矩形大斷面水下隧道射流風機布設位置優化仿真

盧 毅，付 帥，李論之

(1.江蘇省交通工程建設局，江蘇 南京 210004； 2.長安大學 電子與控制工程學院，陜西 西安 710064)

0 引言

隨著縱向通風方式在我國公路隧道中的廣泛應用，射流風機的作用也日益凸顯[1-2]。射流風機在隧道中的升壓效果不僅與風機本身的性能有關，還與隧道截面空間布局、風機布設位置等條件相關[3-6]。此外，隨著我國交通建設的不斷推進，具有空間利用率高、運輸載荷量大等優點的矩形大斷面水下隧道數量不斷增多，如：港珠澳大橋海底沉管隧道、上海長江隧道、上海沿江隧道及設計中的深中通道等，其物理結構均具有“超寬扁平”化的特點。其縱向通風中射流風機布設方式、風速場及射流作用也和一般圓形隧道呈現差異[7]。因此，研究矩形大斷面水下隧道空間中射流風機的布局參數，對于優化隧道縱向射流通風，降低運營成本，提高隧道防火災能力[7]，實現隧道經濟、安全的運行均具有重要意義，并能為同類型隧道通風設計提供數值模擬經驗和參考。

關于射流風機在隧道空間內的布局，國內外學者展開了諸多研究。溫玉輝等[8]利用CFD方法對雙射流風機組升壓效率的影響因素進行數值分析；張林[6]分析了風機在不同布設位置參數(如風機高度，每組風機內部間距等)對射流作用產生的影響，并針對不同功率的風機組合也進行了研究；楊秀軍等[9]利用射流風機工作原理及射流作用對風機縱向最小間距進行分析，并利用CFD軟件進行數值模擬驗證[9]；胡純良等[10]對隧道內不同射流風機氣流均勻性及穩定狀態進行了研究；方勇等[11]研究了三車道公路隧道射流風機布設位置與通風效果的研究，建模并進行模擬計算，得出風機的最佳橫向凈距應為3～4倍風機直徑，可有效減小射流間的干擾及隧道壁面影響；趙黎等[12]依托明堂山隧道工程，使用CFD軟件進行了建模計算，結果表明風機應設在距建筑限界15～30 cm高度處，風機橫向凈距應設為1.5～2倍風機直徑，風機縱向間距應設在150 m以上；Wang等[13]對小半徑曲線隧道的通風進行了研究，并對射流風機的布設位置參數進行了優化；Lee等[14]利用CFD軟件分析并評價不同傾斜角對公路隧道射流風機的通風特性的影響，并確定了風機最佳安裝角度；Betta等[15]利用數值計算流體力學(CFD)分析方法，模擬在無車輛和交通擁堵工況下，射流風機不同安裝角度對隧道出口及周圍空氣平均速度變化的影響進行了評價；YU等[16]基于計算流體力學理論，以1120型風機為例，綜合分析了風機高度、風機軸線與隧道軸線夾角對風機垂直效果的影響，得到最優安裝高度和角度，達到了對公路隧道風機射流效果的優化。

以上研究從射流風機距隧道頂壁高度、風機橫向間距和縱向間距對射流風機升壓力進行了數值模擬研究，但研究對象均集中于兩車道和三車道的普通高速公路隧道，且隧道縱向風機橫向并列一組為2臺風機。對于縱向通風單組布置3臺風機的扁平型矩形大斷面水下公路隧道，其射流風機的設計和布設則鮮有研究。

因此，本研究結合太湖隧道具體工況，利用CFD軟件Fluent，按隧道實際橫截面尺寸建模，研究單組3臺射流風機縱向通風時，改變風機布設高度、橫向凈間距及縱向間距，其升壓力將產生何種變化，及如何影響整體隧道通風的效果。通過升壓系數判斷通風質量，獲得了矩形大斷面公路隧道射流風機最優布設位置參數。

1 仿真模型建立

1.1 依托工程背景

太湖隧道穿越太湖，全長10.79 km，其中暗埋段長度為10 km，為“雙向六車道+緊急停車帶”的高速公路水下隧道，設計車速100 km/h，單洞隧道截面寬17.45 m，高7.25 m，面積為120 m2[7]。隧道及風機布置平面圖如圖1所示。

