雪峰山隧道通风三维cfd局部仿真优化

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1、雪峰山隧道通风三维CFD局部仿真优化摘要：介绍了三维CFD仿真软件，对不同的轴流风机与通风道连接形式，风道内壁半径r与风道当量直径D比值及导流板设置进行了仿真计算分析，提出了通风系统局部优化建议。关键词：隧道通风局部仿真优化0三维CFD仿真软件简介计算流体动力学(ComputationalFluidDynamics)在近40年得到了迅猛发展。一方面是解决实际问题的需要；另一方面得益于计算机技术的飞跃发展和巨型计算机的出现。计算流体动力学是多种领域的交叉学科，它所涉及的学科有流体力学、偏微分方程的数学理论、计算几何、数值分析、计算科学等等。其基本思想是采用一定的计算方法

2、（如差分方法等）求解流体力学N—S方程。基于计算流体动力学的基本思想，国际上出现了许多计算流体动力学通用软件，包括FLUENT、PHOENCIS、CFX以及CFDesign等。课题组采用了国际上通用的计算流体动力学软件CFDesign对雪峰山特长公路隧道进行了仿真模拟分析计算。CFDesign是英国著名的BLUEBRIDGENUMERICS公司的主导产品。CFDesign软件主要是用来解决与热传导、流体运动相关的工程设计问题。CFDesign3.1主要包含三个模块：CFDesignModeler、CFDesignSolver和CFDisplay。CFDesign具有解

3、决与流体运动相关的以下一系列问题的功能和特征，包括：A.二维平面、轴对称和三维空间流体问题B.可压缩和不可压缩流体的计算问题包括次音速、接近音速和超音速流体运动的问题C.稳定状态和短暂状态流体运动问题包括边界条件随时间变化的流体问题D.紊流和层流问题E.可以采用笛卡尔坐标和圆柱坐标进行分析F.牛顿流和非牛顿流的分析G.外部流体和内部流体任何一个软件在正式运用到实际科学研究前，必须对该软件可靠性进行严格的测试计算。课题组在采用CFDesign进行具体的公路隧道通风仿真模拟前，对CFDesign软件进行了大量的测试和验算。通过建立一定的计算模型，同时采用理论计算和CFDe

4、sign数值模拟的方法进行分析。结果证明采用CFDesign进行仿真计算是可行的，同时其计算结果也是可信的。其中，采用圆管段进行软件验算和测试的算例如下：几何参数：圆管段断面半径：1m圆管段长度：100m计算参数：圆管段入口流速：30m/s圆管段出口压强：0Pa计算模型如下：计算平面图计算结果如下表：指标断面流量平均速率相对静压绝对静压绝对总压入口72.822923.5375358.88101682.8102000.2出口70.001623.3440101325101745在计算过程中取管段壁面平均粗糙度为3mm。则根据现行《规范》可以有如下计算公式：式中：△——平均

5、壁面粗糙度（mm）——隧道断面当量直径通过以上公式可以计算出直线型、断面不变的隧道沿程阻力损失为：式中：——隧道长度——为隧道内平均速度——隧道断面当量直径则可以计算如下：则而通过CFDesign计算到压力损失为：358.88Pa.比较以上计算两者的相对误差为2.915%。由此可见采用CFDesign进行公路隧道通风仿真模拟是可行的，同时其结果也是可信的。1轴流风机与通风道连接形式的仿真分析雪峰山特长公路隧道通风系统设计中，考虑到因为近远期交通量对隧道需风量要求不同，同一风道内可能平行布置两台轴流风机，近期需风量小，可先安装一台。由此就产生了如何确定近期单台轴流风机与

6、通风道连接的问题，可以有两种连接形式：Ⅰ单台轴流风机与通风道部分连接；Ⅱ单台轴流风机与通风道完全连接。课题组对以上两种连接结构形式进行了有限元分析模拟。采用计算流体动力学（CFD）软件CFDesign建立了相应计算模型并进行仿真分析。得到一系列可以指导雪峰山特长公路隧道通风设计的结果。1.1单台轴流风机与通风道部分连接的分析通过流体动力学（CFD）软件CFDesign建立了以下计算模型：三维计算模型模型侧视图模型俯视图建立的计算流体动力学（CFD）有限元分析模型中，为了能够尽量再现实际工程情况，模型采用的尺寸均参照雪峰山特长公路隧道通风系统设计所给定值。同时为了保证有

7、限元分析能够收敛，对模型容易导致计算发散的局部区域进行适当调整。进行了2种工况的计算。模型几何参数：通风道长度：50m通风道渐变段长度：4m连接段长度：7.35m轴流风机断面积：3.10833m2工况Ⅰ：轴流风机流量：114m3/s可得以下计算结果：工况Ⅰ各断面计算结果表指标断面流量平均速率相对静压绝对静压绝对总压风道入口114.8565.175310101325101344风道出口116.3827.166570101325101364风机入口112.36129.4201-1097.55100227100848风机出口114.48129.459111