西秦岭隧道互补式通风数值仿真分析

1、西秦岭隧道互补式通风数值仿真分析（1. 中交第二勘察设计研究院有限公司 ,湖北武汉 430052; 2.长安大学陕西省公路桥梁与隧道重点实验室,陕西西安710064） 摘 要：为研究换气风量与换气通道位置对互补式通 风隧道内污染物浓度的影响规律 ,建立隧道通风三维数值仿 真计算模型 ,分析 4 种不同组合工况下换气风量和换气通道 位置对污染物浓度的变化影响。 结果表明 :随着换气风量的增 加 ,上坡隧道排风段污染物浓度减小 ,下坡隧道全段污染物浓 度减小 ;随着换气通道与上坡隧道入口距离的增加 ,上坡隧道 排风段污染物浓度增加 ,下坡隧道排风段污染物浓度减小。 关键词：隧道工程 ;互补式通风

2、;污染物浓度 ;三维数值仿真 0 引 言 近年来,世界各国的隧道专业人员一直致力于隧道通 风的程序化 1-4, 如易赛莉等基于计算流体动力学模型 ,通过 数值模拟试验和理论分析 ,研究隧道火灾的发生、 发展状况以 及延期的扩散和运动规律 5; 祝兵等采用有限元法进行隧道 射流通风和具有射流调压的竖井吸出式通风系统的空气动 力学特性数值研究 6;王永东等在 Matlab 语言环境下 ,按照不 同的通风方案 ,调用相关功能模块进行组合 ,实现了长大公路 隧道多种通风方案的比选和运营调控效果的数值模拟 7; 王 亚琼等采用 Fluent 软件建立模型 ,通过改变隧道壁面粗糙单 元的高度、间距以及断面

3、直径等控制因素来研究通风摩阻的变化8-14 。 本文依托西秦岭特长公路隧道工程,采用理论计算和流体应用软件 Fluent 进行数值模拟 ,对双洞互补式通风 方式下换气风量与换气通道在隧道内位置的不同情况进行 模拟 ,得出换气风量与换气通道位置对隧道内污染物浓度的 影响规律 ,用以指导隧道后期的运营管理。1 工程概况 十堰至天水高速公路是福州至银川国家高速公路(G70) 的横向联络线,东起湖北省十堰市 ,西至甘肃省天水市 ,走向与 316 国道 大致相同 ,自东向西依次连接了福银高速(G70) 、包茂高速(G65)、京昆高速(G5)和连霍高速(G30)四条国家级高速公路， 途经湖北、陕西、甘肃三

4、省 ,全线规划总里程约 833 km 。 西 秦岭特长公路隧道位于徽县大石碑徽县立交路段,是十天高速甘肃段全线控制性工程,穿越软岩大变形和断裂破碎带,地质情况极为复杂 ,施工难度极大。隧道相关参数如表1所示。 表 1 西秦岭特长公路隧道相关参数平均海拔高度/m877设计行车速度/(km h-1) 80两洞轴线距离/m 46最大埋深 /m 680 左线长度 /m 5 464左线坡度 /% -2/5 500 右线长度 /m 5 700 右线坡度 /% 1.99/5 060 1.385/640 西秦岭公路隧道左右 洞远期需风量极不平衡，左线远期需风量为 598.18 m3 - s-1, 右线远期需风

5、量为 291.13 m3 - s-1,左洞的远期需风量是右洞 需风量的 2.055 倍。通风负荷较小的隧道内由于需风量远小 于其最大允许通风量 ,采用最经济的纵向通风方式就可以满 足通风需求；而通风负荷较大的隧道内风速达到9.53 m - s-1,因此采用双洞互补式网络通风方式,在上行线与下行线之间增加 2 处换气通道 ,使上、下行线的通风资源得到有效利用 15-17, 且运用右洞远期富余的新风可以减少左洞通风井的 建设费用。 2 数值仿真模型的建立 2.1 数学模型 运用计算 流体力学软件Fluent建立1 : 1的隧道通风数值仿真模型，由 于运营期间隧道内流体流动状态为湍流状态,因此选择

