（模式识别与智能系统专业论文）城市越江公路隧道服务层通风及防灾研究.pdf

西南交通大学硕士学位论文第1 页 摘要 随着经济和城市建设的不断发展，越来越多的越江隧道建设与其他市政 设施建设相结合，尤其对于电缆、热力管道等市政设施聚集数量较多、散热 量较大的越江隧道服务层就需要进行考虑通风问题。 本文选取了在市政设施中具有普遍性和代表性的电缆作为散热源，对城 市越江道路隧道服务层散热通风及防灾问题进行一定探讨。对越江隧道服务 层电缆散热通风的研究，采用了传统的散热理论计算与f l u e n t 三维建模数 值模拟相结合的方式。传统的散热理论计算主要是建立相关散热方程进行求 解；f l u e n t 三维建模数值模拟是根据通风散热所遵循的控制方程，建立了 相关的湍流模型，通过有限体积法，对该模型的控制微分方程进行离散化处 理，采用s i m p l e 算法进行求解。 本文重点阐述了在不同的通风速度条件下，越江隧道服务层内的温度、 速度及压强的变化特征，提出了服务层通风区间长度合理取值范围。另外， 针对隧道服务层内的灾害特点提出建议和解决方法。 通过本文的讨论研究，可以为越江隧道服务层的风机选型、通风方式及 区间长度的选取等服务层通风、安全设计与防灾救援研究问题提供有益地参 考。 关键词：越江隧道服务层；数值模拟；散热通风；防灾 a bs t r a c t w i t he c o n o m i cd e v e l o p m e n ta n du r b a nc o n s t r u c t i o n ，ag r o w i n gn u m b e ro f r i v e rt u n n e l sw i l lb ec o n s t r u c t e dw i t ho t h e rm u n i c i p a lf a c i l i t i e s ，i np a r t i c u l a r ，t h e r e a r eal a r g en u m b e ro fm u n i c i p a lf a c i l i t i e s ，s u c ha sc a b l e s ，h e a tp i p e si nt h et u n n e l s e r v i c e s t h e yc a ns e tf r e eal a r g e ra m o u n to fh e a ti n t ot h et u n n e ls e r v i c e s ，f o rt h i s r e a s o n i ti sn e c e s s a r yt oc o n s i d e rt h ei s s u eo fv e n t i l a t i o n t l l i sp a p e rh a sb e e ns e l e c t e dt h ec a b l ea sah e a ts o u r c e ，w h i c hh a su n i v e r s a l a n dm o s tr e p r e s e n t a t i v ei nt h em u n i c i p a lf a c i l i t i e s ，a n dt h e n ，an u m b e ro fi s s u e so n v e n t i l a t i o na n dd i s a s t e rp r e v e n t i o no fu r b a nr i v e rh i g h w a yt u n n e ls e r v i c e sl a y e r w i l lb er e l a t e dt oe x p l o r e t h em a i nr e s e a r c hm e t h o di sb yu s i n gt h ec o m b i n a t i o n o ft h e o r e t i c a lt h e r m a lc a l c u l a t i o na n df l u e n tn u m e r i c a l s i m u l a t i o no f t h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l i n g t h et h e o r e t i c a lt h e r m a lc a l c u l a t i o ni sm a i n l ys e tu p t os o l v et h ea s s o c i a t e dh e a te q u a t i o n ；t h ef l u e n tn u m e r i c a ls i m u l a t i o no f t h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l i n gi sb a s e do nt h ev e n t i l a t i o nc o o l i n gc o n t r o le q u a t i o n f o l l o w e db vt h ee s t a b l i s h m e n to ft h er e l e v a n tt