基于ANSYS Fluent的隧洞施工通風數值模擬研究

王軍周

(中國電建集團國際工程有限公司,北京 100036)

0 前 言

目前，施工技術和施工機械生產效率的不斷提高，加快了地下洞室的施工進度，有效地縮短了施工工期，也促使地下洞室群結構成為越來越多水利水電工程的選擇。相對于地面工程來說，地下洞室施工空間具有相對封閉性的特點，致使施工通風通道受限，通風能力不足。若施工中產生的有害氣體、粉塵和熱量得不到及時有效的疏散，將會降低施工機械設備的使用效率，導致施工效率低下，延誤施工進度，甚至會嚴重影響施工人員的生命健康安全[1-3]。因此，需要在地下洞室施工過程中源源不斷地從外界向施工區域輸送新鮮空氣，排出有害氣體和粉塵，降低隧洞熱量，為施工人員創造良好的施工作業環境。由此可見，施工通風越來越成為影響地下洞室施工進度的關鍵因素，尤其對于長隧洞施工而言，隨著掘進長度不斷增加，施工通風問題就越突出，往往成為快速施工的制約“瓶頸”[4-7]。如果施工通風方案布置不當，通風效果差，工作面施工作業環境達不到最低要求，從而嚴重影響施工人員身體健康，制約工程進展。

在以往的部分水利水電地下工程施工中，施工通風布置往往通過經驗確定，具有很大的不確定性。為了避免地下洞室施工作業中由于通風問題進而影響施工活動順利進行，十分有必要采用科學的理論方法和先進的技術手段對地下洞室施工通風進行仿真模擬。由于地下隧洞斷面較大，長度更是達數公里，通風量較大，難以通過物理模型實驗進行模擬。隨著計算機技術的發展，計算流體力學(Computational Fluid Dynamics, CFD)在流體仿真模擬領域得到了廣泛應用，也不斷有學者將該模擬方法運用到地下洞室施工通風仿真中來，獲得了較好的效果。

目前，國內外對地下洞室通風模擬已有比較多的研究。Parra等[8]模擬了不同通風條件下深礦井的風流場和甲烷質量濃度擴散規律。Karraaslan等[9]采用組分運輸模型，利用Fluent軟件模擬了馬蹄形斷面短隧洞火災發生時的煙氣擴散和溫度分布規律。Guo, Xiaoping等[10]提出了一種新的縱向通風隧洞火災積分理論，并將兩種不同的計算機程序的CFD模擬結果與試驗數據進行了對比分析，揭示了CFD模擬中可能存在的缺陷。楊慶學等[1]基于系統仿真技術，動態仿真了施工期風量的動態變化和通風影響因素，為通風設備選擇和通風方案優化提供決策支持。馬德萍等[4]分析了不同通風方式下通風流場形態對向家壩地下洞室群施工通風效果影響因素。王曉玲等[11-13]研究了隧洞通風作用下的粉塵運移規律以及CO遷移和分布規律等。本文基于計算流體力學理論，結合卡魯瑪水電站長尾水隧洞工程施工期通風布置方案，采用ANSYS Workbench通用仿真平臺，建立了10號尾水支洞施工通風仿真模型，對其工作面附近通風效果進行了三維模擬研究，分析了工作面附近風流速度場、溫度場和CO質量濃度場的分布規律。結果表明ANSYS Workbench簡單易用，仿真成果可靠，能為工程技術人員進行隧洞通風設計、通風計算和施工通風優化布置提供理論依據和技術支持。

1 工程概況

烏干達卡魯瑪水電站為地下引水式發電站，由引水隧洞、尾水隧洞、地下廠房、調壓室、母線洞、主變洞、主交通洞、通風及逃生洞，以及其它施工支洞等輔助洞室組成了一個龐大的地下洞室群。其中，尾水隧洞共有2條，分別為1號尾水洞、長8 705.505 m和2號尾水洞、長8 609.625 m，屬于長隧洞。若采用單一施工通道，風管距離較長，風的損耗較大，供風不易滿足通風要求。考慮到尾水隧洞沿線埋深為100 m左右，埋深不大，為了增加施工工作面，加快施工進度，縮短工期，以及滿足施工作業通風要求，卡魯瑪水電站采用“長洞短打”方案進行施工。即2條尾水隧洞布置3條施工支洞，分別為8號尾水施工支洞、9號尾水施工支洞和10號尾水施工支洞。8號施工支洞作業面進入主洞后會形成4個工作面，按照進入主洞4個工作面同時施工的要求，布置2臺2×110 kW風機和2臺2×160 kW風機；9號施工支洞進入主洞后也會形成4個工作面，布置2臺2×110 kW風機、1臺2×160 kW風機和1臺2×200 kW風機；10號施工支洞進入主洞后會形成2個工作面，布置1臺2×160 kW風機和1臺2×200 kW風機。尾水隧洞施工通風從每個支洞的供風站用DN300的鋼管向洞內供風，進入主洞后分接4根DN150鋼管向4個工作面進行供風，DN150鋼管鋪設至澆筑墊層混凝土位置，換成2根?100膠管進行供風。

