特長隧道通風(fēng)通風(fēng)的空氣動力學(xué)分析

特長隧道通風(fēng)通風(fēng)的空氣動力學(xué)分析

0隧道排送組合通風(fēng)算法中存在的問題隨著我國道路交通的快速發(fā)展，6000米長的專業(yè)道路隧道數(shù)量不斷增加。僅在2007年和2008年就完成了10多座。目前，該項(xiàng)目建設(shè)中仍有大量的專業(yè)隧道。為了保證隧道內(nèi)的空氣質(zhì)量和能見度,并使隧道內(nèi)的縱向風(fēng)速不影響行車安全,中國特長公路隧道多采用斜(豎)井排送組合通風(fēng)。對于排送組合通風(fēng)的設(shè)計(jì)計(jì)算,中國《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范》提供了一套算法。這套算法以空氣動力學(xué)理論為基礎(chǔ),原理簡單可靠。但是,由于排送組合通風(fēng)系統(tǒng)自身構(gòu)造較復(fù)雜,在實(shí)際工程中還要考慮通風(fēng)區(qū)段的長度與坡度差異、聯(lián)絡(luò)風(fēng)道的長度與角度差異和不同運(yùn)行工況等多種因素,這套算法還存在一些問題,需要通過進(jìn)一步的理論研究和工程實(shí)踐來完善。為此,本文應(yīng)用空氣動力學(xué)理論,對特長隧道排送組合通風(fēng)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法進(jìn)行系統(tǒng)分析,并對文獻(xiàn)中存在的若干問題進(jìn)行探討。1標(biāo)準(zhǔn)4:c340.13455排送組合通風(fēng)模式如圖1所示。采用這種通風(fēng)方式時(shí),在排風(fēng)口與送風(fēng)口之間的短道內(nèi)一般會存在空氣流動,稱之為短道風(fēng)流。短道風(fēng)流有兩種可能流動方向,即與隧道內(nèi)車流方向一致或相反,一致時(shí)稱為順流,相反時(shí)稱為回流。設(shè)計(jì)中通常要求短道內(nèi)為順流。在短道順流情況下,在排風(fēng)口和送風(fēng)口分別取圖1中虛線所示的控制體,并分別在隧道軸線方向(向右為正)建立動量方程,則有A(P1-P2)=c2ρQsv2+ceρQevecos(α)-c1ρQ1v1(1)A(P3-P4)=c4ρQ4v4+cbρQbvbcos(β)-c3ρQsv3(2)式中:A為隧道的斷面面積;ρ為空氣的密度;c1、c2、c3、c4、ce、cb均為動量修正系數(shù)。根據(jù)連續(xù)性方程Qs=Q1-Qe,注意到v2=Qs/A=v1(1-Qe/Q1),代入式(1)并整理;同樣,根據(jù)Qs=Q4-Qb,注意到v3=Qs/A=v4(1-Qb/Q4),代入式(2),并按照工程上常用的處理方法,取c1、c2、c3、c4、ce、cb均為1。整理后可得Ρ1-Ρ2=2QeQ1(QeQ1-2+vev1cos(α))ρv122(3)Ρ3-Ρ4=2QbQ4(2-QbQ4-vbv4cos(β))ρv422(4)令P2-P1=ΔPe,P4-P3=ΔPb,并分別稱為排風(fēng)口與送風(fēng)口的升壓力,從而有ΔΡe=2QeQ1(2-QeQ1-vev1cos(α))ρv122(5)ΔΡb=2QbQ4(QbQ4+vbv4cos(β)-2)ρv422(6)文獻(xiàn)中排風(fēng)口升壓力的計(jì)算公式為ΔΡe=2QeQ1[(2-Κevev1)-QeQ1]ρv122將其中的動量系數(shù)Ke也取為1,再與式(5)比較。可見文獻(xiàn)的公式(3.5.8-1)遺漏了cos(α),即遺漏了排風(fēng)道與隧道交角α的影響。2co濃度分布短道順流情況下,隧道內(nèi)的空氣流動情況如圖1所示。根據(jù)文獻(xiàn)介紹的方法,可分別計(jì)算出隧道入口至斷面1范圍內(nèi)(下稱“排風(fēng)段”)車輛的CO排放量QCO1,斷面4至隧道出口范圍內(nèi)(下稱“送風(fēng)段”)車輛的CO排放量QCO4。對于車輛在短道內(nèi)CO排放量QCO3,在縱坡不變或變化不大的情況下,可以根據(jù)排風(fēng)段L1和短道段Ls長度的比例關(guān)系進(jìn)行簡化處理,計(jì)算式為QCΟ3=QCΟ1LsL1(7)各區(qū)段CO濃度詳細(xì)分析如下。