u r b u l e n c em o d e l ，t h r o u g ht h ef i n i t e v o l u m em e t h o d , 也em o d e ld i f f e r e n t i a le q u a t i o n st od i s c r e t ec o n t r o lt r e a t m e n t , u s i n gs i m p l ea l g o r i t h m t 1 1 i sp a p e rf o c u s e so nt h es p e e da td i f f e r e n tv e n t i l a t i o nc o n d i t i o n s ，t h er i v e r t t m n e ls e r v i c el a y e rt e m p e r a t u r e ，s p e e da n dp r e s s u r ec h a n g e si nt h ec h a r a c t e r i s t i c s a n dar e a s o n a b l ei n t e r v a ll e n g t hr a n g eo ft h es e r v i c el a y e rv e n t i l a t i o n i na d d i t i o n ， i ti ss p e c i a l i z e dt om a k er e c o m m e n d a t i o n sa n ds o l u t i o n so nt h ed i s a s t e ro ft u n n e l s e r v i c e sl a y e r i nt h i sp a p e r ，t h ed i s c u s s i o nt h r o u g ht h es t u d yo fr i v e rt u n n e ls e r v i c e sl a y e r f o rm o r ef a n ss e l e c t i o ns e r v i c e sl a y e r v e n t i l a t i o nm o d ea n dr a n g eo fs e r v i c e s s u c ha st h el e n g t ho ft h es e l e c t e dl a y e rv e n t i l a t i o n ，s e c u r i t yd e s i g na n dd i s a s t e r p r e v e n t i o na n d r e s c u er e s e a r c hq u e s t i o n st op r o v i d ea l le f f e c t i v er e f e r e n c e k e yw o r d s ：r i v e r t u n n e ls e r v i c e s l a y e r ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；c o o l i n g v e n t i l a t i o n ；d i s a s t e rp r e v e n t i o n 西南交通大学曲南父嬗大罕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密瓯使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“) 学位论文作者签名：琶编指导老师签名： 日期：研垆叮 日期： 扣、- 了 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体己经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 融h i m 了帜如 t 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 研究意义 随着经济和城市建设的不断发展，科学技术的不断进步，除修建桥梁外， 建设隧道也成为跨越江河等天然屏障的一个重要的选择。而且越来越多的越 江隧道建设与其他市政设施建设相结合，尤其当隧道服务层内存在热力管道 或城市主干高压电缆等市政设施时，考虑服务层的散热通风及防灾就有其必 要性。厦门东通道工程就是隧道服务层内有散热市政设施而考虑通风的工程 实例，以后类似的工程将会更多。 以城市电力设施发展为例来说，经济社会发展必将导致城市用电负荷呈 持续快速增长，需要建设的电缆线路也不断增加，从而造成了城市建设与电 力建设的矛盾也日益突出。电力传送主要有两种传输方式：地下电缆和架空 线路。架空线路由于受廊道和同杆回路数的限制，输送容量跟不上社会用电 的发展；架空线路故障多、运行方式不灵活，经常造成大面积停电，严重影 响居民正常生活；架空线路的横跨街道和其它线路在电力杆上的私拉乱扯， 严重影响城市美观；受带电线路影响和社会各方面干扰，城市架空线路的施 工难度较大，并易发生危及人身安全的断导线、漏电等事故。正是由于这些 缺点暴露出架空线路的许多与城市发展不相协调的一面。