射流风机安装高度对污染物扩散.doc

射流风机安装高度对污染物扩散的影响铁道第三勘察设计院集团有限公司 高辉 西南交通大学 陈寿根 敬成君 中铁二局 杨家松摘要：本文应用国际通用计算流体力学软件fluent模拟分析了锦屏水电交通辅助洞B线最远端横通道处射流风机安装高度对污染物（co）扩散的影响，通过计算污染物浓度和气流速度的分布，发现污染物浓度和风速在风机出口前约250m处趋于稳定；当射流风机安装位置较高时，污染物主要集中在隧道的上部，且空气以相对较高的速度同样在隧道上部流动，随着风机安装位置的增高隧道内工作区的空气质量将有明显的改善。关键词：射流风机 污染物 通风 数值模拟1. 引言 隧道中的风机射流是一种有限空间的紊动射流，与通常的自由射流有极大的不同，同时它还具有多股平行并列，多组纵向串联，以通风气流为伴随流动等特点，是一种特殊而复杂的射流形式1。射流以初始速度Vj进入通风速度为Vr的隧道空间，在风机出口处，射流与隧道气流之间形成切向间断而产生旋涡，使射流微团产生横向脉动而与隧道气流进行动量交换、质量交换23。这种“卷吸”作用，使射流范围扩展、流量增加、速度减小、压力上升，形成射流发展过程。与此同时，伴随流动范围逐渐减小，压力同步上升，整个隧道气流沿着纵向呈现一种渐变的、非均匀的逆压流动，直至射流发展完成，伴随流消失，断面开始形成均匀流速度分布45，污染物在气流中的扩散也受到整个射流过程的影响。2. 国内外现状国外应用网络模型对于地下矿井、隧道等研究较多68。地下矿井、隧道洞室群的通风研究主要是利用网络(Network/tonal)通风模型进行数值模拟，通常采用的是斯考德一恒雷斯法(Soott-Honsle)、牛顿法(Newton)、节点压力法，目前常用的是斯考德一恒雷斯法，其实质是在满足风量平衡定律的情况下，预先假定各分支风量，根据风压平衡定律和阻力定律列出平衡方程，最后用泰勒级数展开对风量值作多次修正，得到最终结果。这种方法用于分析多个横通道开启的情况下隧道内的气流组织。 在国内，杨立新9研究了在隧道施工射流通风中，如果有多个横通道开启的情况下射流风机对风流的控制。在文献10中他研究了射流风机和局部风扇的摆放位置对风量的影响，计算得出：当局部风扇和横通道的间距保持不变时，局部风扇使进洞风量的增加幅度，随横通道至洞口距离的减小而逐渐增大。但通常情况下，这种增加还不足以使进洞风量等于射流风机引射风量与局部风扇风量之和。射流风机放在局部风扇前后进洞风量的增幅差值不大，且随横通道至洞口距离的减小而逐渐减少。3. 实例计算3.1 工程概况锦屏水电交通洞是锦屏一级、二级水电站前期工程的关键施工项目，由A、B两单车道隧道组成，水平中心距约35m。具体参数见表1。表1 隧道主要断面尺寸断面面积（m2）周长（m）水力直径（m）B线一般断面33.87922.0096.157大断面62.53130.0438.325横通道24.66918.8955.222图1 锦屏辅助洞最远端横通道处施工通风简图3.2 数值计算应用国际通用计算流体力学软件fluent对锦屏辅助洞最远端横通道处射流风机不同的布置方式进行模拟计算，分别对风机处于1m、2m、3m、4m高度（水平位置为图1）的4种情况进行计算。边界条件设置：入口1：速度2.5m/s；co浓度25ppm；入口2：速度0.5m/s；co浓度5ppm；出口： 压力边界条件；风机为fluent中的风机边界条件，风机型号：QSF-1250。3.3 计算结果及分析在风机出口前250m处co浓度基本上趋于稳定，图2为4种风机安装高度情况下的co浓度分布图。从图中可以看出，当风机安装位置较低时co主要集中在隧道的下部，反则co主要集中在隧道的上部。当co浓度趋于稳定后并没有发生纵向扩散是由于隧道内的空气主要是沿横向流动，纵向方向的速度很小，而这时的紊流扩散起主要作用（相对于分子扩散）。这种高浓度处于上部的分布方式是施工中所需要的，因此将射流风机安装在尽量高的地方是较合理的。图3是隧道中心线上的co浓度分布图，横坐标为隧道的长度，纵坐标为co的体积比浓度。图中0m处浓度出现突变是由于在该位置从横通道流入了co浓度较低空气，使得隧道内的co浓度变低，约为8ppm。（a）安装高度为1m （b）安装高度为2m （c）安装高度为3m （d）安装高度为4m图2 风机出口250m处co浓度分布图，（a）、（b）、（c）、（d）分别为不同的安装高度（a）风机安装高度为1m （b）风机安装高度为2m（c）风机安装高度为3m （d）风机安装高度为4m图3 隧道中心线上co浓度分布图 图4为隧道内风速趋于稳定后的速度标量图，该位置处于风机出口前约250m。从图中可以看出速度的分布和co浓度的分布较类似，当风机安装位置较低时相对较高的速度分布于隧道的下部，反则分布于隧道的上部。隧道内的主要风速范围为1.7m/s2.6m/s。（a）安装高度为1m （b）安装高度为2m （c）安装高度为3m （d）安装高度为4m图4 风机出口250m处速度标量图，（a）、（b）、（c）、（d）分别为不同的安装高度4. 结论本文应用国际通用计算流体力学软件fluent模拟分析了射流风机不同的安装高度对污染物在隧道内分布的影响，通过计算co浓度分布和气流速度分布分析得出，当射流风机安装位置较高时，co主要集中在隧道的上部，且空气以相对较高的速度同样在隧道上部流动，这种分布方式非常有利于施工人员在隧道内施工，因此，建议在施工时，根据现场情况尽可能将风机安装于隧道上方。 本研究只考虑了恒定的co流量，并没有考虑计算区域内由于车辆的通过而引起的co排放， 这一问题将在今后的课题中逐步进行研究。参考文献：1石平.公路隧道通风局部效应三维数值模拟分析与研究.硕士学位论文.长安：长安大学.2004. 2郑晋丽(译).隧道通风系统模拟计算和结论.地下工程与隧道.1997，1：41-453陈德芳.长大道路隧道通风设计综述.地下工程与隧道.1995，3：34-374高孟理.隧道射流通风与防灾.中国公路学报.1998，11（1）：1-55曾艳华，关宝树.公路隧道全射流纵向通风方式的适用长度.公路.1998，1：38-416Yunan Hu et al.Control design for mine ventilation network systems. Decision and Control.2002.Vol. l:10-13.7Chen Shiyuan. Network analyses of ventilation system for large hydro-generator. Electrical Machines and Systems. 2001. Vol.l:18-20.8Armin. ERudd. Measurement of ventilation and interzonal distribut