长大公路隧道复杂通风系统网络数值模拟研究

1、长大公路隧道复杂通风系统网络数值模拟研究金文良赵金锐聂玉文（广东省公路勘察规划设计院有限公司,广东广州 510507 ）摘要：本文运用网络通风理论，引入风机风压风量曲线模型、自然风力模型、连续交通风压模型等概念，建立隧道复杂通风网络仿真模型，编制隧道一元流通风系统整体仿真程序，并对依托工程秦岭终南山特长公路隧道通风方案进行仿真分析，实现通风方案的比选和优化。关键词 ：隧道；通风；网络；仿真Network Emulation Technique And Optimization For Extra-Long Tunnel Ventilation SystemJin WenliangZhaojin

2、ruiNie Yuwen（ Guangdong Highway Design Institute,GuangDong Guangzhou510507）Abstract: Appling on network ventilation theories, the paper introducedfan s wind pressure-quantitycurvemodel, nature windpressure model and transportation windpressure model, established the ventilationnetwork emulation syst

3、em, and worked out a simple equation emulator for the analysis of complex tunnelventilation system. In the end, the paper analyzed Qinling Zhongnan mountain extra-long tunnel ventilation system, and triumphantly carried out a ventilation scheme for the tunnel. Key words: Tunnel; Ventilation; Network

4、; Emulation1 引言近 20 年来我国公路交通事业迅猛发展，公路隧道工程建设越建越多、越建越长。随着高速公路向山区延伸，正在或即将涌现许多长大或特长公路隧道。目前，已建和在建3000m以上的特长隧道 50 余座，其中通车 5000m以上隧道 2 座，双洞八车道隧道一座。川西高原海拔3400m、长 4448m的鹧鸪山隧道已正式竣工；已经通车营运的秦岭终南山隧道长18.02km，居世界第二；上海上中路隧道长2.8km ，是世界直径最大， 首条双层双向 4 车道隧道；厦门翔安隧道是我国第一条长5.9km 的海底隧道；近 7000m长、海拔 4300m的雀儿山隧道； 还有长约 10000m、

5、海拔 2400 多米、西部大通道泥巴山隧道长达10.3km已经在建设。这些说明我国公路隧道建设已进入快速发展的新时期。虽然近十年来，我国公路隧道建设取得了长足进步，但还是适应不了公路交通发展的要求，与国外先进水平相比，还存在着一定的差距。其中很重要的一点就是特长公路隧道的关键技术如通风防灾等问题还没有完全解决，制约了高等级公路隧道的发展。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，具代表性的有瑞典的Axel Bring等在 IDA( 输入数据汇编程序) 环境下编制的一套模块化模拟程序，该程序灵活实用，可沿展性好易于维护。但其模拟功能单一，不便于进行方案比选和各种计算之间的转换，

6、模拟中的经验值过多，容易影响计算结果的精度；英国的Alan Vardy编制的模拟计算程序可以对纵向通风方式和半横向通风方式进行计算，可以模拟稳态和非稳态气流状况。国内的西南交大、兰州铁道学院和重庆交通科研设计院等单位在公路隧道通风方面也做过大量研究，取得了不少突破，但鉴于国内长大公路隧道建设刚刚起步，13 5km 以上隧道凤毛麟角。而单洞长达18.02km 的秦岭终南山双洞单向四车道公路隧道达亚洲之最、世界第二，加之其东侧平行相距 30 120m 的两座 18km 铁路隧道，其庞大通风防灾系统的设计和科研遇到了新的挑战。总的看来，国内隧道通风仿真程序大多存在以下几个问题：隧道通风形式单一，或为

7、全纵向通风、或为竖井单排式通风、或为单竖井送排式通风，通风规模小；开发编制的通风计算程序相互独立，适应性差，难以进行复杂组合通风方式的模拟；开发的程序功能简单，难以实现不同交通量、不同运营状态等各种工况的通风模拟；数值仿真分析多停留在通风局部，未能进行复杂系统的全面整体通风仿真。本文针对以上问题，运用网络通风理论，引入风机风压风量曲线模型、自然风力模型、连续交通风压模型等概念，建立隧道复杂通风网络仿真模型，编制一元流通风系统整体仿真程序，并对依托工程秦岭终南山特长公路隧道通风方案进行仿真分析，实现通风方案的比选和优化。2 通风仿真理论模型建立通风网络计算理论服从流体力学基本定律。节点风流连续方