而地下电缆相对于 架空线路，虽然建设成本较高、周期长，但其具有运行可靠、不易受外界影 响、不需架设电杆、不占地面空间等优点，所以在城市采用地下电缆替代架 空线路是非常必要的，尤其是在人口密集的区域和穿越城市中特殊场所，如 江河、高大建筑物等。 在地下电缆敷设方式中，一方面由于电缆隧道方式比其它直埋方式更便 于电缆检修、设施扩容和散热等特点，另一方面伴随着隧道施工技术的不断 发展，使其在城市电缆线路建设的比重也在不断提高。电缆隧道中布置了有 各种电压等级的照明、动力和控制用电缆，这些电缆在运行过程中会散发一 定的热量，在不通风的情况下，如果累计散热量过多，隧道内的温度也必然 过高，必将导致电缆外壳绝缘层老化，缩短电缆使用寿命，更有甚至引起火 灾的发生。同时，随着温度的升高，电缆的载流量也将降低，从而造成能源 的耗费，直接造成经济损失。另外，检修人员需定期对隧道服务层进行检修， 服务层内的温度和污浊的气体聚集量不能过高。因此，对电缆聚集数量较多、 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 散热量较大的隧道服务层就需要考虑通风问题。又由于大多数电缆隧道一般 长度较长、防火等结构措施的影响，自然通风方式显然不是完全适合。所以， 对隧道服务层机械通风的研究就有其一定的必要性。 1 2 国内外研究现状 目前，大多数既有城市越江道路隧道或因长度较短未设服务层或因服务 层内的热源散热微弱，一般没有进行专门散热通风的必要。因此，国内外有 关越江隧道服务层散热通风及防灾问题的研究也相对较少。若隧道服务层内 敷设大量的电缆等电气设施，此时的越江隧道服务层就相当于个电缆隧道。 所以，越江隧道服务层的通风问题就是考虑电缆隧道的通风问题，而其防灾 特点就会兼有公路隧道和电缆隧道防灾特点。而电缆隧道的广泛应用在最近 几十年，并且大部分隧道内电缆聚集数量较少、电负荷低、散热量小，一般 不需要单独考虑通风问题，以致于关于电缆隧道通风研究也相对较少。 在国外，1 9 7 9 年，j a m e s k m i t e 和o m a r n a b d e l h a d i 采用有限元计算 程序h e a t 最先研究了风速对电缆沟电缆温度场变化的影响。其后，在1 9 9 3 年，m a h a n n a 和a yc h i k h a n 又采用有限差分法( f d m ) 来研究电缆沟中 电缆的散热情况，把风速作为其中一个重要影响因素进行了研究。在假定其 他条件固定不变的前提下，他们通过实验得到了风速对电缆散热影响的一个 等式：h = 7 3 7 + 6 4 3 v a 7 5 ，其中，h 为对流热传递系数( w m 2 ) ，v 为空气速 度( m s ) 【5 3 】。 在国内，主要相关的规范对电缆隧道通风的要求也较少，仅是个别情况 下要求“宜采用自然通风 1 4 9 。目前，对电缆隧道通风的研究也取得一定的 进展：上海供电局的陆德舷等人提出了“把所有电缆作为一个发热体，隧道 看成无比大的恒温热容器，只要热源散发的功率小于大地及时吸收的功率， 电缆隧道内的温度就不会无限制升高，肯定会达到一个热平衡。如果超过了 这一热平衡，就需要通风降温的理论，并假设地坪温升为零，同时忽略了 隧道壁热阻、空气和隧道内壁接触热阻及隧道外壁接触土壤的过度热阻，从 而进行一系列的相关通风计算研究【5 0 j 。广东南海建筑设计院的李湛初也在电 缆隧道通风方式、风量、隧道断面风速、隧道防火分区、通风分区等问题上 做了相应的探讨工俐5 1 】。 目前，电缆隧道通风研究还存在如下的问题： ( 1 ) 对于电缆隧道在何种情况下才需要通风，不同的文献资料有着不同 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 的定义方法，还没有得出较一致性的结论； ( 2 ) 电缆隧道通风理论计算大都在忽略某些因素前提下，有时理论计算 风量与实际所需风量出入较大，造成通风设备的闲置浪费； ( 3 ) 对电缆隧道发生火灾等特殊状况时通风及防灾相关研究还比较少： ( 4 ) 电缆隧道和市政设施相结合的工程实例在国内已经出现( 如厦门东 通道工程) ，但与之相关的通风研究还处在初步探索阶段。 在数值模拟方面，近年不断出现的c f d 商业软件，如f l u e n t 、a n s y s 、 c f x 、s t a r - c d 等为流场流动的模拟分析研究起到了推动作用。 c f d ( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) 技术，即计算流体力学技术。由于数值模 拟相对于实验研究有很独特的优点，比如成本低，周期短，能获得完整的数 据，能模拟出实际运行过程中各种所测数据状态，对于设计、改造等商业或 实验室应用起到重要的指导作用，故而c f d 技术得到了越来越多的应用。特 别是f l u e n t 软件能推出多种优化的物理模型，如定常和非定常流动、层流、 紊流、不可压缩和可压缩流动、传热、化学反应等等，达到缩短设计过程， 减少实验室测定试验的数目，减少产品开发成本的目的。 目前，把理论计算和数值模拟结合起来，用于通风对电缆隧道内温度场 的影响的研究至今还是比较少的。 1 3 工程背景 某城市越江隧道，长约4 4 3 0 m ，为东南西北走向，属特长市政工程隧道。 