豎井縱向位置對隧道自然通風的影響

王 文 孫三祥 陳軍強

豎井縱向位置對隧道自然通風的影響

王 文1孫三祥2陳軍強3

（1.陜西鐵路工程職業技術學院 渭南 714000；2.蘭州交通大學環境與市政工程學院 蘭州 730070；3.鐵道第一勘察設計院新疆分院 烏魯木齊 830011）

隧道豎井自然通風在長大隧道運營通風中的作用不可忽視，故豎井位置的選擇也很重要。研究基于FLUENT軟件，采用RNG湍流模型，對單一豎井在隧道不同縱向位置通風換氣結果進行三維數值模擬，得出豎井位于隧道縱向不同位置時隧道內風速及流場分布規律。計算出豎井在不同縱向位置時隧道整體完成一次通風換氣所需時長，通過擬合得出豎井位置與通風換氣時長呈指數關系，為長大隧道設計、建設過程中豎井位置的選取和通風方式的確立提供參考。

自然通風；豎井；流場；數值模擬

0 前言

目前，國內外對隧道豎井通風的研究主要集中在機械通風和隧道防排煙方面，對于隧道豎井自然通風對隧道運營通風的研究較少。薛運祝[1]將硤石上行隧道的實測資料，加以整理，利用其排煙規律，分析豎井對隧道自然通風的影響。朱杰等[2]利用小尺寸豎井模型進行系列試驗，分析不同豎井側向開口位置對煙囪效應的影響程度。李志偉等[3]采用數值計算方法，對高速列車通過有豎井的隧道時其瞬變壓力進行模擬。馮煉等[4]基于越江隧道實際，采用一維模型對公路隧道氣流流動與污染物濃度分布規律進行模擬計算。楊偉超[5]等采用數值模擬方法，對有無豎井條件下列車高速通過隧道時車體壓力的變化過程進行模擬，研究豎井對車體壓力的作用機理。王峰等[6]考慮通風豎井對地鐵內熱濕環境及壓力變化的影響，進一步優化地鐵內豎井的位置。Zhu等[7]討論和分析了當前在中國特長隧道運營通風的能耗狀況，提出超長分段隧道自然風能利用的方法。G Tamm等[8]對豎井壓力和浮力引起的熱氣體流動進行了實驗研究。Ji等[9]通過一系列的燃燒試驗，研究了豎井高度對城市道路隧道火災自然通風的影響。Li等[10]研究了熱壓對斜坡隧道通風的影響，并基于溫度下降的指數模型，提出了傾斜地下隧道熱壓力預測方程。Fan等[11]通過大渦模擬（LES）研究了豎井上方環境風對隧道自然通風效果的影響，通過系統地改變豎井上方的環境風速和隧道縱向風速，對煙氣運動特性進行了詳細研究。

本文依托于某在建高海拔單洞單線鐵路隧道工程實際，運用數值模擬軟件Fluent，采用RNG-湍流模型，對不同豎井布置方式下隧道內流場及通風換氣時長進行模擬分析，并總結出可供參考的一般性規律，為隧道運營通風環境改善、節能及豎井選取提供參考建議。

1 基本計算理論

隧道內自然風的影響因素主要有三部分：（1）隧道洞口間的大氣壓梯度產生的超靜壓差；（2）隧道內外溫差產生的熱壓；（3）洞外自然風產生的動壓。

1.1 無輔助坑道隧道等效壓差計算

（1）超靜壓差

圖1 隧道超靜壓差、熱位差示意圖

如圖1所示，超靜壓差可按照以下方程計算：

式中：1、2為兩洞口的壓力，0為洞內的空氣密度，kg/m3。

（2）熱位差

隧道熱位差產生的原因是由于溫度變化而導致隧道洞內外密度發生變化。熱位差計算公式為：

式中：1、0分別為洞外和洞內的空氣密度，kg/m3。

（3）洞外自然風動壓

洞外氣流的動壓是在兩洞口超靜壓差作用下進入隧道的氣流所帶入的動能，其計算方法為：

式中：a為洞外自然風速，m/s。

公式（1）（2）（3）的和可理解為形成洞內自然風的動力，稱為等效壓差n，又等效壓差與自然風在隧道內流動過程中的阻力(壓頭損失)相等，即：

式中：為隧道沿程阻力系數；為隧道的長度，m；為隧道局部阻力系數；n為隧道內的自然風速，m/s。

于是公式（5）可寫成：

上式說明隧道內自然風的等效壓差n與隧道內自然風速n相關。

1.2 帶輔助坑道隧道等效壓差計算

對于分段式縱向通風的隧道，其輔助坑道有豎井、斜井等。其等效壓差的計算與無輔助坑道時的原理相同，等效壓差仍然由兩洞口的超靜壓差、洞內外溫差產生的熱壓和洞外氣流的動壓組成。以單一豎井為例，可按照兩個循環回路計算。