8、程即风量平衡定律式：n0 ；回Qijj1路风压平衡方程：n0 （不含通风动力，包括自然风压、风机和交通通风力等）或fiPijj1fnnnH 自n0 （含通风动力，包括自然风压、风机或交通通风力）iPH 风机H 交通。i ji ji ji jj 1j 1j 1j 12.1 隧道通风阻力模型隧道本身具有的通风阻力可分为二类，一为沿程阻力，二为局部阻力。沿程阻力损失h f 和局部阻力损失h 计算公式可写成：h fL v2L3Q 2Rf Q 2 和 hv22 A2 Q 2R Q 2 。则通风支路阻力损失 hi 计算2d8A2公式可写成： hinm2Ri Q2h fjh kQijk由于隧道的长度、截面积

9、、湿周对于建成的隧道是固定不变的。当流体的运动进入完全紊流状态时，沿程阻力系数仅取决于隧道内壁的相对光滑度，一定时间内是不变的，故沿程阻力系数可视为常数。局部阻力系数的主要差别在于不同类型的局部阻力具有不同局部阻力系数，但在具体条件下是确定不变的常数。空气密度随空气温度、湿度、气压的变化而变化，但隧道内空气密度变化不大，也可视为常量，所以通风支路风阻系数也为常量。2.2 风机风压风量曲线模型单台轴流风机风压风量曲线（H-Q 曲线）的数学表达式，常用曲线拟合的方法获得。在H-Q 曲线上选取足够点数的H i、 Qi 值，用最小二乘法拟合多项式，通式可写成H f b1 b2Q b3Q 2bnQ N

10、12解算出系数 b1 、 b2 、 b3bn ，风机特性曲线的数学表达式即可确定。多台风机并联的特性曲线的数学表达式，只需按相同风压各风机风量相加的原则，对H-Q 曲线所选点的 Hi、 Qi 值进行计算，再用最小二乘法拟合多项式即可。对于固定安装角下、转数一定的通风机，产生的体积流量无论在任何海拔高度上都是不变的，即：QZ=Q0 。而风压随海拔高度的增加而降低，即与空气的密度成正比，得：Hz=zH0=k zH002.3 交通风压模型隧道交通风风力的计算公式可表示成如下H tAmn ( t ( )r )2Amn ( t ( )r ) 2Ar2Ar 2将上式改写成通风支路的交通通风力公式Ami2A

11、mi222H tiA3ri 2 ni (Qti ( )Qri )A3 ri 2ni(Qti ( ) Qri ) TiQti ( )QriTi Qti ( )Qri式中： Qti ( ) 、 Qti ( ) 为ti ( ) Ari、 ti () Ari 。2.4 自然风力模型隧道内自然风压的产生主要由两方面因素促成，一是隧道及竖井各进出口间的超静压差，二是隧道及竖井内外因空气温度不同引起密度变化而形成的热位差。超静压差：P静NKv2N Kv2 ；热位差的形成源于洞内空气与外界发生了热能或其他形式NN22能量的交换而促使空气做功，以克服隧道通风阻力，维持空气流动。热位差的计算方法如下：按流体静力学

12、公式，隧道两洞口的空气压差dpdz ，式中空气密度取决于空气状态变化过程，即与高程、压力、温度等有关。就一般隧道而言，可近似认为属等容过程，可视为常量，积分上式有：H n0 Z0l Z l，可按0.0464 P 计算，压力 P 按毫米汞柱代入， T 按绝对温度代入。按照经验，T60%，进风口的气温可取该处地表的月平均气温，出在无实测数据的情况下，洞内空气相对湿度可取风口的气温可按该处岩体温度减去12计算。2.5 火灾烟流阻力模型火灾时，烟流受到节流效应、摩擦、浮力效应的联合作用，因此，烟流阻力是以上3 种效应引起阻力的代数和，即：H hH jH mH b 。火灾过程中，洞内火焰燃烧段和烟流流过

13、段的烟流，其温度、体积、密度的变化差别较大，故将火灾区分为着火区和烟流污染区，对应的烟流阻力分别为火区烟流阻力和污染区烟流阻力。火区长度相对整个流程是很短的，在计算火区烟流摩擦阻力时简化烟流温度和速度，近似按线性规律变化；污染区内沿程烟流的温度分布满足负指数规律。对于水平洞烟流的浮力效应很小，可忽略不计。所以有：火区烟流阻力221H02y1 gh 1 Mh001M32M29 M232M2M2h20M kmkaaa12M 2kkykkykyky污染区烟流阻力31 T1Ak eBkL122T1 Ak 1 exp Bk LghmAk111H hT1AkT1 Ak exp Bk LhaT1BkT1L2