据日本公路隧道消防设施设置标准，隧道火灾危险等级属a 级。隧道采 用盾构法施工，隧道半径7 7 5 m ，盾构隧道分隔为两层，上部为行车空间， 下部服务层，为逃生通道及附属设施空间。 服务层由道路结构划分为三部分。为避免发生火灾期间，消防水及可能 泄漏的燃油经疏散口流入疏散滑道及服务层，导致次生火灾，危及疏散人员 安全，疏散口布设在路面高端既道路前进方向的左侧，因此，服务层左侧空 间作为疏散滑道设置空间，同时利用疏散滑道的间隔设置隧道变压器及江中 泵房。服务层右侧空间作为隧道用强、弱电电缆通道。服务层中部空间根据 功能需要分为两部分：靠近疏散滑道一侧，宽1 6 m ，为疏散通道。靠近电缆 通道一侧，宽2 4 m ，为维修、消防专用通道。疏散通道路面标高高于维修消 防通道0 4 5 m ，使消防通道与疏散通道有效分离，有利于防灾救援。维修消 防通道设置楼梯与电缆通道连接，便于养护维修。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 由于服务层内敷设1 i o k v 高压电缆并局部安装有变压器，为保证设备正 常运营及维护检修工作正常进行，需对服务层进行通风换气同时降低温度。 越江公路隧道的横断面图如图1 - 1 所示。 1 4 研究内容 图1 - 1 越江公路隧道断面 ( 1 ) 以某过江圆形盾构隧道内道路面层下方的服务层电缆部分为研究对 象，进行相关的通风及防灾研究。根据越江隧道服务层内的电缆、电器设备， 以及对流传热学的相关理论，对其发热量进行计算及数值模拟，并结合地下 峒室换气次数的要求，对服务层隧道所需通风量进行计算。另外，根据风量 大小和隧道的结构设计提出服务层隧道的合理通风方式和通风能力。 ( 2 ) 在对隧道服务层进行通风研究前提下，进一步考察服务层所需要采 取的一些必要防灾措施。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 1 5 拟解决的关键问题 通过对不通风和通风两种情况下隧道服务层内因电缆散热导致的温升 规律的研究，结合理论计算与三维建模数值模拟的方式，合理正确地判定隧 道服务层通风需风量及通风段可能的最大长度，温度、速度及静压强沿程变 化的特征，提出了服务层通风区间长度合理取值范围。 1 6 研究方法 对越江隧道服务层电缆散热通风的研究，采用了传统的散热理论计算与 f l u e n t 三维建模数值模拟相结合的方式。传统的散热理论计算主要是建立 相关散热方程进行求解；f l u e n t 三维建模数值模拟是根据通风散热所遵循 的控制方程，建立了相关的湍流模型，通过有限体积法，对该模型的控制微 分方程进行离散化处理，采用s i m p l e 算法进行求解。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第2 章隧道服务层散热理论与方法 2 1 隧道服务层散热方式 隧道服务层的散热遵循传热的三种不同基本方式：热传导、热对流和热 辐射【4 1 。 2 1 1 热传导 热传导一般简称导热，是指温度不同的各部分物质仅仅由于直接接触、 没有相对宏观运动时所发生的能量传递现象。导热是物质的本能。根据分子 运动论，温度是物质热运动激烈程度的衡量，只要物体内部温度分布不均匀， 不同地点微观粒子的动能就不会相等，通过气体中分子或原子的彼此碰撞、 液体和不导电固体( 介电质) 中的弹性波作用、或者在金属中依靠自由电子 从温度较高区向较低区的扩散而引起的能量的传播。 当电力电缆通电加载时，由于导体具有电阻，电流在导体中流动，必然 要产生热量，从而造成金属导体温度比其周围保护层介质温度要高，此时便 伴随着热传导的发生。 2 1 2 热对流 热对流是指流体( 气体或液体) 中温度不同的各部分相互混合的宏观运 动引起的热量传递的现象。流体温度分布不均匀时，也将本能地产生导热。 因此，热对流总和流体的导热同时发生。在工程上最具实际意义的，是相对 运动着的流体与所接触的固体壁面之间的热量交换过程。当隧道服务层通风 时，电缆和周围空气间就可通过热对流实现能量传递。 2 1 3 热辐射 热辐射是指物质对外发射波长在o 1 1 0 0 啪之间的微波在空间传递能 量的现象。任何物体都在连续向外发射辐射热，物体温度越高，其热辐射能 力就越强。热辐射不同与热传导和热对流，是不接触的传热方式，不依赖常 规物质的中间媒介作用，所以物体即使在真空中也可以进行热量传递。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 2 2 隧道服务层内电缆的热场分析 2 2 1 电缆热场的概念 电力电缆在运行过程中导线电线芯、绝缘层、金属屏蔽层和铠甲层都会 产生损耗而引起电缆发热，致使电缆温度升高。这些发热的部分称为热源。 热源产生热流，热总是由高温流向低温。热源的存在会使周围的物质处于一 种特殊的状态，任何物体处在热场中温度都会升高，我们把研究空间温度的 分布称为热场。在由高温向低温散热的过程中，热场的各点的温度将发生变 化，所以热场又分为稳态和暂态热流场。 若电缆中任意一点的温度只是位置坐标的函数，与时间无关，即温度 o = f ( x ，y ，z ) ，这样的场称为稳态热流场。 若电缆中任意一点的温度，不仅是位置坐标的函数，而且与时间有关， 即温度o = f ( x , y , z , o ，这样的场称为暂态热流场。 