（1）超靜壓差

如圖2所示，以豎井口4為基準點，△4=0、1、2、3處基于4的超靜壓差分別為△1、△2、△3。當風流達到穩定時，3處全壓力為△′3，當風流口流入節點3時為正，流出為負。根據風流流動的阻力定律有：

式中：=(1,2,4)；為第個風道的風阻，R=λρ/8×LC/A3。其中，λ為沿程阻力系數，L為風道長度，C風道斷面周長，A為風道斷面面積，R為風道的入口局部風阻。

對于節點3有：

式（6）和式（7）組成的方程組為非線性方程組，求解方程組?！鱌′3=min(△P1，△P2，△P3)，分別對Qi計算，當∑Qi＜ε時（ε為求解的控制精度），Qi即為方程的解，即可求出vi。

（2）熱位差的計算

如圖3所示，單豎井通風時的隧道熱位差可按兩個循環回路計算。

式中：△Pr1，△Pr2分別為1與4處、2與4處之間的熱位差，ρr1=(ρ1+ρ4)/2，ρr2=(ρ2+ρ4)/2，ρ1、ρ2、ρ4分別為隧道入口、出口和豎井口的空氣密度，kg/m3。

有豎井時洞外自然風壓的計算與無輔助坑道自然通風的計算方法類似。

空氣容重根據下式計算：

式中：為空氣密度，kg/m3；為大氣壓，mmHg；為溫度，℃；為溫度時的飽和水汽壓，mmHg；為空氣的相對濕度。

2 模型建立

2.1 物理模型

依托某在建高海拔單洞單線特長鐵路隧道工程實際，利用CFD軟件建立三維隧道模型?？紤]到豎井對隧道影響的區域有限，簡化模型，取隧道模擬長度為3000m，隧道兩洞口無高差，建立七種隧道三維模型。模型1：隧道長為3000m的無豎井隧道。模型2~6：為3000m的帶豎井隧道，豎井位置分別位于距隧道計算入口1=500m、1000m、1500m、2000m、2500m橫通道上方。模型7：隧道長為3000m的帶豎井隧道，豎井位置位于距隧道計算入口1500m隧道正上方。豎井直徑為3m，高200m。隧道模型示意圖如圖4所示。

圖4 計算模型示意圖

2.2 邊界條件設置

根據現場實測，取隧道氣壓平均值為70kPa，隧道外氣溫為20℃，隧道內氣溫為15℃，平均相對濕度為25%，洞外自然風速取a=2.6m/s。由式（9）可計算出隧道內空氣密度0=0.845kg/m3、隧道外的空氣密度1=0.83kg/m3。

（1）入口邊界：隧道入口采用壓力入口邊界。

（2）出口邊界：隧道出口采用壓力出口邊界。

模型1由式（2）、（3）可計算出兩洞口的熱位差和洞外自然風動壓。模型2～7隧道由式（3）、（8）可分別算出隧道兩循環回路的熱位差及隧道外自然風產生的動壓。參考文獻[12]取山前正壓為+0.92/2，山后負壓為-0.32/2，山頂負壓為-0.62/2計算兩洞口超靜壓差。

（3）壁面邊界：隧道壁面設為無滑移、絕熱邊界條件，粗糙度根據規范設為0.008m。

計算得出，無豎井隧道等效壓差n=6.2Pa；單豎井隧道，回路1隧道等效壓差n=37.53Pa，回路2隧道等效壓差n=34.16Pa

3 數值算法及模擬驗證

3.1 數值計算方法

隧道流場計算采用定常隱式解法，選取RNG湍流模型，流場迭代采用SIMPLE算法，離散格式采用二階迎風格式，考慮浮力的作用。利用Gambit軟件對模型進行網格劃分，根據模型特點，選擇分區劃分方式，采用六面體和四面體網格對模型進行網格劃分。模型1的網格總數為423 000；模型2～7將豎井前后20m區域網格做加密處理，各模型網格數約為45萬，并進行了網格無關性檢測，確保模擬結果與網格數量無關。

