鐵路隧道射流與洞口風(fēng)道組合式通風(fēng)效果分析

曾艷華,周小涵,袁建剛

鐵路隧道射流與洞口風(fēng)道組合式通風(fēng)效果分析

曾艷華1,周小涵1,袁建剛2

(1.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610031; 2.中國長江三峽集團(tuán)公司移民工作局,成都 610031)

射流風(fēng)機(jī)與洞口風(fēng)道組合通風(fēng)效果一直是學(xué)術(shù)界和工程界關(guān)注的關(guān)鍵科學(xué)問題,在長度超過5km的內(nèi)燃牽引隧道中,射流風(fēng)機(jī)并未有效阻止風(fēng)流從洞口隧道內(nèi)流出,未達(dá)到設(shè)計(jì)通風(fēng)效果。采用CFD計(jì)算軟件FLUENT建立三維非線性力學(xué)模型,研究洞口射流風(fēng)機(jī)安裝斷面連接方式、軸流送風(fēng)口風(fēng)速、射流風(fēng)機(jī)臺數(shù)關(guān)鍵因素影響效果。射流風(fēng)機(jī)安裝處設(shè)置漸變過渡段后,風(fēng)機(jī)吹出的風(fēng)流可以平穩(wěn)的進(jìn)入隧道,從洞口引入新風(fēng)效果明顯;在同樣的風(fēng)量下,送風(fēng)口風(fēng)速不同,產(chǎn)生阻力也不同,對洞口端引入新風(fēng)產(chǎn)生影響,設(shè)計(jì)中應(yīng)適當(dāng)降低送風(fēng)口風(fēng)速;在洞口設(shè)置同樣的射流風(fēng)機(jī),軸流送風(fēng)道送入的風(fēng)量不同,洞口端隧道內(nèi)風(fēng)流的狀態(tài)不同,當(dāng)送風(fēng)量大到一定程度時,將產(chǎn)生洞口段隧道風(fēng)流流出,設(shè)計(jì)中洞口射流風(fēng)機(jī)的臺數(shù)應(yīng)根據(jù)送風(fēng)道的送風(fēng)量進(jìn)行調(diào)整。

鐵路隧道;射流通風(fēng);洞口風(fēng)道式通風(fēng);數(shù)值模擬

1 問題的提出

鐵路隧道的運(yùn)營通風(fēng)方式分為自然通風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)。在20世紀(jì)80年代以前,鐵路隧道的機(jī)械通風(fēng)方式主要有洞口風(fēng)道式、噴嘴式、斜井式和豎井式[1]。其中采用最多是無簾幕洞口風(fēng)道式,其次是洞口簾幕式。20世紀(jì)80年代末期,國內(nèi)進(jìn)行了鐵路隧道射流通風(fēng)研究,繼枝柳線牙已隧道應(yīng)用成功后,國內(nèi)修建的鐵路隧道的運(yùn)營通風(fēng)方式幾乎全部采用了射流通風(fēng)技術(shù)[2-4]。例如京九線五指山隧道、金溫線石筧嶺隧道、焦枝鐵路新龍門雙線隧道(全長2 540m)、蘭新線烏鞘嶺特長隧道(20 050m),采用電力牽引[5-7]。從20世紀(jì)90年代開始,我國鐵路隧道運(yùn)營通風(fēng)進(jìn)入一個射流通風(fēng)的新時代。

射流通風(fēng)技術(shù)可分為全射流通風(fēng)和射流與洞口風(fēng)道組合式縱向式通風(fēng)。為防止短道漏風(fēng),在洞口集中設(shè)置射流風(fēng)機(jī)可拓展洞口風(fēng)道式通風(fēng)的長度,這種組合通風(fēng)方式最早用于枝柳線彭莫山(5 608m)隧道通風(fēng)改造中,取得了良好的通風(fēng)效果[8],以后相繼應(yīng)用于分水關(guān)隧道(7 252 m)、南山隧道(7 566 m)、荒溝隧道(6 610m)、奎先隧道(6 152m)等采用內(nèi)燃機(jī)牽引的隧道中[9-12]。

盡管射流與洞口風(fēng)道組合式的通風(fēng)方式得到了廣泛的應(yīng)用,在一些隧道中,由于洞口設(shè)置的射流風(fēng)機(jī)數(shù)量不足,致使洞口段隧道風(fēng)流反向回流;另一些隧道中,風(fēng)機(jī)距洞口的距離不足30m,甚至射流風(fēng)機(jī)安裝斷面與隧道常規(guī)斷面之間是錯臺銜接(圖1),致使通風(fēng)效果差。通過某隧道內(nèi)風(fēng)速實(shí)測(圖2),在風(fēng)道軸流風(fēng)機(jī)與射流風(fēng)機(jī)全開啟的情況下,隧道內(nèi)的風(fēng)速分布見表1。