在实际电缆运行过程中，要从零开始加载，温度会逐渐升高，即温度随 时间变化，此时为暂态情况。但随温度升高，电缆与周围媒质的温差也逐渐 增大，从而致使散热增多。一旦散出的热量等于产生的热量，则热流便达到 了动态平衡，各点温度会保持不变，此时电缆便达到稳态【1 l 】。 2 2 2 热场中相关物理量 电缆热场中的有关物理量和电场的有关物理量相近，且一一对应，所以 一般都借用电场和电路的方法来研究热场和热路。 热场的主要物理量如下： 矿为电缆各部分的功率损耗，在热路方程中为热流，单位为w m ，凹 为温升，单位为k ，r 为热阻，单位为k m 阿；p r 为热阻系数，单位为k m w ； c 为热容，即物体温度每升高( 或降低) 1 k 所吸收( 或放出) 的热量，单位 为j k 。 2 2 3 富式定律 在热场中任一点处，流过某单元面积以的热流d w 与该点的温度梯度 辈和单元面积成正比，写成等式为： a h 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 d w ：一a 等拟( 2 - 1 ) 砌 式中，a 为导热系数；温度梯度的方向指向温度增大的方向，而热流量总是 由高温指向低温，故公式中加负号。 2 2 4 热场方程 在电缆热场计算中，由于电缆大都为圆柱形体，故可采用柱面坐标。对 于单芯电缆，其长度远远大于直径，故可忽略复杂的边缘效应，电缆各横截 面的情况均相同，可看成一个平面场，认为电缆仅沿径向散热【1 1 】。 图2 - 1 电缆热场计算说明 如图2 1 所示，在绝缘层中距导体中心距离r 处，取一单位长度，厚度 为d r 的圆柱体，其体积为d v = 2 刀d r 1 。设单位时间流入该体积的热流为 职流出该体积的热流为形+ 华办；若g 为热容系数，单位时间该体积温 度升高瓦d 8 所吸收的热量为g d y 鲁；若彬表示单位时间单位体积发出 的热流，则据能量守恒定理和热流连续性原理有： 形+ w , a v ：了d w 一办+ 形+ 弘y 譬 ( 2 - 2 ) 根据富式定理： 了d w 一2 烈，害+ 警 仁3 ， 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 将( 2 - 3 ) 式代入( 2 - 2 ) 式司得： 了d o = 兰r 害i ! 鲫i 互( 2 - 4 ) - i - i - 一= = 一l 一一一l 一 西 qi 办2 ，西。q 对于惫态情况挈：0 ，故当有介质损耗形时，( 2 4 ) 式可写成泊松方程形式： e l l v 2 0 = 一睾( 2 - 5 ) 而无介质损耗时则为拉普拉斯方程形式： v 2 0 = 0 ( 2 - 6 ) 2 3 计算流体动力学基本理论 2 3 1 流体和流动的基本特性 对于隧道服务层中的流动空气，具有以下特性【2 】： ( 1 ) 流体为牛顿流体。流体的内摩擦剪切应力z 由牛顿内摩擦定律决定， 该定律表示流体内摩擦应力和单位距离上的两层流体间的相对速度成比例。 比例系数称为流体的动力粘度，其值取决于流体的性质、温度和压力大小。 隧道内风流为常数，为牛顿流体。 ( 2 ) 流体为不可压缩流体。根据密度1 9 是否为常数，可将流体分为可压 缩流体和不可压缩流体。隧道中的空气，严格意义上来说，为可压缩流体， 但因为其流动速度一般远小于7 0 m s ，通常按不可压缩流体对待。 ( 3 ) 流体具有热传导性。当流体中存在着温度差时，温度高的地方将向 温度低传送热量。 ( 4 ) 流体流动为湍流流动。流体的流动状态主要有两种形式，即层流 ( 1 a m i n a r ) 和湍流( t u r b u l e n c e ) 。隧道中空气的流动由于雷诺数远大于临界雷诺 数，所以为湍流流动。 2 3 2 流体动力学控制方程 流体流动要遵循物理守恒定律，基本的守恒定律包括：质量守恒定律、 动量守恒定律、能量守恒定律。如果流动包含有不同成分( 组元) 的混合或 相互作用( 如燃烧) ，系统还要遵守组分守恒方程。若流动处于湍流状态，系 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 统还要遵守附加的湍流输运方程。 控制方程( g o v e n l i n ge q u a t i o n s ) 是这些守恒定律的数学描述2 1 嘲。 ( 1 ) 质量守恒方程( m a s sc o n s e r v a t i o ne q a t i o n ) 因为工程流场中流体必须满足质量守恒原理。该定律可表述为：单位时 间内流体微元体中质量的增加，等于同一时间间隔内流入该微元体的净质量。 按照这一定律，可以得瞬态三维可压流体出质量守恒方程： 挈+ 垫型+ 垫堕+ 丝型：0 ( 2 7 ) d td x d y d z 若流体不可压，密度p 是常数，公式( 2 7 ) 变为： 婴i 尘+ 娑：0 - i -( 2 8 ) 一一十一= iz o - d x d y d z 若流体处于稳态，则密度p 不随时间变化，则公式( 2 7 ) 变为： 理型+ 翼堕+ _ o ( p w ) ：0( 2 9 ) d x d y o z 质量守恒方程( 2 7 ) 、( 2 8 ) 常被称作连续方程( c o n t i n u i t ye q u a t i o n ) 。 ( 2 ) 动量守恒方程( m o m e n t u mc o n s e r v a t i o ne q u a t i o n ) 动量守恒方程也是任何流动系统都必须满足的基本定律。该定律可表述 为：微元体中流体的动量对时间的变化率等于外界作于该微元体上的各种力 之和。该定律实际上是牛顿第二定律。按照这一定律，可导出x 、y 和z 三个 方向的动量守恒方程： 挈椭c 肛咖一罢+ 誓+ 鲁+ 誓+ 只 c 2 m ， 挈胁( 咖一赛+ 誓+ 鲁+ 誓+ c c 2 ) 挈+ 州p w 啪一笔+ 等+ 鲁+ 誓+ e c 2 m ， 式中，p 是流体微元体上的压强；乇、k 和气等是分子粘性作用而产生在 微元体表面上的粘性应力t 的分量；足、凡和e 是微元体上的体力，若体力 只是重力，且z 轴竖直向上，则辟o 、f y - - - - o 、足= p g 。t 为动力粘度( d y n a m i c v i s c o s i t y ) 。 ( 3 ) 能量守恒方程( e n e r g yc o n s e r v a t i o ne q u a t i o n ) 能量守恒定律是包含有热交换的流动系统必须满足的基本定律。该定律 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 力对微元体所做的功。该定律实际上是热力学第一定律。 流体的能量e 通常是内能f 、动能k = 互1 、2 v 2 w 2 ) 和势能p 三项之 和，从而针对总能量e 建立能量守恒方程。但实际运用中，一般是从中扣除 动能的变化，得到关于内能f 的守恒方程。内能f 与温度t 之间又存在一定的 关系，即f - - c p t ，这样就可以得到以温度丁为变量的能量守恒方程： 挈砌y c 加瑚r a 打卜 p 该式可写成展开形式： a ( p 丁) 。d ( p u t ) a ( p 矿r ) a ( p w 丁) d t d x咖出 ：未( 寺警 + 导( 毒誓 + 未( 毒誓) + s r q 。4 式中c p 为比热容，丁为温度，k 为流体的传热系数，品为流体的内热源及由 于粘性作用流体机械能转换为热能的部分，有时简称为粘性耗散项。 ( 4 ) 湍流控制方程( t u r b u l e n tc o n t r o le q u a t i o n ) 一般认为，无论湍流运动多复杂，非稳态的连续方程和n a v i e r - s t o k e s 方 程对于湍流的瞬时运动仍然是适用的。在此，考虑不可压流体，使用笛卡尔 坐标系，速度矢量口在瓢y 和z 方向的分量为u 、1 ，和w ，写出湍流瞬时控 制方程： d v u = 0 ( 2 - 1 5 ) 蝥+ d i ，( “) ：一! 挈西1 ，( g r a d u ) ( 2 - 1 6 ) d t od x 挚+ d v ( v u ) = 一 挈d v ( g r a d v ) ( 2 - 1 7 ) d t pd x 蝥+ 旃，( 删) = 一 蜜+ ，砌，( g r a d w ) ( 2 - 1 8 ) d t pd x 综合各基本方程，发现“、1 ，、w 、t 、p 和p 六个未知量，还需要补 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 充一个联系p 和夕的状态方程( s t a t ee q u a t i o n ) ，方程组才能封闭。 p = p ( p ，丁) ( 2 1 9 ) 该状态方程对理想气体有： p = p r r ( 2 2 0 ) 其中r 为摩尔常数。 需要说明的是：虽然能量方程( 2 1 3 ) 是流体流动与传热问题的基本控制方 程，当对于不可压流动，若热交换量很小以致可以忽略时，可不考虑能量守 恒方程。这样只需要求解连续方程和动量方程。 2 3 3k 一双方程模型 七一双方程模型是典型的两方程模型，该模型是目前使用最广泛的湍流 模型，它目前主要有如下几种模型：标准七一模型、r n g 七一模型模型以 及r e a l i z a b l e 七一模型等。应用湍流模型计算贴壁流动时，遇到的一个主要 问题在于如何考虑壁面附近流体分子粘性对脉动的阻力作用。由于该区域的 模拟对整体计算结果有重要的影响，因此近壁湍流模拟问题是当前c f d 界关 心的重点，目前主要仍是采用壁面函数法进行处理【2 】。 ( 1 ) 耗散率定义 湍流中单位质量流体脉动动能的耗散率定义为：各向同性下，小尺度 涡流机械能转化为热能的速率。公式如下： = 氖溯 p 2 ， 湍动粘厦从司表不成k 和的函数，即： i x , = p c 7 矿( 2 - 2 2 ) 其中e 为经验常数。 当流动为不可压，且不考虑用户自定义的原项时，j j 一模型变为： 麴a t + 挈= 瓤+ 剀卦q 一胪 p 2 3 ， 酰缸，。吼孤，f 1p 。7 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 挈+ 等产= 毒陋+ 盟a , 、) 塑o x j j + 譬瓯一g ，p 譬c 2 出， 这种简化形式，可使我们更便于分析不同湍流模型的特点。式中g 。