3.2 模擬結果驗證

圖5 隧道出口斷面監測速度

對無豎井隧道進行三維數值模擬，模擬計算洞內、外溫差為5℃時隧道內流場的分布情況。將隧道出口斷面設置為監測面，監測隧道出口斷面平均速度，結果如圖5所示。

由圖5可以看出，速度穩定時，隧道內的自然風速為n=1.225m/s。隧道的主要參數如表1所示。

表1 隧道主要參數

由公式（4）得出隧道內的自然風速計算公式為：

結合表1的數據，由公式（10）計算出隧道內的自然風速為n=1.14m/s。

表2 計算結果與模擬結果比較

由表2可以看出，隧道內外溫差為5℃時，計算結果和模擬結果誤差可以控制在7%以內，結果吻合較好。此結論驗證了模擬計算的正確、可行性。

4 模擬結果分析

4.1 隧道斷面速度分布云圖

截取隧道洞內外溫差為5℃時，無豎井隧道出口斷面速度云圖和分布曲線，如圖6、7所示。

圖6 隧道斷面速度分布云圖

圖7 隧道斷面速度分布曲線

由圖6、7可以看出，隧道斷面上速度分布范圍較廣，呈同心圓狀分布，且速度過渡區域范圍較小。在靠近隧道壁面區域，速度變化梯度較大，隧道斷面中間速度維持在1.1～1.5m/s之間。建議在計算通風換氣時長時，選用隧道斷面速度平均值。

4.2 豎井位置橫向變動

以豎井位置=1500m為例，對單豎井分別布置于隧道正上方和橫通道正上方兩種工況進行比較分析，隧道縱向速度與壓力分布如圖8、9所示。

圖8 隧道中線速度分布

由圖8可以看出，豎井位于隧道正上方時，隧道縱向速度要略小于豎井位于橫通道上方時的情形。隧道縱向速度在豎井位置（=1500m）出現斷崖式下降，豎井上下游速度落差最大可達1.3m/s，平穩段速度落差也大于1m/s。

由圖9可以看出，隧道縱向壓力在豎井前后段都呈線性下降，且豎井布置于橫通道上方時隧道縱向壓力衰減速率要略大于豎井布置于隧道正上方時的衰減速率。隧道縱向壓力在豎井位置（=1500m）出現驟降，且豎井布置于橫通道上方時壓力下降幅值略大。

圖9 隧道中線壓力分布

由上可知，豎井橫向小距離移動對隧道縱向自然通風影響較小，隧道內部局部阻力系數的變化對長大隧道整體通風效果的影響有限。

4.3 豎井位置縱向變動

對豎井位于隧道縱向不同位置時，隧道中線縱向速度、壓力分布進行監測分析，如圖10、11所示。

圖10 隧道中線縱向速度分布

由圖10可以看出，隨著豎井縱向位置不斷后移，豎井位置上下游段隧道縱向速度呈規律性減?。é?＞Δ2＞Δ3＞Δ4，Δ′ 1＞Δ′ 2＞Δ′ 3＞Δ′ 4），即豎井位置越靠近入口端，隧道內速度值越大。

由圖11可以看出，豎井上游段壓力隨豎井位置的后移呈線性下降，在豎井底位置壓力出現較大的突變，而后豎井壓力又隨豎井位置后移呈線性下降。且豎井上游段隧道縱向壓力衰減速率遠大于隧道下游段壓力衰減速率，豎井里程較短隧道的縱向壓力衰減速率大于豎井里程較長隧道的縱向壓力衰減速率，并呈規律性變化。

圖11 隧道中線縱向壓力分布

在豎井布置于橫通道上方，豎井位置沿隧道縱向不同位置布置工況下，將隧道及豎井各出、入口斷面的速度平均值作擬合分析，結果如圖12所示。

圖12 不同斷面平均速度與豎井位置的關系

由圖12中（a）（b）可以看出，隧道入口和出口端速度與豎井縱向位置呈指數函數衰減，擬合通式為=(2++)，擬合優度大于0.99。由圖（c）可以看出，隧道豎井在隧道中部上游移動時，豎井出口速度波動較大，但豎井出口最大速度波動不大于0.07m/s，最大波動率不大于1.6%。隧道豎井在隧道中部下游移動時，豎井出口速度在波動較小，且豎井出口最大速度波動不大于0.02m/s。隧道豎井出口速度受豎井縱向布置位置影響較小。