6、k-e 湍流模型 ,控制方程组如式 （1 ） 、（2）所示。 连续性方程 动量方 程 式中：p为流体介质的密度（m3 s-1）;t为时间（s）; u i、u j为速度分量（m s-1）; u 'i、u 'j为速度分量的脉动值（m s-1）;xi、xj为位置张量;p-为压强的平均值（Pa） 2.2物理 模型与参数 模型全长5 600 m,断面面积为62.79 m2,换气通 道纵向间距为100 m。1#换气通道位于近上坡隧道入口侧，其一侧连接上坡隧道排风口 ,另一侧连接下坡隧道送风口;2#换气通道位于近下坡隧道出口侧,其一侧连接上坡隧道送风口,另一侧连接下坡隧道排风口。计算过程中隧

7、道入口、出口的 相对大气压为0 Pa,隧道沿程阻力系数为0.002。互补式通风隧道模型如图 1 所示。 图 1 互补式通风隧道模型 3 研究结 果与分析 计算过程中固定2#换气通道风量为350 m3 s-1, 变化1#换气通道风量，使其从300 m3 s-1依次递增到450 m3 s-1;上坡隧道污染物排放量为2.939 cm3 m-3,下坡隧道污染物排放量为 0.704 cm3 m-3;调整换气通道相对位置分别为2 240、2 800、3 360、3 920 m,研究换气风量与烟气通道位置对隧道内污染物浓度分布的影响规律。 3.1 换气风量 对污染物浓度分布的影响规律 工况 1 下,即换气通

8、道距上坡 隧道入口 2 240 m 时,隧道风量计算结果如图 2、3所示。 图 2 工况 1 上坡隧道风量分布 图 3 工况 1 下坡隧道风量分布 由图 2、3可以看出 :换气通道位于距上坡隧道入口2 240 m时，随着1#通道换气风量由 300 m3 s-1增加至450 m3 s-1, 上坡隧道的排风段风量增加 27.65%,送风段风量减小 14.53%, 短道风量减小 133.6%, 短道流态由顺流转为回流 ;下坡隧道的 排风段风量增加 26.33%,送风段风量增加 8 1 .88%,短道风量明 显增加,短道流态由回流转为顺流。工况 2下,即换气通道距上坡隧道入口 2 800 m 时,隧道

9、风量计算结果如图 4、5所示。 图 4 工况 2 上坡隧道风量分布 图 5 工况 2 下坡隧道风量分 布 由图 4、5 可以看出 :换气通道距上坡隧道入口2 800 m 处 ,随着1#通道换气风量由 300 m3 s-1增加至450 m3 s-1,上 坡隧道的排风段风量增加23.23%, 送风段风量减小 17.52%,短道风量减小 148.4%, 短道流态由顺流转为回流 ;下坡隧道的 排风段风量增加 22.42%,送风段风量增加 76.55%,短道风量明 显增加,短道流态由回流转为顺流。工况 3下,即换气通道距上坡隧道入口 3 360 m 时,隧道风量计算结果如图 6、7 所示。 图 6 工况

10、 3 上坡隧道风量分布 由图 6、7 可以看出 :换气通 道距上坡隧道入口 3 360 m 时,随着 1#通道换气风量由 300 m3 s-1增加至450 m3 s-1,上坡隧道的排风段风量增加19.43%,送风段风量减小 20.41%,短道风量减小 160.2%, 短道 流态由顺流转为回流 ;下坡隧道的排风段风量增加18.63%,送风段风量增加 71.38%, 短道风量明显增加 ,短道流态为顺流。 工况4下,即换气通道距上坡隧道入口3 920 m时，隧道风量计算结果如图 8、9 所示。 图 7 工况 3 下坡隧道风量分布 图 8 工况 4上坡隧道风量分布 图 9 工况 4下坡隧道风量分布 图

11、10 工况 1上坡隧道污染物浓度 图 11 工况 1下坡隧道污 染物浓度 图 12 工况 2 上坡隧道污染物浓度 图 13 工况 2 下坡隧道污染物浓度 由图 8、9 可以看出 :换气通道距上坡隧 道入口 3 920 m时，随着1#换气通道换气风量由 300 m3 s-1 增加至450 m3 -s-1,上坡隧道的排风段风量增加15.75%,送风段风量减小 23.21%,短道风量减小 169.9%,短道流态由顺流转 为回流 ;下坡隧道排风段风量增加14.96%,送风段风量增加66.38%,短道风量明显增加 ,短道流态由回流转为顺流。3.2换气通道位置对污染物浓度分布的影响规律 分别计算工况 14

