鄒 麗，叢北華，李賢斌

(1.上海同泰火安科技有限公司，上海 201703；2.上海防災(zāi)救災(zāi)研究所，上海 200092；3.上海海事大學(xué) 海洋科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201306)

近年來，隨著隧道長度增加、行車密度加大，導(dǎo)致熱量極易在隧道內(nèi)聚集，其中80%以上的熱來自車輛排放的廢氣，車輛空調(diào)負荷、燈具及其他附屬設(shè)施約占20%[1]。隧道內(nèi)的熱量若不能及時排出，將導(dǎo)致隧道內(nèi)空氣溫度升高。實測上海延安東路隧道(暗埋段長約1 788 m)發(fā)現(xiàn)，夏季進峒口溫度為32℃～33℃，出峒口溫度為42℃～43℃，平均溫升為10℃。一旦空氣溫度達到45℃以上，隧道內(nèi)汽車空調(diào)將無法運行[2]，且人體在此高溫環(huán)境中可接受暴露時間為“無法接受”[3]。此外，隧道溫度過高，還會導(dǎo)致隧道壁溫度升高，襯砌和土壤膨脹，從而產(chǎn)生環(huán)向裂縫。這些裂縫不僅會影響隧道襯砌受力，還會導(dǎo)致隧道滲漏水[4]。因此，應(yīng)采取措施對隧道降溫。其中，細水霧噴霧降溫方法具有經(jīng)濟性好、效率高等特點，已在上海長江隧道等場所得到應(yīng)用。

國內(nèi)外學(xué)者對細水霧降溫進行了不少研究。如KACHHWAHA等[5]開發(fā)數(shù)值模型以估算水平方向水霧滴與氣流之間的傳熱傳質(zhì)，并準確預(yù)測蒸發(fā)冷卻性能。CHEN等[6]研究了不同噴霧參數(shù)(流速、液滴大小、液滴通量、液滴速度)對臨界熱通量的影響。KOLLAR等[7]開發(fā)理論模型來模擬兩相空氣/水噴霧噴射流中的液滴運動和液滴尺寸分布演變。BARROW等[8]對液滴蒸發(fā)進行理論分析，發(fā)現(xiàn)隨著液滴粒徑的增大，蒸發(fā)時間和液滴在自由落體中行進的距離迅速增加。若有額外通風(fēng)，則在該場所中完全蒸發(fā)的霧滴粒徑將增大。SURESHKUMAR等[9-10]實驗研究了兩種環(huán)境條件下(熱干和熱濕)不同噴嘴、不同壓力、不同空氣速度時細水霧的降溫情況，并根據(jù)模擬結(jié)果繪制了仿真模型。HUANG等[11]對細水霧降溫在2010年上海世博會的應(yīng)用進行了研究，發(fā)現(xiàn)隨著噴頭壓力的增大，體積流速在開始時迅速增加，然后增長率放緩。劉乃玲等[12]針對不同噴霧方式和不同噴霧壓力在高溫狹長空間中的降溫效果進行了實驗研究。王小芝采用Fluent兩相流模型分析了不同霧滴粒徑、霧滴初速度、隧道內(nèi)空氣相對濕度對霧滴軌跡的影響。王軍鋒等[13]研究了液滴粒徑增大對蒸發(fā)時間及降溫效果的影響。劉春等[14]研究了濕度對溫度平衡時間和降溫速率的影響。張培紅等[15]模擬研究高溫巷道內(nèi)溫度、濕度變化規(guī)律，并發(fā)現(xiàn)周期性運行的高壓細水霧耦合機械通風(fēng)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對井下高溫高濕環(huán)境的有效控制。

綜上可以看出，目前國內(nèi)外學(xué)者對隧道降溫技術(shù)的應(yīng)用研究較少。故筆者基于數(shù)值模擬的方式，研究了環(huán)境溫度、濕度的變化對細水霧整體布置、分段布置這兩種布置形式的影響，以期為隧道細水霧降溫系統(tǒng)設(shè)計提供參考。

1 項目概況與參數(shù)介紹

上海某通道全長約19.1 km，其中隧道長度約10.2 km，包括7.75 km盾構(gòu)段(雙層式雙向 6 車道)、2.45 km明挖段及4座下立交。由于隧道空間大、兩相流關(guān)系復(fù)雜且測量手段受限，采用全尺寸實驗研究存在困難，因此針對此隧道項目進行了全尺寸模擬。

HART等[16-17]采用Fluent模型模擬隧道火災(zāi)和細水霧滅火，其中細水霧采用DPM模型。模擬結(jié)果表明，在封閉場所采用CFD模型模擬細水霧滅火的結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)一致，且該CFD模型也適用于隧道火災(zāi)。因此該項目采用CFD商業(yè)軟件Fluent模擬細水霧技術(shù)在隧道中的降溫效果，采用歐拉-拉格朗日法模擬空氣-霧滴的兩相流動[18]：在歐拉坐標(biāo)系下利用Realizable k-e模型計算連續(xù)相即空氣的流動；在拉格朗日坐標(biāo)系下運用離散相模型(discrete phase model，DPM)跟蹤霧滴的運動，結(jié)合隨機軌道模型(discrete random walk model，DRWM)計算霧滴的運動軌跡，并考慮相間作用力，忽略熱泳力、布朗力及薩夫曼力等微小力，且忽略輻射傳熱。

