曲线公路隧道沿程阻力损失数值模拟

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1、公路隧道2014年第2期(总第86期)曲线公路隧道沿程阻力损失数值模拟王峰王明年。董国海(1．大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室大连116024；2．四川大学建筑与环境学院能源工程安全与灾害力学教育部重点实验室成都610065；3．西南交通大学土木工程学院成都610031)摘要基于不可压缩粘性流体的N—s方程和一￡两方程湍流模型，采用CFD方法对曲线隧道通风沿程阻力损失进行模拟计算结果表明：曲线隧道中即增加了摩擦阻力损失也增大局部阻力损失；曲线隧道断面形式和通风速度对沿程阻力系数的影响较小，在距入口600m后沿程阻力系数基本达

2、到稳定，入口段沿程阻力系数偏大；沿程阻力系数随半径的减小逐渐增大，半径较小时，增大尤为明显，并提出了小半径隧道沿程阻力系数的计算方法。关键词曲线隧道沿程阻力系数数值模拟曲率半径摩擦阻力局部阻力北京至昆明的高速公路在四川境内由于受地2模型和计算方法形、地质条件所限布设了两条螺旋线形隧道。隧道曲率半径小，长度长，给隧道通风系统带来了一系2．1数学模型列相关问题。曲线隧道通风沿程阻力作为隧道通隧道通风系统中，隧道内风速一般小于50m·风系统设计的基础，其合理的确定为确保隧道运营S_。，且本文主要针对隧道内沿程阻力进行模拟计的安全性具有重要

3、意义。目前，国内对直线隧道通算，因此，可按不可压缩恒定流处理，紊流模型采用风摩擦阻力和局部阻力进行过相关的研究_】]，针标准的忌一￡双方程模型。其基本控制方程可以写成如下统一形式]。对曲线隧道研究甚少，规范_5也未对曲线隧道沿程阻力给出相应的计算方法。因此，本文结合实际工10等+()=div(Fgrad~o)+S(2)程项目采用计算流体力学软件FLUENT对曲线隧式中：当一1，U，e，忌，￡时，式(2)分别表示连道通风沿程阻力进行三维数值模拟计算。续性方程、动量方程、能量方程、湍流动能方程和湍流动能耗散方程，r和S分别为广义扩散系数

4、和广1曲线隧道沿程阻力义源项。不可压缩恒定流时，I。可省略。由流体力学知识可知，隧道中，摩擦阻力损失主要是隧道壁面与空气流动相互摩擦引起的；局部2．2边界条件和计算方法阻力损失则主要是在边界急剧变化的区域产生大根据实际情况设定隧道壁面和路面为墙面，隧小不等的涡流，对主流能量的耗散_6]。道人口设为等速边界条件，出口设为压力边界条件。离散方法采用有限容积法，速度一压力耦合采根据理论分析，曲线隧道通风沿程阻力中，既用SIMPLE算法。计算均采用较规则的六面体不能将其视为单一的摩擦阻力也不能将其统称为网格。局部阻力。曲线隧道沿程阻力是摩擦

5、阻力和局部阻力的总和。对于此类问题，具体区分和定义摩擦3计算结果与分析阻力和局部阻力的大小较为困难，为方便工程应用3．1曲率半径对摩擦阻力及局部阻力的影响及分析，本文将采用与直线隧道摩擦阻力相应的沿3．1．1对摩擦阻力的影响程阻力系数e进行计算和分析。从隧道内空气流动的特征分析可知，实际影响p一。-2争巳+(1)隧道摩擦阻力的大小主要与隧道壁面切应力相关。“厶厶切应力的大小为l_8式中：z为断面1至断面2间长度，d为曲线隧道断面当量直径，一隧道摩擦阻力系数，～隧道r。()cs弯曲局部阻力系数，e一弯曲隧道沿程阻力系数，一隧道内平均风

6、速。式中为空气的粘性系数，()一。为壁面处·24·