隧道入口處全為新鮮空氣,CO濃度為δin=0。隧道入口至斷面1,CO濃度呈線性遞增,斷面1處濃度δ1為δ1=QCΟ1Q1(8)經(jīng)排風(fēng)口分流后,斷面2處CO濃度δ1與斷面1處相當(dāng),濃度δ2為δ2=δ1=QCΟ1Q1(9)由斷面2帶入短道的CO流量為QCΟ2=δ2Qs=QCΟ1Q1(Q1-Qe)(10)則斷面3處CO濃度δ3為δ3=QCΟ2+QCΟ3Qs(11)代入式(7)和式(10)并整理得δ3=QCΟ1Q1(Q1Q1-QeLsL1+1)=δ1(Q1Q1-QeLsL1+1)(12)斷面4處與斷面3處的CO流量相當(dāng),為QCO2+QCO3,則斷面4處CO濃度δ4為δ4=QCΟ2+QCΟ3Q4=QCΟ2+QCΟ3Qs+Qb(13)斷面4至隧道出口間CO濃度線性遞增,出口處CO濃度為δout=QCΟ2+QCΟ3+QCΟ4Q4=QCΟ2+QCΟ3+QCΟ4Qs+Qb(14)通過分析各控制點(diǎn)的CO濃度,可以繪出短道順流情況下隧道CO濃度分布,如圖2所示。從圖2可以看出:①短道末端和隧道出口出現(xiàn)CO濃度極值;②短道內(nèi)由于風(fēng)速和空氣流量小,CO濃度升高很快。值得指出的是,這里所定義的各個(gè)斷面的CO濃度均為一般意義下的有害氣體體積濃度。而文獻(xiàn)所定義的通風(fēng)井底部的濃度C2和隧道出口內(nèi)側(cè)處的濃度C3均為需風(fēng)量與設(shè)計(jì)風(fēng)量的比值,不易被理解與應(yīng)用,即C2=Qreq1Qr1C3=Qreq2Qr1-Qe-Qreq1+QeQreq1/Qr1+Qb式中:Qreq1為排風(fēng)段需風(fēng)量;Qreq2為送風(fēng)段需風(fēng)量;Qr1為排風(fēng)段設(shè)計(jì)風(fēng)量。3流量和風(fēng)壓在排水和送風(fēng)段3.1長絲環(huán)境壓力的確定根據(jù)上述有害氣體濃度分析,排風(fēng)段風(fēng)量設(shè)計(jì)以滿足稀釋短道末端有害氣體的要求為標(biāo)準(zhǔn),除與隧道內(nèi)污染空氣的排放有關(guān)外,還取決于2個(gè)控制因素:排風(fēng)口分流系數(shù)和短道長度。排風(fēng)口分流系數(shù)k定義為排風(fēng)口排出流量占隧道入口進(jìn)風(fēng)量的比例,即k=Qe/Q1(15)由于只考慮順流情況,k值總是小于1。從有效排放污染空氣角度出發(fā),應(yīng)盡量提高k值;但如果k值過高,短道內(nèi)風(fēng)速大大降低,污染空氣濃度很容易超限。根據(jù)相關(guān)資料,k一般取為0.85～0.90。短道長度Ls的選取考慮兩方面因素:短道內(nèi)空氣流向和污染空氣濃度。短道內(nèi)設(shè)計(jì)為順流,為了避免出現(xiàn)回流,短道長度不應(yīng)過短;由于短道內(nèi)污染空氣濃度上升很快,為了避免短道污染空氣濃度超過設(shè)計(jì)值,短道長度不宜過長。事實(shí)上,影響短道內(nèi)空氣流動的因素很多,其流動狀態(tài)復(fù)雜多變,短道合理長度需要通過試驗(yàn)確定。參考國內(nèi)外資料,短道長度取值略大于50m。選定分流系數(shù)k和短道長度Ls,考慮短道末端(斷面3)有害空氣濃度應(yīng)低于設(shè)計(jì)容許濃度,應(yīng)有δ3≤δD(16)式中:δD為有害氣體設(shè)計(jì)容許濃度。將式(16)代入式(12),可得隧道入口送風(fēng)量為Q1=QCΟ1δD(Ls(1-k)L1+1)(17)進(jìn)而由Q1可算出短道風(fēng)量Qs和排風(fēng)口的排風(fēng)量Qe。由排風(fēng)機(jī)提供的排風(fēng)口升壓力ΔPe能否保證從隧道進(jìn)口送入風(fēng)量Q1,需要進(jìn)一步分析排風(fēng)段的壓力情況。