按下 式计算： g r = 鸬 2 俐悄 + ( 考+ 芸) 2 + ( 警+ 票 2 + ( 警+ 警) 2 ( 2 - 2 5 ) k 一双方程模型派生出许多不同模型，其主要原因就在于在系数的取值 不同。标准k 一双方程模型中各系数及常数值是通过试验给定，经过大量试 验，六个系数取值已经趋于定值，具体如下表2 1 所示。 表2 1 标准k 一计算模型参数取值【2 1 c l 。c 2 。c u o k o e 1 4 41 9 20 0 91 o1 3 ( 2 ) 标准k 一双方程模型的控制方程组 采用标准k 一双方程模型的控制方程组求解流动和换热问题时，控制方 程包括连续方程、动量方程、k 方程、方程和湍动粘度，。若不考虑热交 换的单纯流场计算问题，则不需要包含能量方程。若考虑传质或有化学变化 的情况，则应再加入组分方程。这些方程都可以表示成如公式( 2 2 6 ) 、( 2 2 7 ) 通用形式。 使用散度符号，上式记为： 掣+ 讲v ( 矽) = 讲1 ，( 忉d 妒) + s ( 2 - 2 7 ) o t 62 - q s+ 、，学悖 a 一 ，一z r d 卜 旦芘 力一卜趔砂刳 扒一 r 十厂又 生 旦砂警静 叶 r 逊m 飘 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 表2 2 三维直角坐标系下标准k 模型的控制方程【2 1 方程妒扩散系数厂原项5 连续 100 工动量 “ l 皤= 雌h t 一妾+ 去够罢，+ 专盯+ 未似驴警，+ 弘动量 1 ， h 唾2 往七# t 一考+ 丢巧考，+ 专 酊考，+ 未弛咿茅，+ 瓦 z 动量 w h 唾2p + 弘t 一警+ 丢够警，+ 专够妻，+ 未矿警，+ & 湍动能 j r + 丝 g 。+ p 吼 耗散率 f + 丝 和a - c 2 。p e ) o e 能量 r 丝+ 丝 s 按具体情况而定 p听 2 4 本章小结 本章主要介绍了与隧道服务层散热相关的理论和方法： ( 1 ) 隧道服务层内的散热方式：热传导、热对流和热辐射。 ( 2 ) 对隧道服务内电缆的热场进行了一定的分析。 ( 3 ) 阐述了计算流体力学的一些基本特性，基本控制方程：质量、动量、 能量、湍流控制方程和k 一双方程模型。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 第3 章隧道服务层散热通风 目前，大多数既有城市越江道路隧道或因长度较短未设服务层或因服务层 内的热源散热微弱，一般没有进行专门散热通风的必要。因此，国内外有关 越江隧道服务层散热通风问题的研究也相对较少。但是，随着经济和城市建 设的不断发展，除了在江河上修建桥梁外，建设越江隧道也成为跨越江河等 天然屏障的一个重要的选择。而且越来越多的越江隧道建设与其他市政设施 建设相结合，尤其当隧道服务层内存在热力管道或城市主干高压电缆等市政 设施时，考虑服务层的散热通风就有其必要性。厦门东通道工程就是隧道服 务层内有散热市政设施而考虑通风的工程实例，以后类似的工程将会更多。 3 1 通风类型选择 城市越江隧道服务层是否需要进行专门的散热通风设计，应据工程具体情 况而定。 3 1 1 不需进行散热通风情况 当服务层内的电缆很少或其加载电压不高时，电缆散热量相对较少，电缆 所散出的热量可很快通过隧道服务层壁散出，从而使热量不能在服务层内聚 集，隧道服务层的温度就不会有太大提高。此时，服务层通风仅需考虑为排 除服务层内容易积聚的污浊气体及相关设施的维修维护等所进行必要的换气 要求，而不必考虑电缆散热通风。 3 1 2 必须进行散热通风情况 当服务层内的电缆聚集的很多且电压很高时，电缆散出的热量远大于隧道 服务层壁所能排出的热量，即服务层原有的散热平衡被破坏。若在热源持续 散热且不通风的情况下，隧道服务层内累积热量过多，温度也必然过高，从 而超出电缆的正常工作温度，导致电缆绝缘层老化，缩短电缆使用寿命，更 有甚至引起火灾的发生。另外，随着温度的升高，电缆的载流量也将降低， 从而造成能源的耗费，直接造成经济损失。在此种情况下，就必须对隧道服 务层采取一些必要的通风措施。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 3 2 通风方式 当隧道服务层确定需要进行通风时，通风方式的不同，将造成通风所需造 价的高低。所以，根据工程实际需要选取合理的通风方式是进行通风设计中 较重要的一个环节。 3 2 1 自然通风 自然通风主要是利用热压的原理：印= g h ( p w 一见) ，其中卸为隧道内外 压差( p a ) ，h 为进排风口高差( m ) ，成、p ，为隧道服务层内、外空气密度取g m 3 ) ， 将进风口降低，排风口升高，只要送、排风口大小合适，且送、排风口的高 差h 足够大，无需风机也可以把隧道内的余热，这样便可以节省运行费用。 所以对于要采取通风，选择自然通风方式当然是最好的。但这种方式的局限 往往把排风竖井建得很高，假若隧道分成很多个独立通风分区时就需要许多 送、排风井，从而使土建造价较高。另外，受到城市交通和环境方面的限制， 修建大量高送、排风井也是不太现实的。 3 2 2 机械通风 机械通风就是在进、出风口设置风机，根据服务层内部电缆散热量不同提 供相应的风量。当其他通风的方式不能满足要求或隧道服务层内通风标准要 求较高时，便可采用机械通风的方式。 