長大隧道洞口風道式通風相關問題數值模擬研究

中鐵第四勘察設計院集團有限公司 水下隧道技術國家與地方聯合工程研究中心

王成哲☆ 蔣仕強 惠豫川 田利偉 郭 輝 郭旭暉

0 引言

隨著我國鐵路的快速發展，鐵路長大隧道、隧道群急劇增加。近年來國內學者對隧道通風展開了一系列研究：周衛兵借助Fluent，采用標準K-ε湍流模型對高速列車鐵路雙線隧道豎井展開研究，通過分析得到了豎井對隧道空氣動力效應的影響規律[1]。杜云超總結分析了三維數值模擬仿真計算在求解隧道壓力波和空氣阻力方面的控制方程、湍流模型、網格設計計算方法等方面的特點，對三維數值模擬仿真計算和一維流動模型求解進行了對比分析[2]。倪天曉建立了高速鐵路隧道縮尺試驗模型，系統地研究了高速鐵路隧道火災煙氣蔓延及控制的關鍵技術參數、救援站分散防煙模式防排煙機理與煙氣控制技術[3]。趙紅莉等人以我國某鐵路水下盾構隧道為例,利用縮尺模型對不同縱向通風風速、火災規模等因素進行了火災模型試驗,對火災時隧道內煙氣溫度場的縱向變化規律、高溫煙氣的蔓延規律進行研究,獲得了不同工況下拱頂下方煙氣溫度縱向分布規律[4]。TB 10020—2017《鐵路隧道防災疏散救援工程設計規范》對于明線段小于250 m的隧道口緊急救援站，建議兩端隧道洞口段宜采用機械加壓防煙方式[5]。近年來隨著高鐵速度的不斷提升，對隧道內安全運營提出了新的要求，隧道洞口風道式通風避免了將風機直接暴露在隧道內，降低了由于風機運行給隧道運營帶來的風險。然而，當前對長大隧道洞口風道式通風的相關研究較少，特別是能夠用于指導隧道通風設計的資料較為缺乏。本文以某長大隧道為例，采用CFD數值模擬的方法，對洞口風道式通風展開研究，包括單側送風與雙側送風對比分析、單側風道間距對洞口風速的影響2個方面，對隧道洞口風道式通風提出合理的設計方案。

1 隧道通風設計方法簡介

該隧道為雙線隧道，長4 415.73 m，與其相連的明線段長度153.07 m，隧道內設有疏散通道兩處。考慮到列車安全運行，在隧道洞口設置風道式機械加壓防煙通風方式。根據TB 10068—2010《鐵路隧道運營通風設計規范》規定，雙線隧道內自然風速按2.0 m/s計算[6]，在計算中考慮安全性，自然風按阻力計算。同時TB 10020—2017《鐵路隧道防災疏散救援工程設計規范》中規定人員疏散路徑上的風速不宜大于8 m/s。如圖1所示，雙線隧道內列車著火后，事故列車繼續行進至著火點于明線段后停車，隨后隧道洞口風道風機開啟，對隧道正洞機械加壓送風，防止煙氣蔓延到正洞。

圖1 隧道平面示意圖

隧道模型在風道接口處曲面連接較為復雜，為了獲得較好的網格質量，本次模擬采用四面體網格。同時為了獲得更準確的流場，對隧道洞口及風道進行局部加密，網格質量0.35，網格數量101萬，如圖2所示。計算時湍流模型采用隧道通風常用的標準K-ε模型。

圖2 隧道模型與網格劃分示意圖

通過CFD數值模擬，將2 m/s的自然風風速代入到隧道模型內進行計算，得到進口壓力為8.79 Pa，在下文數值模擬中作為阻力考慮，代入到邊界條件中。

2 隧道單、雙側風道送風對比分析

2.1 單側風道送風

送風風道位于隧道的同側，風道間距60 m，第一個風道距洞口100 m，如圖3所示。對面積8 m2和6 m2的風道，分別選用80、90、100 m3/s的送風量(非風機風量)進行加壓送風，每個風道設置1臺加壓風機，詳細工況見表1。考慮到不利工況，模擬時列車與風道位于同側。

圖3 隧道單側風道平面示意圖

表1 隧道單側送風量工況

通過模擬計算，對不同工況下洞口平均風速進行統計，由圖4可知，在相同風道面積下，洞口平均風速隨風量的增大呈遞增趨勢，且不同風道面積下平均風速變化趨勢相同。送風量相同時，風道面積較小，在洞口形成的平均風速大，說明風道風速增大使得往洞口方向的流量增大。