圖1 太湖隧道風機布置圖(單位：m)Fig.1 Layout of jet fans in Taihu Tunnel(unit:m)

圖2為隧道矩形大斷面截面圖(左洞)，擬每組布置3臺1120型射流風機，其軸向推力1 148 N，風機橫向凈間距為d，風機距隧道頂壁距離為h，隧道模型總長取600 m。共布設2組風機，每組3臺，其中風機距頂部高度h和風機凈間距d如圖2所示。射流風機模型采用圓柱體模擬，底面直徑為1.12 m，長1.5 m。建模完成后，需進行三維網格劃分以便于有限元模擬計算，三維網格模型劃分如圖3所示。

圖2 太湖隧道標準橫斷面(左洞)(單位：m)Fig.2 Standard cross-section of Taihu Tunnel(left)(unit:m)

圖3 三維網格劃分正視圖Fig.3 Front view of 3D meshing

1.2 邊界條件

為了保證數值模擬結果的可靠性，需要在計算區域邊界上給定邊界條件[17-18]。本研究中外界大氣與隧道進出口相連，因此隧道進出口均為壓力邊界條件，且設為大氣壓強值。風機進出口邊界條件根據射流風機自身參數設定，進口取流量為29 m3/s，出口取速度邊界為30 m/s。隧道底部和頂部采用無滑移邊界條件，壁面溫度不變，壁面粗糙高度取0.007，粗糙常數取0.8。

1.3 通風質量評價方法

為更加直觀地對比風機不同布設位置產生的通風效果，本研究采用風機升壓綜合影響系數來定量評價不同風機布設位置的通風質量。

本研究的模型中沒有設定隧道入口風速，由射流風機的升壓作用完成隧道出入口與外界大氣壓的空氣交換流動。為得到升壓系數k，首先完成整個模型的通風模擬計算，計算得出隧道入口的風速，以及2組風機前后截面的靜壓差Ps。隧道入口風速即為隧道斷面的平均風速，代入式(1)，計算出射流風機提供升壓力的理論值Pm；Ps與Pm的比值即為風機升壓綜合影響系數k[6]，見式(2)。

(1)

式中，n為單組風機臺數；ρ為空氣密度；vj為射流風機出口風速；Ar為隧道截面積；Aj為風機截面積；vr為隧道斷面平均風速(即計算得出的隧道入口風速)。

(2)

式中，k值越大，表明升壓力值越大，即模擬計算值與理論值越接近，通風效果更好。

2 射流風機空間布設位置仿真研究

2.1 射流風機安裝高度對通風效果的影響

依照《公路隧道通風設計細則》(JTG/T D70/2-02—2014)中的規定，射流風機在隧道橫斷面上的布置應不侵入建筑限界，邊沿與隧道建筑限界凈距不宜小于15 cm[19]。本研究在建立CFD幾何模型時考慮上述規范中的規定，設置風機距隧道頂壁距離h為0.7D～1.5D(間隔為0.1D，D為射流風機直徑，為1.12 m)共9種工況，對風機升壓系數進行計算。共設置2組風機，依照風機組常規間隔，設置第1組射流風機位置為距隧道入口為50 m，第2組位置為距隧道入口200 m。

風機距隧道頂壁0.8D和1.4D時，沿風機軸線剖面速度變化云圖如圖4所示。

圖4 風機軸線剖面速度變化云圖(單位：m·s-1)Fig.4 Nephogram of velocity change in axial section of fans(unit:m·s-1)

將模擬計算得出的隧道入口風速代入式(1)得到不同風機高度下升壓力的理論計算值，并根據模擬計算得出的2組射流風機前后截面壓力，利用式(2)求出風機在不同高度時的升壓綜合影響系數。將不同風機高度的升壓力模擬值和影響系數繪制如圖5所示。

圖5 風機距隧道頂壁不同距離時升壓力和影響系數變化Fig.5 Variations of pressure rises and influence coefficients with different distances from fan to tunnel top wall