分別計(jì)算排風(fēng)段的通風(fēng)阻力ΔPr1、交通通風(fēng)阻力ΔPt1和自然風(fēng)阻力ΔPm1,即ΔΡr1=(ξin+λL1Dr)ρ2vr12+ξΡρ2vr12(18)ΔΡt1=AmArρ2n1(vt1-vr1)2(19)ΔPm1=Const(20)式中:ξin為隧道入口局部阻力系數(shù);ξP為排風(fēng)口分叉處局部阻力系數(shù);λ為排風(fēng)段隧道壁面摩阻損失系數(shù);Dr為隧道斷面當(dāng)量直徑;vr1為排風(fēng)段隧道設(shè)計(jì)風(fēng)速;Am為汽車等效抗阻面積;Ar為隧道凈空斷面面積;n1為排風(fēng)段內(nèi)車輛數(shù);vt1為排風(fēng)段內(nèi)車速。令Δe=ΔPr1-ΔPt1+ΔPm1-ΔPe(21)Δe為隧道排風(fēng)段的通風(fēng)阻力與通風(fēng)動力之差。如果Δe≤0,表明排風(fēng)段通風(fēng)動力充足,能保證從隧道進(jìn)口吸入風(fēng)量Q1;相反,如果Δe>0,則不能從隧道進(jìn)口吸入風(fēng)量Q1。在后一種情況下,可調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)重新計(jì)算;若仍希望能從隧道入口送入風(fēng)量Q1,則需要在排風(fēng)段設(shè)置射流風(fēng)機(jī),并使射流風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的總風(fēng)壓為ΔPej≥Δe(22)3.2風(fēng)機(jī)送風(fēng)口壓力計(jì)算在送風(fēng)段,送入風(fēng)量Qb應(yīng)保證隧道出口處(斷面4)有害空氣濃度不超過設(shè)計(jì)容許濃度,即要求δ4≤δD(23)將式(7)、式(10)、式(14)代入式(23),可得Qb≥QCΟ1Ls/L1+QCΟ1(Q1-Qe)/Q1+QCΟ4δD-(Q1-Qe)=QCΟ4δD(24)從式(24)可以看出,由于短道末端污染空氣濃度不超過設(shè)計(jì)容許值,短道進(jìn)入送風(fēng)段的氣體不影響送風(fēng)段的需風(fēng)量,即送風(fēng)口送入的新鮮空氣Qb保證稀釋送風(fēng)段車輛排放的有害氣體便可。送風(fēng)段空氣總流量為Q4=Qs+Qb(25)同樣,在送風(fēng)段也需要校核送風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的送風(fēng)口升壓力能否將流量為Q4的空氣送至隧道出口。為此,分別計(jì)算送風(fēng)段的通風(fēng)阻力ΔPr4、交通通風(fēng)阻力ΔPt4和自然風(fēng)阻力ΔPm4,即ΔΡr4=(ξout+λL4Dr)ρ2vr42+ξSρ2vr42(26)ΔΡt4=AmArρ2n4(vt4-vr4)2(27)式中:ξout為隧道出口局部阻力系數(shù);ξS為送風(fēng)口合流處局部阻力系數(shù);vr4為送風(fēng)段隧道設(shè)計(jì)風(fēng)速;n4為送風(fēng)段內(nèi)車輛數(shù);vt4為送風(fēng)段內(nèi)車速。ΔPm4=Const(常數(shù))(28)令Δb=ΔPr4+ΔPm4-ΔPb(29)Δb為隧道送風(fēng)段的通風(fēng)阻力與通風(fēng)動力之差。如果Δb≤0,表明送風(fēng)段通風(fēng)動力充足,風(fēng)流可以按設(shè)想的方式在送風(fēng)段流動;相反,如果Δb>0,送風(fēng)段風(fēng)流則不能按設(shè)想的狀態(tài)流動。在后一種情況下,可調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)重新計(jì)算;若仍希望能從隧道出口排出風(fēng)量Q4,則需要在排風(fēng)段設(shè)置射流風(fēng)機(jī),并使射流風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的總風(fēng)壓為ΔPbj≥Δb(30)與文獻(xiàn)的相關(guān)公式比較,排風(fēng)段與送風(fēng)段風(fēng)量的計(jì)算公式有很大的差別。此外,在風(fēng)壓計(jì)算中,本文方法與文獻(xiàn)的方法有兩點(diǎn)重要差別:①關(guān)于自然風(fēng)的阻力,筆者在文獻(xiàn)中闡述了將隧道自然風(fēng)阻力考慮為常阻力的合理性;②關(guān)于隧道內(nèi)通風(fēng)壓力應(yīng)滿足的條件,文獻(xiàn)要求隧道內(nèi)壓力應(yīng)滿足的條件為Δpb+Δpe≥Δpr-Δpt+Δpm式中各參量的定義見文獻(xiàn)。