圖1 某隧道短道端射流風(fēng)機(jī)安裝

圖2 開啟風(fēng)機(jī)條件下洞內(nèi)風(fēng)速測點(diǎn)布置

由表1可以看出,當(dāng)開啟射流和軸流風(fēng)機(jī)后,1號風(fēng)道與2號風(fēng)道軸流風(fēng)機(jī)送入的風(fēng)量大部分通過短道流向洞外。說明該隧道中,射流風(fēng)機(jī)并未有效阻止風(fēng)流從洞口隧道內(nèi)流出,未達(dá)到設(shè)計(jì)通風(fēng)效果。因此射流風(fēng)機(jī)與洞口風(fēng)道組合通風(fēng)的效果是受多因素影響的。本文將采用CFD數(shù)值模擬軟件FLUENT,對射流風(fēng)機(jī)安裝處設(shè)置過渡段、軸流送風(fēng)口風(fēng)速、射流風(fēng)機(jī)臺數(shù)對短道送風(fēng)的影響進(jìn)行三維數(shù)值模擬,探明其對該通風(fēng)效果的影響。

表1 開啟風(fēng)機(jī)條件下通風(fēng)測試結(jié)果m/s

2 計(jì)算模型的建立

以東北地區(qū)某鐵路隧道為計(jì)算模型,隧道長約7 500 m,風(fēng)道長70m。分別建立模型如圖3所示。整個模型的網(wǎng)格采用結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化混合網(wǎng)格。在風(fēng)道和短道部分,由于速度和壓力變化梯度大,適當(dāng)加密網(wǎng)格,所有計(jì)算模型的網(wǎng)格單元在100萬左右。

圖3 計(jì)算模型

隧道進(jìn)口設(shè)為壓力邊界條件,給定進(jìn)口壓力為大氣壓;隧道和風(fēng)道壁面設(shè)為固體壁面邊界條件,給定沿程阻力系數(shù)為0.02;射流風(fēng)機(jī)設(shè)為FAN,給定風(fēng)機(jī)升壓力;風(fēng)道進(jìn)口設(shè)為速度入口邊界條件,給定入口速度的標(biāo)量。

3 射流風(fēng)機(jī)設(shè)置過渡段對通風(fēng)效果的影響

射流風(fēng)機(jī)設(shè)置在距隧道進(jìn)口20 m處向隧道內(nèi)吹風(fēng),運(yùn)用FLUENT軟件模擬了射流風(fēng)機(jī)安裝段突變連接和平滑過渡連接處風(fēng)流的流動情況,得到距隧道軌面3 m高水平面的局部風(fēng)速矢量圖,如圖4和圖5所示。

由圖4可以看出,當(dāng)射流風(fēng)機(jī)安裝段為突變連接時,風(fēng)機(jī)吹出的風(fēng)流碰撞擋頭墻上,在洞口大斷面內(nèi)形成兩股大渦流,阻礙洞口風(fēng)流的流入;在擋頭墻后的小斷面內(nèi),兩側(cè)也形成了渦流,僅中部風(fēng)流是往前方流動的。風(fēng)機(jī)后主隧道的最大風(fēng)流速度約為8 m/s,大部分風(fēng)流風(fēng)速為2 m/s左右,射流風(fēng)機(jī)送風(fēng)效果不明顯。當(dāng)射流風(fēng)機(jī)安裝段為過渡連接時,風(fēng)機(jī)吹出的風(fēng)流能沿著漸變過渡斷面進(jìn)入隧道內(nèi),僅在安裝斷面中間形成一小渦流(若過渡段長度增加,該小渦流將會消失),風(fēng)流比較平穩(wěn);過渡段后的小斷面內(nèi),風(fēng)流均向前方流動;風(fēng)機(jī)后主隧道的風(fēng)流速度最大約為15m/s,大部分風(fēng)速為4 m/s左右,射流風(fēng)機(jī)送風(fēng)效果較明顯。

圖4 突變連接y=3m平面速度矢量圖(單位:m/s)

圖5 過渡連接y=3 m平面速度矢量圖(單位:m/s)

比較分析圖4和圖5,可看出設(shè)置漸變過渡段后,射流風(fēng)機(jī)吹出的風(fēng)流可以較平穩(wěn)地進(jìn)入隧道,風(fēng)流損失較小,射流風(fēng)機(jī)引入新風(fēng)效果明顯。因此,在洞口集中設(shè)置射流風(fēng)機(jī)的隧道中,射流風(fēng)機(jī)安裝段應(yīng)設(shè)漸變過渡斷面連接,以達(dá)到充分利用射流風(fēng)機(jī)引入風(fēng)流,減小洞口段隧道漏風(fēng)的目的。