由圖4和圖5分析可知，隨風機距隧道頂壁距離h的增加，出口附近風速越來越大，升壓綜合影響系數越來越高，表明隧道內由風機帶動的縱向通風能力更佳。這可能是因為當風機距離隧道頂壁距離較近時，風機的豎向射流撞擊道頂壁，射流無法繼續推進并回流干擾正常風機的射流；同時，風機縱向射流會受到隧道壁面摩阻力的影響。受上述因素影響，風機射流損失了大量動能，無法有效帶動低速風流進行流動。

而當風機距隧道頂壁距離h越大，即風機位置越靠近建筑限界，風機升壓影響系數越大。此時風機出口風流受隧道頂壁影響變小，摩擦阻力也減小，其氣流動能損失較小，因此其射流擴散更充分，有助于提升隧道通風效果。因此，建議此類矩形大斷面隧道在進行射流風機布置時，在滿足不侵入建筑限界條件時，風機距隧道頂壁距離h為1.2D～1.4D為宜，此時風機綜合升壓系數能達到0.887～0.931以上，具有良好的通風效果。

2.2 射流風機橫向間距對通風效果的影響

依據《公路隧道通風設計細則》(JTG/T D70/2-02—2014)規定，同一斷面布置2臺及以上射流風機時，相鄰風機的橫向凈距不宜小于1倍風機直徑[19]。本研究在建立CFD幾何模型時考慮上述規范中的規定，根據隧道具體工況，設置風機凈距1D～3D(間隔為0.2D，)共11組工況，對風機升壓力和影響系數進行模擬計算。風機不同間距下升壓力模擬值及升壓影響系數的計算結果如圖6所示。

圖6 不同橫向凈間距風機升壓力及影響系數變化Fig.6 Variations of pressure rise and influence coefficient with different transverse clear spacings

由圖6分析可知，隨著風機橫向間距從1D開始增大，其升壓力模擬值及升壓影響系數明顯增大；當風機橫向間距增大到2D～2.4D時，風機整體升壓力模擬值和升壓影響系數到達一個頂峰且基本維持不變；當風機間距由2.4D繼續增大至3D時，升壓力模擬值和升壓影響系數急劇降低。

這是由于當3臺風機間距過近時，3臺風機自身的吸氣排氣氣流會互相影響互相干擾，從而降低了3臺風機的整體升壓能力。隨著間距增大，這種風機之間的互相干擾會逐漸減弱，因此其升壓能力和升壓影響系數不斷增大。

而當風機間距達到一定距離時，雖然風機間距的增大減小了3臺風機之間氣流的互相干擾，但兩端的風機距隧道側壁的距離則越來越近，隧道壁給風機射流帶來的負面影響越來越大，嚴重降低了射流的動能，削弱了風機帶動氣流的效果。風機間距增加帶來的升壓能力增加與隧道側壁影響帶來的升壓能力減小兩者作用互相抵消時，便出現了升壓力模擬值與升壓影響系數的峰值。

當風機間距繼續增大，此時兩側風機距隧道側壁距離過近，側壁對射流的影響愈發顯著，此時風機升壓力與影響系數便出現了急劇的減小。因此，類似太湖隧道的大斷面矩形模型隧道，建議最佳風機橫向間距應設置為2D～2.4D，此時風機整體升壓系數可以達到0.9以上。

2.3 射流風機縱向間距對通風效果的影響

為了保證風機出口射流的充分發展，每組風機之間應保持足夠的縱向間距，使經過風機加速的噴射氣流到達下一組風機位置之前充分發展并減速，否則將會影響到下一級風機的工作性能，同時也能獲取最大的經濟效益。為研究射流風機縱向間距對通風效果的影響，設置2組風機縱向間距50～200 m(間隔為30 m)共6組工況條件，其中風機距隧道頂部距離為1.2D，建模計算隧道斷面的平均風速。

風機縱向間距為50，200 m時，沿風機軸線剖面速度變化云圖如圖7所示。

圖7 風機軸線剖面速度變化云圖(單位:m·s-1)Fig.7 Nephogram of velocity change in axial section of fans(unit:m·s-1)

