曲线隧道通风摩擦阻力三维数值模拟分析.doc

曲线隧道通风摩擦阻力三维数值模拟分析王子云1 唐长江1唐上明2 全柏铭1 （1.四川大学建筑与环境学院，成都 610031，2.中铁隧道勘测设计院有限公司，天津 300133)摘要：为了探讨曲线隧道摩擦阻力的计算，采用CFD技术和经验公式相结合的方法，对长沙市营盘路湘江隧道四个匝道曲线匝道的摩擦阻力进行三维数值模拟，验证CFD技术在弯曲隧道摩擦阻力计算中应用的可靠性。模拟结果表明，在隧道内风速为 2.54m/s时，三维模拟结果和经验公式计算结果相对误差在2.43%以内，在弯曲度较大的A匝道上，当风速为4m/s时，摩擦阻力比直线隧道增加15.5%。关键词：隧道； CFD；曲线；摩擦阻力Three dimensional and numerical simulation analysis on ventilation frictional resistance of curve tunnelWANG Zi-yun1， TANG Shang-ming2，Quan Bai-ming1，Tang Chang-jiang1(1. College of Architecture and Environment, Sichuan University, Chengdu 610065,2.China Railway Tunnel Survey & Design Institute Co.Ltd, Tianjin,300133,China)Abstract: For discussing the frictional resistance calculation of curve tunnel, Using the method of CFD technique and empirical formula, numerically and three-dimensionally simulated frictional resistance of four ramps at Xiangjiang tunnel in Yingpan Road, Changsha city, for validating the reliability of CFD technique application in frictional resistance calculation of curve tunnel.The results shows, when the wind velocity in tunnel is in 2.54 m/s,the relative errors of three-dimensional results and empirical formula results are smaller than 2.43%.The frictional resistance of ramp A increased by 15.5% than linear tunnel of same length. 公路隧道通风照明设计规范1中只对弯道局部阻力计算给出了经验公式，但目前城市交通隧道出现了多匝道，长距离弯曲隧道，其沿程阻力计算通常是按照直线隧道进行计算，这样处理是否完全合理，有无误差，需要分析论证。文献2-4对射流风机在曲线隧道中的运行情况进行了分析，但目前未见有文献资料中提供一维水力计算公式可供参考，在目前计算流体力学技术（CFD）相当成熟和计算机计算能力大幅度提高的情况下，利用计算机技术可以实现流动阻力的三维计算工程应用计算。本文采用CFD技术，分析长沙市营盘路湘江隧道4个弯曲型匝道通风摩擦阻力，以比较与相同长度直线匝道隧道摩擦阻力的差距，为工程设计提供参考。1隧道工程概况 长沙市营盘路湘江隧道为双线隧道，南北线各有两条匝道，南线主隧道进口侧与A匝道连接，出口侧与C匝道连接，北线主隧道进口侧与D匝道连接，出口侧与B匝道连接，如图1所示，由图可以看出，A、B、C和D匝道均有弯曲段，而且此隧道进出口较多，属于多匝道隧道，两主隧道间又有多个人行和车行横通道，因此通风网路比较复杂，在通风网络解算前，有必要对曲线隧道阻力计算进行分析。图1 隧道线路示意2匝道计算模型的建立2.1匝道物理模型四个匝道横断面积按照施工设计，为拱形断面，断面积为45.82m2，见图2。A匝道长度为523.39m、B匝道长度为424.1m、C匝道长度为630.38m、D匝道长度为663.24m，各长度都为地下部分长度，示意见图36。2.2匝道网格划分匝道网格划分，为保持计算精度和摩擦阻力计算准确性，并经过网格大小分析，先采用四边形网格对隧道断面进行面网格划分，在隧道壁面细化网格，边壁网格大小为0.1，断面最大网格2，网格数量为1257。图2 隧道断面及网格划分然后对四个匝道采用六面体网格进行网格划分（采用cooper type，由两个断面的面网格作为网格源，扫描出体网格），A、B、C和D匝道体网格数分别为：663052、533247、787332和832140个，划分网格后的模型见图36，由于篇幅所限，图中为示意性图。