4.4 隧道通風換氣時長

對于單豎井隧道自然通風，對只有一個通風入口情況，隧道通風換氣時間可根據下式進行估算：

對于隧道兩端均為入口，只有豎井一個通風出口的情況，隧道通風換氣時間可根據下式進行估算：

通過模擬計算得出隧道在豎井前、后兩段區域內的斷面速度平均值，通過公式（11）計算得出各段隧道內空氣通風換氣一次所需要的時間，結果如表3所示。

表3 豎井不同位置時隧道通風換氣時間

將表3中豎井位置與隧道通風換氣時間的關系進行擬合分析，得出一般性規律，如圖13所示。

由圖13可以看出，豎井位置和隧道通風換氣時間呈指數函數遞增，擬合通式=(++2)，擬合優度--2大于0.99。豎井布置位置越靠近來流入口端，對隧道通風時長的影響越大，隨著豎井位置的不斷后移，其對通風時長的影響逐漸減弱，但所需通風時長總體呈指數增大。

圖13 隧道通風換氣時長與豎井位置的關系

5 結論

通過對單豎井不同縱向位置下隧道內的通風流場進行模擬，得到隧道、豎井通風換氣變化的一般規律。主要結論如下：

（1）對自然通風工況下隧道內風速的確定進行理論分析，運用Fluent軟件建立數值模型，其理論計算結果與模擬結果非常接近，驗證了模擬方法的可靠性。

（2）豎井橫向小距離移動對隧道縱向自然通風影響較小，隧道內部局部阻力系數的變化對長大隧道整體通風效果的影響有限。隧道豎井出口速度受豎井縱向位置影響較小，豎井出口速度的波動極小。

（3）隧道入口和出口端速度與豎井縱向位置呈指數函數衰減。隨著豎井位置的不斷后移，隧道整體通風換氣時間呈指數函數增長。

（4）長大隧道只采用單豎井自然通風時，并不能提升隧道整體自然通風的效果，建議采用豎井通風時要設置其他輔助通風通道或機械通風手段。

[1] 薛運祝.單一豎井對隧道自然通風的影響[J].鐵道建筑,1983,(1):18-21.

[2] 朱杰,霍然,孫曉乾.不同豎井側向開口位置對煙囪效應影響的實驗研究[J].工程力學,2008,(9):187-192.

[3] 李志偉,梁習鋒,張健.豎井對隧道內瞬變壓力的影響[J].中南大學學報(自然科學版),2011,42(8):2514-2519.

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[5] 楊偉超,彭立敏,施成華.隧道豎井對車體壓力的作用機理及影響因素分析[J].中國鐵道科學,2009,30(3):68-73.

[6] 王峰,鄧園也,王明年.地鐵隧道豎井位置優化數值模擬研究[J].計算力學學報,2010,27(3):569-573.

[7] Zhu P G, Tong X N, Chen L, et al. Influence of opening area ratio on natural ventilation in city tunnel under block transportation[J]. Sustainable Cities & Society, 2015,19(2):144-150.

[8] Tamm G, Jaluria Y. Buoyancy and Pressure Driven Flow of Hot Gases in Vertical Shafts with Natural and Forced Ventilation[J]. 2003.

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[12] 金學易,陳文英.隧道通風及空氣動力學[M].北京:中國鐵道出版社,1983.

Influence of Longitudinal Position of Shaft on Natural Ventilation of Tunnel

Wang Wen1Sun Sanxiang2Chen Junqiang3

( 1.Shaanxi Railway Institute, Weinan, 714000; 2.School of Environmental and Municipal Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou, 730070; 3.Xinjiang Branch of the First Railway Survey and Design Institute, Urumqi, 830011 )

The role of natural ventilation in tunnel shafts in the operation and ventilation of long tunnels cannot be ignored, so the choice of shaft location is also important. Based on the FLUENT software, the RNG-turbulence model is used to simulate the ventilation results of a single shaft at different longitudinal positions of the tunnel. The wind speed and flow field distribution of the tunnel are obtained when the shaft is located at different positions in the longitudinal direction of the tunnel.Calculate the length of time required for the tunnel to complete a ventilation at the different longitudinal positions of the shaft. The relationship between the position of the shaft and the ventilation time is e-exponential by fitting, which provides a reference for the selection of the location of the shaft and the establishment of ventilation mode in the design and construction of long tunnel.

Natural Ventilation;Shaft;flow field;Numerical Simulation

A

1671-6612（2020）01-070-07

王 文（1990-），男，碩士研究生，助教，E-mail：1205901714@qq.com

孫三祥（1965-），男，教授，E-mail：sunsanxiang@mail.lzjtu.cn

2019-04-02