fēng)機(jī)功率遠(yuǎn)小于遠(yuǎn)期設(shè)計(jì)年限的風(fēng)機(jī)功率，可考慮機(jī)電設(shè)備分期安裝，以減小投資。（2）上坡隧道車速v=80km/h時(shí)的需風(fēng)量大于車速v=30km/h時(shí)的需風(fēng)量，但遠(yuǎn)期設(shè)計(jì)年限2025年車速v=30km/h時(shí)所需風(fēng)機(jī)功率達(dá)6798.97 kW，而車速v=80km/h時(shí)的風(fēng)機(jī)運(yùn)營功率僅需2753.42 kW，后者僅為前者的40。因此若按需風(fēng)量控制車速v=80km/h工況來配置通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)機(jī)功率，則難以滿足車速v=30km/h的工況，這顯然不合理。（3）隧道正常運(yùn)營過程中，可以對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)開啟組合進(jìn)行優(yōu)化。近期設(shè)計(jì)年限201

17、5年交通量小（高峰小時(shí)交通量上、下行線合計(jì)1183輛/h），需風(fēng)量也較小，上行線可關(guān)閉1、2排風(fēng)豎井，開啟2、3送風(fēng)豎井，隧道內(nèi)不需布置射流風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)功率減至216.20 kW；下行線關(guān)閉2、3排風(fēng)豎井，開啟1、2送風(fēng)豎井，隧道內(nèi)不需布置射流風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)功率減至272.93kW。（4）遠(yuǎn)期設(shè)計(jì)年限2025年上行線隧道正常運(yùn)營階段（車速80km/h），加大3豎井短道竄流量至70m3/s可減小排風(fēng)道損失，有利于減小風(fēng)機(jī)功率；下行線隧道正常運(yùn)營階段（車速80km/h），同樣可以加大1豎井短道竄流量至100m3/s減小排風(fēng)道損失，節(jié)省運(yùn)營電費(fèi)。參考文獻(xiàn)1 JTJ 026.1-1999.公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范S.交通部，2000.2長安大學(xué)課題組.長大公路隧道通風(fēng)仿真模擬試驗(yàn)技術(shù)的研究R，2003.3鄭道訪.公路長隧道通風(fēng)方式研究M.北京：科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，2000.4王英敏.礦內(nèi)空氣動(dòng)力學(xué)與礦井