4 軸流送風(fēng)道風(fēng)速對通風(fēng)效果的影響

在相同的送風(fēng)量情況下,通過改變送風(fēng)口的面積,來比較不同送風(fēng)口風(fēng)速對通風(fēng)效果的的影響。當(dāng)送風(fēng)量為Q=85 m3/s,送風(fēng)口面積分別為10.03、32.43 m2時,對應(yīng)的風(fēng)速分別為8.5 m/s和2.62 m/s,模擬出高度方向y=2.5 m水平面的局部風(fēng)速矢量圖如圖6、圖7所示。

圖6 小斷面風(fēng)道v=8.5 m/s的速度矢量圖(單位:m/s)

從圖6、圖7可以看出,當(dāng)風(fēng)道口風(fēng)速為8.5 m/s時,隧道射流風(fēng)機(jī)引入的風(fēng)流與送風(fēng)口風(fēng)速發(fā)生碰撞,產(chǎn)生了渦流,洞口隧道局部位置產(chǎn)生回流;當(dāng)風(fēng)道口的風(fēng)速降低為2.62 m/s時,產(chǎn)生渦流明顯減小,洞口端隧道回流消失,且短道端吹向隧道內(nèi)的風(fēng)流速度明顯增大。因此,在同樣的風(fēng)量下,送風(fēng)口風(fēng)速不同,在該處產(chǎn)生阻力也不同,對洞口端引入風(fēng)量產(chǎn)生影響,從而影響其通風(fēng)效果,設(shè)計(jì)中應(yīng)適當(dāng)降低送風(fēng)口風(fēng)速。

圖7 大斷面風(fēng)道v=2.62 m/s的速度矢量圖(單位:m/s)

5 安裝射流風(fēng)機(jī)臺數(shù)對通風(fēng)效果的影響分析

為考察洞口端安裝射流風(fēng)機(jī)臺數(shù)對通風(fēng)效果的影響,在洞口端安裝10臺φ630mm射流風(fēng)機(jī),送風(fēng)量分別為162、85 m3/s及65m3/s時,y=2.5 m水平面的局部風(fēng)速矢量圖見圖8、圖9。

圖8 送風(fēng)量為162m3/s時的速度矢量圖(單位:m/s)

圖9 送風(fēng)量為65 m3/s時的速度矢量圖(單位:m/s)

從圖8、圖9可以看出,同樣在洞口設(shè)置10臺射流風(fēng)機(jī),軸流送風(fēng)道送入的風(fēng)量不同,洞口端隧道風(fēng)流的狀態(tài)不同。當(dāng)送風(fēng)量為162 m3/s時,由于送風(fēng)量大,洞口10臺射流風(fēng)機(jī)的升壓力不足以抵擋風(fēng)流從洞口端流出;當(dāng)送風(fēng)量降為85 m3/s時,僅在送風(fēng)口段產(chǎn)生局部渦流,洞口端風(fēng)流不再流出;當(dāng)風(fēng)量繼續(xù)降低為65m3/s時,洞口端流入隧道風(fēng)流非常平穩(wěn)。因此,在射流通風(fēng)與洞口風(fēng)道組合的通風(fēng)方式中,洞口射流風(fēng)機(jī)的臺數(shù)應(yīng)根據(jù)送風(fēng)道的送風(fēng)量進(jìn)行調(diào)整,以避免在大送風(fēng)量情況下,洞口端隧道風(fēng)流流出。

6 結(jié)論與建議

本文采用CFD計(jì)算軟件FLUENT對影響射流與洞口風(fēng)道組合式通風(fēng)效果的因素進(jìn)行了三維數(shù)值模擬,通過模擬分析得到以下結(jié)論。

(1)射流通風(fēng)與洞口風(fēng)道組合的通風(fēng)方式中,射流風(fēng)機(jī)安裝段應(yīng)設(shè)漸變過渡斷面連接,以達(dá)到充分利用射流風(fēng)機(jī)引入風(fēng)流,減小洞口段隧道漏風(fēng)的目的。

(2)在同樣的風(fēng)量下,送風(fēng)口風(fēng)速不同,產(chǎn)生阻力也不同,這將對短道端引入風(fēng)量產(chǎn)生影響,從而影響其通風(fēng)效果,保證該通風(fēng)方式的通風(fēng)效果,應(yīng)根據(jù)送入風(fēng)量調(diào)整送風(fēng)口的面積,適當(dāng)降低送風(fēng)風(fēng)速。

(3)在洞口設(shè)置相同的射流風(fēng)機(jī)臺數(shù),軸流送風(fēng)道送入的風(fēng)量不同,洞口端隧道風(fēng)流的狀態(tài)不同,洞口射流風(fēng)機(jī)的臺數(shù)應(yīng)根據(jù)送風(fēng)道的送風(fēng)量進(jìn)行調(diào)整,以避免在大送風(fēng)量情況下,洞口段隧道風(fēng)流流出。

[1] 陳文英.鐵路隧道通風(fēng)方式的探討[J].西南交通大學(xué)學(xué)報, 1980(4):38-44.