同时采用相同的网格划分模式，对与A、B、C和D匝道长度相同，断面形状和大小也相同的直线隧道建立模型，并划分网格。3三维模拟计算的精度验证 湍流模型采用标准-双方程模型，壁面采用标准壁面函数5，入口采用速度入口边界条件，出口采用压力出口边界条件。为验证三维CFD模拟和流体计算公式间的误差，采用断面半径为4m，长度为500m的圆形断面隧道进行模拟，网格数为87024个，面网格划分时，壁面网格大小为0.1,壁面边界条件为无滑移网格边界条件6,7，粗糙度为0.03，粗糙常数为0.5。模拟完全发展的湍流流动，风速为2.5m,空气密度为1.225m/s。摩擦阻力损失模拟计算结果为7.588Pa。利用公式计算结果，按照相对粗造度0.03/8=0.00375,流速为2.5m时，摩擦阻力系数为0.0305，采用公式（1）8摩擦阻力计算公式计算得到，计算值为7.298 Pa，两者误差为（7.588-7.298）/7.2980.04=4%，可见采用模型中的网格划分以及计算模型，基本可以满足计算精度。三维CFD技术可作为隧道摩擦阻力计算的工具，对弯曲隧道的摩擦阻力进行计算分析。 （1） 图3 A匝道网格划分 图4 B匝道网格划分图 图5 C匝道网格划分图 图6 D匝道网格划4匝道模拟计算结果分析 分别对四个匝道隧道内风速为2.54m/s进行模拟计算，并和相同长度直线隧道模拟结果以及按照公式（1）计算的结果进行比较分析，结果见图710，详细数据见表1。 误差分析采用如下公式计算： (2) (3)由表可以看出，公式计算值和直线隧道模拟值，相对误差最大值为2.43%,出现在B 匝道中风速为2.5m/s的工况下，可见在用三维CFD模拟摩擦阻力时，误差在可接受的范围内，同时从图和表中可以看出随着风速的增加，公式计算值和直线隧道模拟值的误差是减小的。由图可以看出，由于匝道的弯曲，在风速在2.54m/s的范围内，使得隧道摩擦阻力有一定的升高：对于A匝道，摩擦阻力增加了14.6%15.5%；对于B匝道，摩擦阻力增加了8.4%8.42%；对于C匝道，摩擦阻力增加了11.3%11.79；对于D匝道，摩擦阻力增加了9.7%9.71%。从以上数据可以看出，由于A匝道弯曲度最大，因此摩擦阻力增加最大，而B匝道匝道弯曲度最小，因此摩擦阻力增加最小。从表1可以看出，对于一个匝道，不同风速下的增加量区别不是很大（除了A匝道4m/s风速下的结果）。从整个计算模拟可以看出，弯曲度对隧道摩擦阻力有一定的影响，在隧道通风阻力计算时候，有必要考虑，从计算结果上看，采用CFD技术完全可以满足计算要求，能够解决曲线隧道的摩擦阻力计算。图7 A匝道摩擦阻力分析 图8 B匝道摩擦阻力分析图9 C匝道摩擦阻力分析 图10 D 匝道摩擦阻力分析5 结论本章采用CFD技术对营盘路湘江隧道四个匝道的摩擦阻力进行了分析计算，结果表明，CFD技术能够满足工程计算的要求，对摩擦阻力的模拟分析和公式计算值差距在2.43%以下，对四个匝道的计算发现，随着弯曲度的增加，摩擦阻力会增大，其中由于A匝道的弯曲度最大，在风速为4m/s时，可使得其摩擦阻力增加了15.5%。参考文献：1中华人民共和国交通部.公路隧道通风照明设计规范（JTJ026.1-1999）. 人民交通出版社2王峰,王明年,邓园也.曲线公路隧道射流风机布置方式优化研究J.公路交通科技,2009,25(5):86-90Wang Feng, Wang Mingnian , Deng Yuanye.Research on Optimal Distribution of J et Fans in Curvy TunnelJ.Journal of Highway and Transportation Research and Development, 2009,25(5):86-90.3杨立新.隧道施工通风中射流风机位置对风量的影响J.铁道工程学报，2003.77(1):85-89Yang Lix in. Control of Air Flow Passing through cross Tunnels for Jet Ventilation in tunnel constructionJ. Jonrnal of railway engineering society, 2003.77(1):85-89.4 王峰,王明年,邓园也.曲线公路隧道交通风力非稳态模拟研究J. 计算力学学报,2008,25(5):721-725.Wang Feng, Wang Mingnian , Deng Yuanye. Unsteady simulation analyses of the traffic force in curvy highway tunnel J. Chinese Journal of Computational Mechanics,2008,25(5):721-725.5 王福军.计算流体动力学分析M.北京:清华大学出版社，2002.Wang Fujun. Analysis of Computational Fluid DynamicsM. Tsinghua University Press, 2002.6Fluent Inc.,FLUENT USERs Guid