12、 换气通道位置对污染物浓度分布的影响,结果如图 1017所示。 由图 10、11 可以看出 :换气通道距上坡隧道入口2 240m时，随着1#通道换气风量由 300 m3 -s-1增加至450 m3 -s-1, 上坡隧道排风段污染物浓度最大值 C1 减小 21.36%,送风段污 染物浓度最大值 C2增加0.32%,短道污染物浓度减小 24.05%; 下坡隧道的排风段污染物浓度最大值C3减小20.84%,送风段污染物浓度最大值 C4 减小 29.19%,短道污染物浓度减小36.6%。 图 14 工况 3上坡隧道污染物浓度 图 15 工况 3下 坡隧道污染物浓度 图 16 工况 4上坡隧道污染物浓度

13、 图 17 工况 4下坡隧道污染物浓度 由图 12、13 可以看出 :换气通道 距上坡隧道入口 2 800 m 时 ,随着 1#通道换气风量由 300 m3 s-1增加至450 m3 s-1,上坡隧道排风段污染物浓度最 大值 C1 减小 18.85%,送风段污染物浓度最大值 C2 增加 0.13%,短道污染物浓度减小 30.46%;下坡隧道的排风段污染 物浓度最大值 C3 减小 18.32%,送风段污染物浓度最大值 C4 减小 28.33%,短道污染物浓度减小 36.21%。 由图 14、15可 以看出 :换气通道距上坡隧道入口 3 360 m 时,随着 1#通道换 气风量由300 m3 s-

14、1增加至450 m3 s-1,上坡隧道排风段 污染物浓度最大值 C1 减小 16.27%,送风段污染物浓度最大值 C2减小1.03%,短道污染物浓度减小 38.84%;下坡隧道排风段 污染物浓度最大值 C3减小15.71%,送风段污染物浓度最大值 C4 减小 27.28%,短道污染物浓度减小 34.95%。 由图 16、17 可以看出 :换气通道距上坡隧道入口 3 920 m 时,随着 1#通道 换气风量由300 m3 s-1增加至450 m3 s-1,上坡隧道排风 段污染物浓度最大值 C1 减小 13.61%,送风段污染物浓度最大 值 C2 减小 4.1%,短道污染物浓度减小 48.25%;

15、下坡隧道排风 段污染物浓度最大值 C3 减小 13.02%,送风段污染物浓度最大 值C4减小26.09%,短道污染物浓度减小 33.38%。4结语 结合西秦岭特长公路隧道双洞互补式通风方式 ,运用 Fluent流体力学软件，建立1 : 1三维数值仿真模型进行模拟，分析了 不同工况下换气风量和换气横通道位置对污染物浓度分布 的影响规律。 (2)随着 1 #通道换气风量增加 ,上坡隧道排风段 风量明显增加 ,且污染物浓度明显减小 ,送风段风量与污染物 浓度呈减小趋势 ;下坡隧道排风段、送风段的风量均增加,其污染物浓度均减小。 (3)随着换气通道距上坡隧道入口距离 的增加 ,上坡隧道排风段污染物浓度

16、增加 ,其受换气风量变化 的影响程度减小 ;送风段污染物浓度减小 ,其受换气风量变化 的影响程度增加。 (4)随着换气通道距上坡隧道入口距离的 增加 ,下坡隧道排风段污染物浓度减小 ,其受换气风量变化的 影响程度减小 ;送风段污染物浓度增加 ,其受换气风量变化的 影响程度减小。 参考文献： 1 夏丰勇 .特长公路隧道双洞 互补式通风数值模拟研究 D. 西安:长安大学 ,2012. 2 JALALI S E,FOROUHANDEH S F.Reliability Estimation of Auxiliary Ventilation Systems in Long Tunnels during

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20、 术,2012,29(2):109-113. 17 张彦晓.公路长隧道双洞互补式 网络通风方案研究D.西安:长安大学,2011.责任编辑:杜敏 浩 Numerical Simulation Analysis of Complementary Ventilation in West Qinling Mountains Tunnel ZHOUJia-cai1,XIONG Ya2,WANG Jian-yu2,WANG Ya-qiong2 (1.CCCC Second Highway Consultants Co.,Ltd.,Wuhan 430052,Hubei,China;2.Shaanxi Pro

21、vincial Major Laboratory for Highway Bridge&Tunnel,Chang?an University,Xi?an 710064,Shaanxi,China) Abstract ：In order to study the influence of the ventilation volume and the ventilation channel position on the concentration of pollutants in the complementary ventilation tunnel,a threedimensional numerical simulation model of the tunnel ventilation was established.The effects of vent