該條件僅是一條必要條件,而非充分條件,即全隧道的總的通風(fēng)動力大于等于總的通風(fēng)阻力,并不能保證分段通風(fēng)條件下各段的通風(fēng)動力均大于等于段內(nèi)的通風(fēng)阻力。所以本文進(jìn)行分段檢驗(yàn),并在必要時(shí)用射流風(fēng)機(jī)提供補(bǔ)充風(fēng)壓是合理的。4排風(fēng)機(jī)風(fēng)壓及pse排風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)風(fēng)壓計(jì)算公式為ΔΡtote=1.1(ρve22+ΔΡse+ΔΡe)(31)ΔΡtotb=1.1(ρvb22+ΔΡsb+ΔΡb)(32)式中:ΔPtote為排風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)風(fēng)壓;ΔPtotb為送風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)風(fēng)壓;ΔPse為由隧道內(nèi)排風(fēng)口到通風(fēng)井排風(fēng)口的沿程阻力和局部阻力總和;ΔPsb為由通風(fēng)井送風(fēng)口到隧道內(nèi)送風(fēng)口的沿程阻力和局部阻力總和。根據(jù)算出的排風(fēng)機(jī)風(fēng)壓ΔPtote和隧道排風(fēng)口的排風(fēng)量Qe,便可進(jìn)行排風(fēng)機(jī)選型;根據(jù)送風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)風(fēng)壓ΔPtotb和隧道送風(fēng)口的送風(fēng)量Qb,可以對送風(fēng)機(jī)進(jìn)行選型。5送風(fēng)口升壓力中國排送組合縱向通風(fēng)排、送風(fēng)口的構(gòu)造與圖1所示的模式有一定的出入。排風(fēng)口的常用構(gòu)造是其軸線與隧道軸線垂直,送風(fēng)口的常用構(gòu)造是在隧道頂部設(shè)置與隧道軸線平行的送風(fēng)口。在常用風(fēng)口構(gòu)造情況下,風(fēng)口的升壓力可由圖3所示通風(fēng)模式進(jìn)行推導(dǎo)。在圖3中,P3和v3分別是短道末端的靜壓和風(fēng)速,其他符號意義同前。應(yīng)用動量方程,在排風(fēng)口,斷面2與斷面面1的靜壓差P2-P1=ΔPe,即排風(fēng)口的升壓力為ΔΡe=2QeQ1(2-QeQ1)ρv122(33)可見式(33)與將α=90°代入式(5)得到的結(jié)論是相同的。在送風(fēng)口,由于送風(fēng)口的構(gòu)造有些許變化,取圖3所示的虛線包圍的體積為控制體,對控制體內(nèi)的風(fēng)流應(yīng)用動量方程,設(shè)坐標(biāo)軸水平向右為正,可得AbPb+A3P3-AP4=ρQ4v4-ρQbvb-ρQ3v3(34)在式(34)中,考慮到Ab+A3=A,Q4=Qb+Q3;由于斷面3的上、下部靜壓差別不大,如果該靜壓很大,則噴出的射流應(yīng)立即向下擴(kuò)散或向上收縮。因此,假設(shè)斷面3的上、下部靜壓相同,即Pb=P3。代入式(34)并整理,可得斷面4與斷面3的靜壓差P4-P3=ΔPb,即送風(fēng)口的升壓力ΔΡb=2[AA3(1-QbQ4)2-(1-vbv4QbQ4)]ρv422(35)文獻(xiàn)在計(jì)算常用送風(fēng)口的升壓力時(shí),將cos(0°)=1和Kb=1代入式(3.5.8—2),得到常用構(gòu)造下的送風(fēng)口升壓力計(jì)算公式為ΔΡb=2QbQr2(kbvbcos(β)vr2-2+QbQr2)ρvr222將上式與式(35)進(jìn)行比較,顯然兩者之間有較大的出入。此外,文獻(xiàn)中將式(3.5.8-2)送風(fēng)口的傾角β取為0°,此傾角對應(yīng)的結(jié)構(gòu)不夠清楚。6排送組合通風(fēng)中區(qū)段通風(fēng)