圖4 單側送風洞口平均風速對比

由圖5可知，當風道面積不變時，隨著送風量的增大，洞口風速增大，由于氣流受到擠壓作用，在列車停靠側，速度增加顯著。當送風量相同時，隨風道面積減小，在列車停靠側風速增大，非列車停靠側風速減小，這是由于風道面積減小，風道出風速度變大，進入隧道正洞后仍然保持較高的速度。從圖5可清晰看到，送風在洞口形成的均勻度較差，工況M4、M5列車側與非列車側風速差值接近5 m/s，在非列車停靠側最小風速接近0；工況M1、M2、M3列車側與非列車側風速差值3～5 m/s，其中M1在非列車停靠側最小風速接近0。分析可知，單側送風，無法滿足規范的1.5～2.0 m/s送風風速要求，存在列車發生火災時煙氣回流的風險。此外，隨著送風量的增大，在列車停靠側人員疏散路徑上的局部風速大于8 m/s，對人員疏散造成不利影響，不能滿足使用要求。

圖5 單側送風洞口速度云圖

2.2 雙側風道送風

為了避免非列車停靠側風速不滿足要求的情況，對隧道洞口雙側送風展開研究。如圖6所示，送風風道位于隧道的兩側，風道間距20 m，第一個風道距洞口100 m。選用單個風道送風量80 m3/s、風道面積6 m2進行數值模擬計算，結果見圖7。

圖6 隧道雙側風道平面示意圖

圖7 雙側送風洞口速度云圖

由表2可知，隨著送風量的增大，洞口平均風速逐漸增大，且平均風速均大于2 m/s。如圖7所示，當送風量為80 m3/s時，隧道洞口速度分布相對于單側送風更加均勻，洞口最小風速保持在1.8～2.0 m/s，大于1.5 m/s，同時人員疏散路徑上風速降低顯著；隨著送風量的增大，洞口最大風速面積由中心向四周擴散。分析可知，相對于單側送風，雙側送風通過將送風量分到兩側，降低了人員疏散路徑上的風速，洞口平均風速在滿足設計規范要求下的速度不均勻系數更小，具備較好的送風效果。

表2 隧道雙側送風洞口平均風速變化

3 雙側風道間距對洞口風速的影響

進一步對雙側送風風道間距展開研究，分析風道間距L對洞口風速的影響。隧道正洞當量直徑R=10 m，分別選取L=0 m(0R)、10 m(1R)、20 m(2R)、30 m(3R)進行數值計算。對單個風道送風量80 m3/s、風道面積6 m2進行模擬計算，結果見圖8、9。

圖8 不同送風間距下速度云圖

由圖8可知，隨風道間距變化，洞口速度場不斷變化。風道間距為0 m時，速度場最大值出現在列車上部，主要原因是兩股氣流在此相遇；間距為10 m與20 m時，速度場最大值集中在列車側部；間距為30 m時，速度場最大值再次出現在列車上部。在人員疏散路徑上，風道間距為20 m時速度平均值較大。

分析圖9可知，在風道間距0～20 m時，洞口平均風速呈增大趨勢，速度不均勻系數呈減小趨勢，當風道間距為20 m時，平均風速達到峰值2.66 m/s，不均勻系數減小到最小值0.592，之后隨風道間距增大，洞口平均風速呈降低趨勢，速度不均勻系數增大。在風道間距為0 m時，由于兩股氣流在出風道后相互擠壓，動能損失較大，導致洞口平均風速較小；在風道間距大于20 m后，由于其中一個風道遠離洞口，速度得到充分發展，洞口平均風速也相對較小；隨著風道間距進一步增大，速度損失隨之增大，洞口平均風速逐漸減小。由此可知，風道間距為20 m，即當風道間距為2倍隧道正洞當量直徑時，洞口平均風速較大，速度不均勻系數較小，因此送風效果較好。

圖9 不同送風間距洞口的速度不均勻系數與平均速度

4 結論

長大隧道洞口風道式通風能夠有效降低列車運營風險，本文以某長大隧道為研究對象，利用CFD數值計算，對隧道洞口單、雙側風道式通風進行了對比分析，對雙側風道間距進行了研究，主要結論如下：

1) 對于單側風道送風，當風道面積不變時，隨著送風量的增大，洞口平均風速增大，但是由于列車阻擋，洞口速度場的均勻性較差，人員疏散路徑上局部風速大于8 m/s，不利于人員疏散，且在部分區域存在煙氣回流的風險。

2) 通過對比分析發現，相對于單側送風，雙側送風在洞口能夠形成較均勻的速度場，能夠對煙氣形成有效的阻擋。因此，對于隧道洞口風道式通風，在設計時應優先考慮雙側送風。

3) 對雙側送風研究表明，當風道間距為2倍隧道正洞當量直徑時，洞口平均風速較大，速度不均勻系數較小，能夠較好地滿足設計要求。