6 短道流态数值仿真计算研究

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1、秦岭终南山特长公路隧道通风系统局部数值仿真研究报告长安大学6短道流态数值仿真计算研究6.1引言采用竖井送排式方案进行通风中，因为不允许送风口与排风口之间出现回流现象（否则会造成能量损失并影响隧道正常运营通风），因此必须注意如何合理确定送风口与排风口距离的问题。根据直观的经验，送风口与排风口之间的距离（即所谓的“短道长度”）理论上应该是越小越好，从而可以保证汽车在规定的速度下，用最少的时间穿过短道；同时从严禁短道内出现回流的角度出发，短道长度应该越长越好，从而可以增加沿程阻力以阻止气体的回流。这样在实际工程设计和施工中就出现矛盾。《公路隧道通风照明设计规范》（JTJ026.1

2、-1999）借鉴了国外经验，特别是日本经验，规定短道的长度不得小于50米。客观上这个规定过于经验化，50米这个范围值的给定没有建立在实验基础上。同时该规定也没有足够的理论依据作支撑。结合秦岭终南山特长公路隧道实际工程情况，课题组采用CFDesign软件对可能影响短道流态的因素进行仿真计算，以期得出影响短道流态的各个因素，从而确定出最佳短道结构形式以指导秦岭终南山特长公路隧道的设计和施工。在仿真计算中，课题组主要考虑以下四个因素对短道流态的影响：Ⅰ排风道与隧道主体轴线夹角θ值；Ⅱ送风方向与隧道主体轴线夹角β值；Ⅲ送排风口距离L；Ⅳ竖井送排流量比φ；在CFDesign模拟计算中

3、，θ采用30度、45度、60度和90度分别进行计算；β采用0度、10度、30度分别进行计算；送排风口距离L采用25m、30m、35m、40m、45m、50m、55m和60m分别进行计算；竖井送排流量比φ取值范围在0.6——2.1之间。6.2排风道与隧道主体轴线的夹角θ对短道流态影响的仿真计算分析根据工程设计的实际尺寸，在CFD中建立1:1的三维模型。θ具体取值为30度、45度、60度以及90度。在不同的工况下，对所建立的三维模型进行分别计算。三维模型图如下：图6.1排风方向与隧道主体夹角θ为30度、45度、60度以及90度三维模型图10秦岭终南山特长公路隧道通风系统局部数值

4、仿真研究报告长安大学从实际工程情况可知，相对于隧道主体结构，排风道实际上起的是分流作用。从节约能源的角度出发，排风道土建结构形式应该是有利于上游污染气体的排出。而如何确定最佳排风道土建结构形式则是通风系统局部优化迫切需要解决的问题。根据实际情况，对排风道结构形式影响最大是排风道与隧道主体夹角θ大小。故课题组建立了如图6.1所示的三维模型进行仿真计算分析。计算平面示意图如下：图6.2分流计算平面示意图几何参数隧道断面面积：70m2计算模型长度：300m排风方向与隧道轴线夹角θ分别为：30度、45度、60度以及90度排风口面积：27.58m2渐变段长度：35m计算参数上游隧道口

5、风速：7下游隧道口与排风口静压：0计算数据如下表：表6.1计算数据表θ指标断面流量平均速率相对静压绝对静压绝对全压90度上游隧道口472.0126.55742295.055101620101648排风口断面193.5586.97054010132510135860度上游隧道口483.746.56779373.223101698101726排风口断面246.3778.74488010132510137545度上游隧道口490.0126.56339330.95101656101684排风口断面233.2288.37463010132510137130度上游隧道口486.4336

6、.56793313.135101638101666排风口断面212.8997.646910101325101364在具体评价排风道与隧道主体夹角θ大小优劣时采用“回流判断系数κ”作为评定指回流标。回流判断系数κ定义如下：10秦岭终南山特长公路隧道通风系统局部数值仿真研究报告长安大学根据以上数据计算结果如下：表6.2计算结果表θ系数30度45度60度90度0.4376740.4759640.5093170.41007由以上数据可绘制如下散点图：图6.3θ—分流系数散点图对以上计算结果进行分析可知当θ取值在45度—60度之间时，最有利于上游污染气体的排出。在后续仿真研究中，课题

7、组暂定θ取值为60度。6.3送风方向与隧道主体轴线的夹角β对短道流态影响的仿真计算分析在对送风方向与隧道主体轴线的夹角β进行三维模型仿真分析时，β具体取值为0度、10度、30度。分别在给定工况下，进行了运营通风仿真计算。在对计算结果以及云图、速度矢量图进行分析时发现，当β取值为0度时，在送风口前方接近路面区域的80米范围内出现狭长的回流区。如下图：回流区域图6.4路面区域回流矢量图随着夹角β增大,回流区域范围减小。当β取值为30度时，回流区域范围达到最小。如下图：图6.5速度云图从图6.5可以发现送风方向与隧道主体