整個尾水隧洞施工期間采用壓入式通風，通風量計算根據施工階段、施工程序和方法、施工設備和人員配置等諸多因素，結合中國大型地下廠房工程的施工經驗，計算施工人員、爆破散煙、機械設備和排塵要求等需風量并取其中最大值[14]。

2 隧洞施工通風數值模擬

2.1 數學原理

計算流體力學(CFD)的基本原理是采用數值計算方法離散化求解連續流體流動的基本微分方程，得出流體基本物理量在連續區域上的近似解。ANSYS Fluent是基于CFD原理采用先進的計算機程序仿真模擬流體的流動、熱交換和化學變化等過程。本文基于流體為不可壓縮、非穩態紊流假設[7-8]，運用ANSYS Fluent軟件，采用標準k-ε湍流數學模型[15]，模擬10號施工支洞施工通風過程中速度場、溫度場和CO質量濃度場的分布規律。

連續性方程(質量方程)：

(1)

動量方程：

(2)

能量方程：

(3)

k-ε紊流模型：

Gk+Gb-ρε+Sk

(4)

圖1 10號施工支洞工作面附近三維物理模型及網格劃分圖

(5)

2.2 隧洞三維建模

尾水系統隧洞施工采用鉆爆法開挖，爆破后主要在工作面附近產生大量的熱量、粉塵及CO有毒氣體等。爆破完成后，采用壓入式通風，工作面附近的風流場、溫度場和CO質量濃度場不斷發生變化直至穩定。本文主要對爆破完成后，隧洞通風開始到狀態穩定這一時間段內的風流組織進行仿真模擬。考慮到如果對整個尾水系統施工通風進行仿真，模型數據較大，對計算機計算能力要求較高。為突出研究問題的重點，本文對仿真模型進行了簡化，以10號施工支洞工作面附近區域為研究對象。

10號施工支洞全長415.32 m，斷面尺寸8.0 m×7.0 m，進口高程1 012.53 m，末端高程917.414 m，最大縱坡-9.07%。風筒直徑1.5 m，距離工作面20 m。利用ANSYS Workbench中DesignModeler(DM)軟件建立研究對象的三維模型，見圖1(a)。網格劃分的精細程度越高，計算結果的精度就越高，但計算效率就越低下[9]。因此，網格劃分中要兼顧計算精度和計算效率，選擇合適的網格劃分尺寸。本文采用六面體結構進行網格劃分，考慮到計算效率和精度的要求，對風管管壁和隧洞壁等邊界條件發生變化部位進行網格加密。網格模型見圖1(b)。

2.3 邊界條件

2.3.1 入口邊界

隧洞施工采用壓入式通風，風管出口為隧洞供風的入口，設定為速度入口。根據建立的物理模型，風速沿x正方向壓入隧洞，風速大小為20 m/s，假定為均勻分布；y方向和z方向風速為0。入口湍流參數可通過設定湍流強度I來實現[11]。

(6)

式中:u′為速度波動的均方根，m/s；uavg為平均速度，m/s；ReDH為水力直徑為DH時的雷諾數；DH為水力直徑，對于圓管，水力直徑等于圓管內徑，本文中風管為圓管，內徑為1.5 m，故水力直徑DH=1.5 m。

2.3.2 出口邊界

本計算模型中，洞口為空氣排出的唯一通道，設定為壓力出口，與外界相通，出口壓力和溫度與外界大氣相同。因此，表壓設置為0，溫度設置為25 ℃。

2.3.3 固體壁面邊界

通風管壁、隧洞壁和工作面采用標準固體壁面，無滑移，壁面溫度與外界大氣相同。

2.3.4 CO初始質量濃度

鉆爆法施工中，在工作面附近會產生大量CO等有毒氣體，爆破后產生的CO氣體初始質量濃度計算可按式(7)計算[8]：

(7)

式中:c為CO初始質量濃度，kg/m3；ρ為CO密度，kg/m3；q為單位耗藥量，kg/m3；l為炮孔深度，m；b為每kg炸藥產生的有毒氣體，m3/kg，可取0.04 m3/kg；L為炮煙投擲長度，m。

