陳外才 陳林翼

摘 要：分析熱位差對(duì)單向單豎井公路隧道冬季通風(fēng)的影響規(guī)律，優(yōu)化單向單豎井公路隧道冬季通風(fēng)模式。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)蜗騿呜Q井公路隧道；熱位差；排送組合通風(fēng)；數(shù)值模擬

單向單豎井公路隧道冬季運(yùn)營(yíng)時(shí)，排風(fēng)井內(nèi)存在較大的浮升熱位差（排風(fēng)井內(nèi)空氣較輕），研究如何利用排風(fēng)井內(nèi)浮升熱位差通風(fēng)，可有效降低隧道通風(fēng)能耗。

1 模型分析

隧道模型長(zhǎng)6000m高9m，隧道進(jìn)洞口坐標(biāo)為（0，0），作為隧道起始點(diǎn)，隧道中間設(shè)置豎井，豎井高600m，總寬度為6m，其中排風(fēng)井寬3m，送風(fēng)井寬3m，并在隧道兩端洞口各加上100m×609m的外部空氣流場(chǎng)。隧道豎井與兩端空氣域等高，隧道與兩端空氣域一起構(gòu)成U型管連通器通風(fēng)系統(tǒng)。

2 單向單豎井公路隧道熱位差利用研究

因公路隧道一般建設(shè)在山嶺里，F(xiàn)luent軟件數(shù)值模擬中的公路隧道冬季運(yùn)營(yíng)環(huán)境溫度設(shè)置為：-10℃、0℃、10℃，公路隧道兩端洞口溫度取運(yùn)營(yíng)環(huán)境溫度，豎井口溫度分別取-13.6℃、-3.6℃、6.4℃，公路隧道壁溫取20℃。公路隧道交通風(fēng)壓可簡(jiǎn)化為送風(fēng)井內(nèi)送風(fēng)壓，為簡(jiǎn)化模擬條件，故不設(shè)置交通風(fēng)，豎井送風(fēng)壓設(shè)置為：100Pa、200Pa、300Pa、400Pa、500Pa，公路隧道兩端洞口都取一個(gè)大氣壓，隧道壁粗糙度設(shè)0.07。在Fluent軟件中根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置模擬系數(shù)，開(kāi)能量方程進(jìn)行數(shù)值模擬，各工況模擬計(jì)算結(jié)果如下表。

由上表知，單向單豎井公路隧道冬季（取0℃環(huán)境溫度條件的模擬數(shù)據(jù)分析）運(yùn)營(yíng)通風(fēng)情況如下：（1）送風(fēng)井內(nèi)送風(fēng)壓低于300Pa時(shí)，送風(fēng)井內(nèi)空氣密度與排風(fēng)井內(nèi)空氣密度分布情況基本一樣，因此送風(fēng)井與排風(fēng)井內(nèi)浮升熱位差一樣，且兩個(gè)井都處于排風(fēng)狀態(tài)。（2）送風(fēng)井內(nèi)送風(fēng)壓增大到400Pa時(shí)，送風(fēng)井內(nèi)空氣密度與排風(fēng)井內(nèi)空氣密度分布情況開(kāi)始分化，因排風(fēng)井內(nèi)空氣升溫時(shí)間遠(yuǎn)大于送風(fēng)井內(nèi)空氣升溫時(shí)間，排風(fēng)井內(nèi)空氣平均溫度最終將接近壁溫，排風(fēng)井內(nèi)空氣密度遠(yuǎn)低于隧道外空氣密度，排風(fēng)井內(nèi)存在較大的浮升熱位差，排風(fēng)井處于自然排風(fēng)狀態(tài)，且排風(fēng)效果較好。同時(shí)送風(fēng)井內(nèi)空氣與外界空氣溫差不大（空氣升溫時(shí)間極短），送風(fēng)井內(nèi)空氣密度與隧道外空氣密度相近，浮升熱位差極小（利于送風(fēng)井送風(fēng)），此時(shí)送風(fēng)井風(fēng)機(jī)只需較小功耗克服浮升熱位差向隧道送風(fēng)。故單向單豎井公路隧道冬季運(yùn)營(yíng)通風(fēng)方案中關(guān)閉排風(fēng)井內(nèi)排風(fēng)機(jī)，打開(kāi)送風(fēng)井內(nèi)送風(fēng)機(jī)送風(fēng)具有一定可行性。

單向單豎井公路隧道冬季運(yùn)營(yíng)時(shí)送風(fēng)井內(nèi)風(fēng)速隨送風(fēng)壓增大存在突變現(xiàn)象，當(dāng)送風(fēng)壓小于某個(gè)臨界值時(shí)（送風(fēng)壓未能克服送風(fēng)井內(nèi)浮升熱位差），送風(fēng)井內(nèi)處于排風(fēng)狀態(tài)，送風(fēng)井內(nèi)風(fēng)速隨送風(fēng)壓增大逐漸減小。而當(dāng)送風(fēng)壓超過(guò)該臨界值時(shí)（送風(fēng)壓剛好克服送風(fēng)井內(nèi)浮升熱位差），送風(fēng)井內(nèi)通風(fēng)狀態(tài)由排風(fēng)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樗惋L(fēng)狀態(tài)，且送風(fēng)井內(nèi)風(fēng)速急劇增大，遠(yuǎn)大于之前排風(fēng)狀態(tài)下的風(fēng)速。

分析知：?jiǎn)蜗騿呜Q井公路隧道在-10℃環(huán)境溫度中運(yùn)營(yíng)時(shí)送風(fēng)井送風(fēng)壓臨界值介于400Pa至500Pa之間，在0℃環(huán)境溫度中運(yùn)營(yíng)時(shí)送風(fēng)井送風(fēng)壓臨界值介于300Pa至400Pa之間，在10℃環(huán)境溫度中運(yùn)營(yíng)時(shí)送風(fēng)井送風(fēng)壓臨界值介于100Pa至200Pa之間，送風(fēng)井內(nèi)送風(fēng)壓取送風(fēng)壓臨界值時(shí)隧道處于排送組合通風(fēng)狀態(tài)，其通風(fēng)節(jié)能效果最優(yōu)。

3 結(jié)論

單向單豎井公路隧道冬季運(yùn)營(yíng)排送組合通風(fēng)方案優(yōu)化如下：

（1）送風(fēng)井內(nèi)存在送風(fēng)壓臨界值，送風(fēng)壓取該臨界值隧道通風(fēng)節(jié)能效果最佳，且該臨界值與送風(fēng)井內(nèi)熱位差大小存在正相關(guān)性。

（2）關(guān)閉排風(fēng)井內(nèi)風(fēng)機(jī)，打開(kāi)送風(fēng)井內(nèi)部分送風(fēng)機(jī)，送風(fēng)壓取臨界值，可確保隧道冬季運(yùn)營(yíng)通風(fēng)能耗最低。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳外才.帶豎井公路隧道運(yùn)營(yíng)通風(fēng)熱位差利用數(shù)值模擬[D].長(zhǎng)安大學(xué)，2015.

作者簡(jiǎn)介：陳外才（1986-），男，漢族，四川成都人，碩士，中級(jí)工程師，主要研究方向：橋梁與隧道工程；陳林翼（1995-），男，漢族，湖南郴州人，本科，主要研究方向：工程管理。