3 2 3 混合通风 所谓混合通风，即将自然通风与机械通风相结合的通风。这种方式是在自 然通风的基础上，在送风井或排风井中安装风机。当服务层内电缆散热量少 的时段，可只采用自然通风；当服务层内电缆散热量较多时段，便可启动风 机，进行机械通风。混合通风方式虽可降低送、排风井的高度，但还是需要 修建许多的送、排风井，土建造价相对还是比较高。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 3 3 不通风隧道服务层的温升 3 3 1 不通风服务层温升计算 在不通风的隧道服务层中，内部热源产生的热主要靠服务层壁、底导出。 自然通风大多受规定的封闭措施的限制，因此引起热的积蓄，使周围的服务 层空间的空气温度上升。温升对隧道服务层内的电缆来说，必将导致其负荷 能力降低，电缆老化速度加快。 隧道服务层电缆空间的空气温升与缆沟的尺寸和全部电缆的损耗功率有 关，而产生这一损耗功率的电缆数及服务层内电缆的分布情况对服务层的空 气温度上升没有影响【l6 】。 导 线 辐射热阻t l竺：1 导线温度o。环境温度ou 图3 1 服务层内一根电缆热流的等效线路 隧道服务层电缆的热流等效线路如图3 - 1 所示。热通过辐射直接从电缆表 面传到隧道服务层内侧面。因其面积远大于电缆表面积，因此，可以像架空 电缆一样，把辐射的表面散热系数用辐射率岛= 0 9 5 计算。若导电线芯损耗 为形，介质损耗为形，金属屏蔽层损耗哆为和铠装损耗为，球为隧道服 务层中电缆数，令其外部热阻瓦= 乏竿等+ 乃，根据叠加原理，其热路工4 上5o 1 6 方程为： 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 吼一乃= 刀( 吸+ 三形) 五+ ，z ( 呒+ 彬+ 形) 疋+ 拧( 形+ 形+ 形+ ) ( 五十l ) ( 3 1 ) 式中，皖为导体允许最高温度，参见表3 - 1 ；为周围环境温度，参见表3 - 2 。 表3 1 常用电力电缆导体最高允许温度嗍 最高允许温度( ) 电缆类型电压( k v ) 额定负荷时 短路时 1 38 0 66 5 2 5 0 粘性浸渍纸绝缘 1 06 0 3 55 01 7 5 l 68 0 2 5 0 不滴流纸绝缘1 06 5 3 56 51 7 5 三1 09 0 交联聚乙烯绝缘2 5 0 1 08 0 聚氯乙烯绝缘 7 01 6 0 表3 2 电缆持续允许载流量的环境温度 有无 电缆敷设场所选取的环境温度 机械通风 土中直埋埋深处的最热月平均地温 水下最热月的日最高水温平均值 户外空气中、电缆 沟 最热月的日最高温度平均值 有通风设计温度 有热源设备的厂房 无最热月的日最高温度平均值另5 c 有通风设计温度 一般性厂房、室内 无最热月的日最高温度平均值 户内电缆沟 无最热月的日最高温度平均值另5 c 隧道 隧道有通风设计温度 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 3 3 2 电缆各部分损耗计算 电缆的损耗，主要是由于在交变电磁场的作用下，在导体、绝缘层、金属 屏蔽层和铠甲层中产生的功率损耗。这些损耗一方面大量地消耗了传输功率， 另一方面损耗转变为热能，使电缆的温度升高。若在电缆持续加载和服务层 通风不好的情况下，电缆的散热可使整个隧道服务层的温度升高。 1 导电线芯损耗该损耗主要是导体通过直流或交流电时造成的功率损 耗。单位长度电缆在允许工作温度下的每相导体损耗为： 形= ，2 r 。 ( 3 - 2 ) 式中，为导体电流：心为单位长度在其允许工作温度下每相导体的交流电 阻。 2 绝缘层介质损耗介质在电压作用下有能量损耗。一种时电导引起的损 耗，另一种是由极化引起的损耗。电介质的能量损耗简称为介质损耗。在实 际工程中以功率来计算，其损耗为： 形= u 0 2 0 j c t 9 6 ( 3 - 3 ) 式中，砜为电缆绝缘承受的相电压，单位为l 【v ；翻为电源角频率；t 9 8 为 绝缘材料损耗因数；c 为单位长度电缆每相电容，单位为f m 。对于单芯圆 形导体电缆，计算公式为： c ：5 5 i 7 e 1 0 。1 2 ( 3 4 ) h l ! 其中，为介质的相对介电常数；r 为电缆绝缘外半径；为导电线芯半径。 3 金属屏蔽层( 金属护套) 损耗线芯回路产生的磁通，必然在金属屏蔽 层上产生感应电动势，也就会产生电磁损耗。在实际工程中，一方面为了减 少感应电动势，另一方面，保护系统需要用金属护套做为接地电流通路，所 以大多数情况下，金属护套两端都是接地的，侧必然会产生环流损耗。又由 于金属护套各点的感应电动势不同，形成电位差，又会产生涡流损耗，所以 金属屏蔽层损耗为二者之和。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 单位长度金属屏蔽层甲的感匝电动势： e ，= 一j x 。 ( 3 - 5 ) 式中，为导体线芯电流，单位为a ；x ，为单位长度金属屏蔽层感抗，单位 为q m ；x s = 2 烈l i i 以2 s ) 1 。则接地回路电流： f t = 二l ( 3 - 6 ) 3 r ，+ j x , 、 式中，r 。为金属屏蔽电阻。故单位长度电缆金属屏蔽层损耗为： 形驴蔫代 ( 3 7 ) 实际工程中，常以线芯损