經計算c≈3.975×10-3kg/m3。

4 模擬結果分析

4.1 風流場模擬結果

圖2給出了通風初始時刻，10號施工支洞工作面附近縱向軸對稱面的風流場分布變化情況。從模擬結果可以看出，通風1 s后從風管紊動射流尚未到達工作面，紊動射流與隧洞內周圍空氣發生動量交換，形成卷吸效應，帶動周圍空氣運動，進而在隧洞頂部和中部形成2個反向旋渦。通風10 s后，射流充分發展，隧洞頂部空氣受射流卷吸作用影響范圍擴大，流向工作面的空氣長度增加，風管射流區下部漩渦進一步發展為狹長型。

圖2工作面附近縱向對稱面施工通風初始時刻風流場矢量圖

圖3 t=5 min時，工作面附近風壓場分布云圖

圖3為通風5 min后得到的風壓分布云圖，工作面附近最大風壓為33.11 Pa，最小風壓為-11.10 Pa，最大風壓區位于工作面附近，負壓區位于風管射流附近，風管出口后部隧洞風壓基本相同約1.53 Pa。工作面頂部和底部壓強較大，呈“凹”型分布，這是由于風流從風管射出到工作面上，動量發生變化而造成的。

4.2 溫度場模擬結果

采用鉆爆法開挖過程中，由于施工爆破會在工作面附近產生大量的熱量。本文將爆破后工作面附近區域的初始溫度設定為30 ℃，風管射流輸送的新鮮空氣溫度設定為18 ℃，對通風過程中工作面附近溫度場變化情況進行模擬。從圖4(a)可知，通風10 s時，一方面，風管紊動射流和隧洞空氣相互作用摻混，交換能量，降低洞內溫度；另一方面，隨著新鮮空氣的不斷輸入，由于風流的對流作用，隧洞內熱空氣不斷被壓向洞口排出。由圖4(b)可知，通風約50 s后，工作面附近30 m范圍內洞內溫度降低到約22 ℃，通風散熱作用效果明顯。

4.3 CO質量濃度場模擬結果

圖5給出了t=5 s、10 s和190 s時工作面附近CO質量濃度場分布云圖。由圖5(a)可知，通風5 s時，風管射流附近CO質量濃度最低，主要原因是風管射流輸送的新鮮空氣通過稀釋作用降低了CO質量濃度。由圖5(b)可知，通風10 s后，風管射流到達工作面，風流對流擴散作用將洞內空氣向洞口方向“擠排”，工作面處CO質量濃度降低到2.609×10-3kg/m3。圖5(c)所示為通風約190 s后，工作面附近30 m區域范圍內CO質量濃度最高為2.235×10-5kg/m3，低于安全質量濃度3.0×10-5kg/m3。

從圖6(a)可知工作面附近縱軸對稱面中心線上CO質量濃度隨時間分布情況。距離工作面15 m處CO質量濃度最低，這是由于距離風管出口越近，風管射流稀釋作用越強。距離工作面30 m處CO質量濃度最高，這是由于對流作用將CO向洞口推移，導致CO質量濃度升高。隨著通風時間增加，隧洞內CO質量濃度逐漸降低，通風3 min后，洞內濃度降低到安全值附近。

從圖6(b)可知通風120 s時工作面附近縱軸對稱面不同位置CO質量濃度隨高度變化情況。工作面附近隧洞頂部由于風流的對流作用較弱，CO質量濃度最高。由于風管射流的稀釋作用，在沿風管出口正方向的同一平面上，風管軸線處CO質量濃度最低。隨著平面不斷遠離風管出口，靠近工作面位置，射流稀釋作用逐漸減小，在工作面附近CO質量濃度場幾乎不受稀釋作用影響。

圖4 工作面附近溫度場分布云圖

圖5 工作面附近CO質量濃度場分布云圖

圖6 工作面附近CO質量濃度分布圖

5 結 語

隧洞施工通風對于洞施工進度、安全和質量具有制約作用，關系到施工作業人員的生命健康安全，是隧洞施工的關鍵工序。本文在分析卡魯瑪尾水隧洞施工通風布置方案的基礎上，基于CFD理論，以10號施工支洞施工通風為例，運用ANSYS Fluent軟件進行了三維動態模擬計算，模擬結果直觀地展示了風流速度場、溫度場和CO質量濃度場隨通風時間的分布變化規律，為隧洞通風設計和計算提供了理論依據，對施工實踐具有理論指導意義。

仿真結果表明，隧洞施工通風過程中，受風管射流卷吸效應影響，風管射流的卷吸作用會在風管射流區下部形成一個狹長型低速漩渦區；由于射流速度較高，在風管出口附近會形成負壓區；風管紊動射流通過與周圍空氣的摻混，不斷交換動量和能量，與周圍熱空氣進行熱交換，對CO氣體具有稀釋作用；隨著通風時間，射流到達工作面后，工作面附近風流組織狀態逐步趨于穩定，對流擴散作用增強，將熱空氣和CO氣體向洞口“擠排”，降低工作面附近洞內溫度和CO質量濃度。