為了詳細地分析隧道斷面風速變化細節，我們在2組風機之間每間隔10 m的斷面設置采樣點(第1組風機后10 m設為采樣點1，第1組風機后20 m設為采樣點2…依次類推)，并計算其斷面平均風速作為采樣點的風速。經過模擬計算并進行結果統計，將風機在不同間距的6種工況下，2組風機間隧道斷面采樣點的風速模擬值變化繪制如圖8所示。

圖8 風機不同縱向間距隧道斷面風速變化Fig.8 Variations of wind speed at tunnel section with different longitudinal spacings of fans

分析圖7和圖8可知，第1組風機和第2組風機之間風速由大逐漸減小，且在第1組風機后一定區間內隧道截面的風速并不均勻，高速氣流由中心向兩邊逐漸擴散，最后整個隧道內風速達到較為均勻的水平。這是由于隧道內一部分空氣由風機吸入后，經葉輪做功后高速噴出，高速氣流的速度間斷面不連續，形成漩渦，產生卷吸現象，將周圍低速空氣卷吸進入射流。這個過程伴隨著動量和動能在隧道空氣中的交換傳遞，射流范圍不斷擴展，此時隧道截面的平均速度很大。當射流不斷向前發展一段距離后，伴隨流動范圍逐漸減少，壓力同步上升，射流的誘導效應會使氣流在隧道截面形成均勻速度分布。當隧道截面氣流速度均勻分布后，風機產生的射流在動能交換的過程中逐漸減弱，風速逐漸減小。

從圖8可知，當2組風機距離為50 m時，第1組風機出口射流并未得到充分發展，在第2組風機入口處風速很大，且截面風速不均勻，造成空氣紊亂，不利于第2組風機再次對空氣升壓，降低了風機的升壓工作效率；當風機縱向間距達到110 m時，第2組風機入口處射流紊亂明顯得到改善，隧道截面風速趨于均勻，但并未下降到隧道斷面的平均風速；當風機縱向間距達到170 m時，氣流速度已基本下降到隧道斷面平均速度大小，此時第2組風機對空氣的升壓效率和效果達到最佳；當縱向間距繼續增大到200 m時，由于風機縱向間距過長，第1組風機的射流發展到一定距離時基本消失，導致未被風機吸入的低速風流流動的效果變差。因此，建議隧道在進行射流風機布置時，將風機縱向間距設置在140～170 m為宜，此時升壓系數經計算為0.887～0.936。最佳縱向間距可取150 m，此時2組風機的升壓效率最高，既保證了隧道內的通風效果，又降低了經濟成本。

3 結論

本研究以矩形大斷面水下隧道通風設計和布局為目的，以太湖水下隧道為背景模型，針對單組3臺射流風機的布設位置問題，建立了CFD隧道仿真模型，并使用FLUENT有限元軟件工具進行數值模擬計算和分析，得到以下結論。

(1)風機距隧道頂壁距離h越大，即風機位置越靠近建筑限界，風機升壓系數越大，表明風機出口射流擴散更充分，受到隧道頂壁影響越小，有助于提升隧道通風效果。因此，建議太湖隧道在進行射流風機布置時，在滿足不侵入建筑限界條件時，風機距隧道頂壁距離h以1.2D～1.4D為宜。

(2)風機升壓系數隨風機橫向凈間距的增大呈現先增大后減小的趨勢。風機橫向間距為1D～2.4D時，風機升壓系數隨橫向間距的增大而增大；但當風機橫向凈距為2.4D～3D時，升壓系數值急劇減小，通風效果變差。因此，建議太湖隧道的射流風機橫向凈間距應設置為2D～2.4D。

(3)通過風機縱向間距與通風效果的模擬分析研究，表明太湖隧道在進行風機布置時，2組風機在縱向上的間距宜設為140～170 m，最佳縱向間距為150 m，使2組風機的升壓效率和整個隧道的通風效果達到最佳匹配。建議類似太湖隧道的矩形大斷面隧道在進行風機布置時，2組風機在縱向上的間距應為140～170 m，最佳縱向間距為150 m。