14、aa 于点火源，火区 度等于零， 摩擦阻力等于零，于是有：202y1 ghm 1 M kH h0M k22.6 通风计算仿真系统开发和程序编制本隧道通 数 仿真程序采用VB 言 制，主程序 2200 条 句，包括仿真程序主模 、 机 理模 、 交通 理模 和自然 理模 等。仿真程序采用目前被广泛采用的斯考德恒斯雷迭代法，正常运 通 解算步 如下：每一 合回路 定一条支路 未知 量分路， 定n个分路 量Qj（ j=1 ，2， 3，n）， 必 足 点 流 方程；利用回路 平衡方程，解算各 合回路未知 量支路的 量修正 ：qifi； 回路的各nnHij 风机nHij 交通2Rij QijQijj 1

15、Qijj 1j 1个支路的 量 Qij 作如下改正：( k 1)= Q( k ) +qi( k ) ； 行下一回路的 量修正 q 算， Qijiji 1回路的各个支路的 量Q 行修正； 所有支路 算完成后 行第二次迭代， 算 量修正 qi k 1 ， 各回路的各个支路 量Qij 行第二次修正； 依此 推， 逐回路、逐 次 算，直至各支路中的qm ax小于 定 差，即：qmax EPS； 止迭代运算， 出各支路 量、 等运算 果。3 秦岭终南山公路隧道通风网络仿真优化秦岭 南山公路隧道通 方案 采用三 井分段送、排 和射流 机 相 合的 向通 方式， 井采用两分隔形式，同一 井同 上、下行 隧道

16、 行送 与排 ， 井分隔成两半分 送 和排 ，每一半底部 置一定高度的分隔 流板，以 上、下行 分 送 或排 ，分隔 流板的目的在于减小 阻，同 降低上、下行 流的相互干 。通 系 平面布置示意 1。4图 1通风系统平面布置示意图Fig.1 Disposal sketch of ventilation plane system本研究采用网络通风仿真软件对秦岭终南山公路隧道不同交通量、不同工况车速等各种运营工况进行仿真模拟，综合考虑各通风要素对通风的影响，特别是高速行车时为充分利用交通风压对通风系统进行了优化，从而得出各种情况下风路各分支风量、风压以及装机功率等最优结果。将通风系统转化为通风网络

17、模型，如图2 所示。图 2通风网络模型图Fig.2 The model of ventilation network针对秦岭终南山公路隧道的控制车速30km/h 和 80km/h 两种车速工况， 对近期 2015 年和远景设计年限 2025 年，分析当量小时交通量分别为 7502、 8002、 8502、 9002、9502、10002、10502、 1100 2、 1150 2 辆时，隧道内所需的射流风机和轴流风机功率配置。4 结论（ 1）车速 v=30km/h 的条件下，近期设计年限2015 年所需风机功率为1970.62kW ，远期设计年限2025 年为 12452.61 kW，近期风机

18、功率仅占远期的15.83；车速v=80km/h 的条件下，近期设计年限2015 年的风机运营功率仅为489.13kW ，而远期设计年限2025 年为 6787.29 kW 。因此近期所需风机功率远小于远期设计年限的风机功率，可考虑机电设备分期安装，以减小投资。（ 2）上坡隧道车速v=80km/h 时的需风量大于车速v=30km/h 时的需风量，但远期设计年限2025年车速 v=30km/h 时所需风机功率达6798.97 kW ，而车速 v=80km/h 时的风机运营功率仅需2753.42 kW ，后者仅为前者的40。因此若按需风量控制车速v=80km/h 工况来配置通风系统风机功率，则难以满5足车速 v=30km/h 的工况，这显然不合理。（ 3）隧道正常运营过程中，可以对通风系统的风机开启组合进行优化。近期设计年限2015 年交通量小（高峰小时交通量上、下行线合计1183 辆 /h），需风量也较小，上行线可关闭1 、2排风竖井，开启 2、 3 送风竖井，隧道内不需布置射流风机，风机功率减至216.20 kW ；下行线关闭 2 、 3 排