[2] 陳茂金.單線鐵路隧道射流通風(fēng)方式的研究—焦柳線牙已隧道射流通風(fēng)研究試驗(yàn)結(jié)果[J].鐵道建筑,1995(2):2-6.

[3] 孫一堅(jiān),楊昌智,劉建仁.鐵路雙線隧道通風(fēng)模型試驗(yàn)研究[J].湖南大學(xué)學(xué)報,1994,21(6):107-113.

[4] 朱丹.鐵路長隧道射流通風(fēng)探討[J].鐵道勘測與設(shè)計(jì),2003(6): 1-3.

[5] 齊興金.五指山隧道[J].鐵道知識,1994(4):7.

[6] 蔣欣中.射流通風(fēng)技術(shù)在鐵路隧道中的應(yīng)用.鐵道工程學(xué)報, 1996(3):106-109.

[7] 梁文灝,李國良.烏鞘嶺特長隧道方案設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代隧道技術(shù), 2004,40(2):1-7.

[8] 黃遠(yuǎn)綏,李茂淦,陳培元.射流“風(fēng)幕”、洞口風(fēng)道吹入式通風(fēng)系統(tǒng)在彭莫山隧道通風(fēng)改造工程中的應(yīng)用[J].世界隧道,2000(6): 55-58.

[9] 鄭廷權(quán).分水關(guān)隧道[J].鐵道知識,1994(4):6-7.

[10]霍宗文,王巖.內(nèi)燃牽引單線鐵路長大隧道通風(fēng)系統(tǒng)的自動控制設(shè)計(jì)[J].鐵道建筑,2010(10):38-40.

[11]李琰,朱莉莉,史有倉,馬捷,徐俊,陳曉明.奎先運(yùn)營隧道射流通風(fēng)效果的衛(wèi)生學(xué)評價[J].鐵道勞動安全衛(wèi)生與環(huán)保,2002,29 (6):258-259.

[12]楊木高.中吉烏國際鐵路某特長隧道通風(fēng)方式的計(jì)算[J].山西建筑,2003,29(8):236-237.

Analysis on Combined Ventilation System Containing Both Jet Fan and Air Duct Used for Railway Tunnel

ZENG Yan-hua1,ZHOU Xiao-han1,YUAN Jian-gang2
(1.MOE Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China; 2.Resettlement Office,China Three Gorges Corporation,Chengdu 610031,China)

Consisting of both jet fan and portal air duct,the combined ventilation system is a critical scientific subjectwhich is focused on all the time by both academic circle and engineering circle.In an internal combustion traction tunnel of more than 5 km long,it is impossible to achieve ideal designed ventilation efficiency only by using jet fans,because the jet fans cannot effectively stop the outflow of the air current from tunnel portal.For this reason,through establishing three-dimensionalmechanicalmodel by using FLUENT software of CFD series,this paper researched the influences of critical factors, including the connection ways of jet fans installed at the portal cross-section,the wind velocity of air supply outlet of axial flow fan,and the number of jet fans.The research shows that,after setting up a transition section at the placewhere the jet fans are,the air currentblown from the jet fans can enter into the tunnel smoothly,that is to say,the fresh air can be effectively led into tunnel from the portal.On condition of the same air supply volume,the wind resistancewill change with the change ofwind velocity at the air supply outlet,which has effect on the fresh air importing from the portal,so the wind velocity should be appropriately weakened at the air supply outlet during design.On condition of the same jet fans,the situation of air currentwithin tunnel portal is differentwhen air supply volume from axial-flow air duct is different;and when the air supply volume rises up to a certain extent,the air current will outflow from the tunnel portal,so the number of jet fans at the portal should be adjusted according to the air supply volume of air duct during design.

railway tunnel;jet ventilation;ventilation by portal air-duct;numerical simulation

U453.5

A

1004-2954(2013)07-0066-04

2012-11-21;

2012-12-17

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助(SWJTU11ZT33);教育部創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃資助(IRT0955)

曾艷華(1968—),女,教授,工學(xué)博士,E-mail:zengyhua@ 163.com。