采用Fluent軟件對該通道的隧道部分進行全尺寸模擬。模擬尺寸為：高4.54 m，寬10.5 m，長7 600 m(僅考慮了該隧道盾構(gòu)段的有效長度)。為了消除由于網(wǎng)格對計算結(jié)果的影響，對網(wǎng)格進行了加密。長方向及隧道縱向上為1 m/格，寬和高方向均為0.4 m/格，對風(fēng)機部分加密到0.15 m/格，最終使用的網(wǎng)格數(shù)量約為357萬。

根據(jù)上海地區(qū)隧道的實際降溫情況，出入口采用壓力出口和壓力入口計算，溫度與外部環(huán)境溫度相同。計算過程中，氣流在壁面處采用無滑移的邊界條件，考慮壁面粗糙度，按絕熱處理，近壁面采用標(biāo)準壁面函數(shù)法，霧滴與壁面碰撞后變?yōu)榉e水，但不再蒸發(fā)，由于積水相對整體空間很薄，因此忽略積水對流場產(chǎn)生的影響。

設(shè)定細水霧降溫系統(tǒng)的邊界條件為：細水霧噴頭安裝高度為2.7 m；噴頭的橫向間距為2 m；橫向噴頭數(shù)量為5個；細水霧平均粒徑為50 μm；單個細水霧噴頭流量為1.75 L/min；細水霧的初始溫度為20℃；射流風(fēng)機初始風(fēng)速為30 m/s。

考慮到上海延安隧道暗埋段長1 788m，平均溫升為10℃，而該通道盾構(gòu)段長度為7 600 m，平均溫度大于10℃，因此設(shè)定隧道溫度達到35℃時開啟細水霧降溫。首先模擬極端濕度情況下(0%)不同溫度時(35℃、40℃、45℃)細水霧降溫系統(tǒng)在整體布置和分段布置時的降溫效果，隨后分析了分段布置相比整體布置的優(yōu)點，并針對分段布置形式在相同溫度(40℃)、不同濕度情況下(0%、25%、50%、75%)的降溫效果進行模擬。細水霧降溫系統(tǒng)的整體布置和分段布置的詳細情況為：①整體布置，整條隧道按間距90 m布置，共84組噴頭，如圖1所示。②分段布置，將36組噴頭以每段12組分為3段，每段內(nèi)按每組間距90 m進行布置，第一段從隧道1 000 m處開始布置，段與段間距1 180 m，最后一段末端距離隧道出口1 000 m，即3段噴霧組的范圍分別為[1 000 m，2 080 m]，[3 260 m，4 340 m]，[5 520 m，6 600 m]，如圖2所示。

圖1 整體布置圖

圖2 分段布置圖

2 模擬結(jié)果分析

霧滴的蒸發(fā)效率會影響到水霧降溫的效果。霧滴的蒸發(fā)效率主要取決于隧道空氣的溫度、相對濕度和質(zhì)傳熱。因此，筆者分析了不同溫度、不同濕度對霧滴蒸發(fā)速率及降溫效果的影響。

2.1 不同溫度對細水霧整體布置時的降溫效果影響

環(huán)境溫度為35℃時，隧道采用整體布置，不同高度上沿隧道縱向的溫度曲線如圖3所示。由圖3可知，隧道入口1 500 m處，隧道內(nèi)空氣溫度降至噴霧溫度即20℃，而隧道1 500 m后面的噴頭并未起到降溫效果，噴出的水霧大部分噴放到地面上，也有少部分水霧隨隧道內(nèi)空氣流動離開隧道。且從高到低，噴霧降溫效果逐漸減弱。在高度2.5 m時，細水霧噴放瞬間溫度下降迅速，這可能是由于部分細水霧霧滴受重力作用下降并瞬間與空氣混合導(dǎo)致的快速降溫；隨后沿細水霧噴放方向溫度有回升，這是由于細水霧蒸發(fā)及細水霧沿拋物線軌跡下落，導(dǎo)致在此高度處的細水霧顆粒數(shù)量變少。高度2.0 m處的降溫效果與2.5 m處類似。1.5 m的高度，基本上是車內(nèi)人眼距地面的高度。在這一高度處的降溫穩(wěn)定，且降溫效果較好，會使車內(nèi)人員感覺涼爽。而在高度0.5 m和1.0 m處，細水霧降溫效果沿噴放方向趨于穩(wěn)定，這是由于霧滴在拋物線運動中霧滴降落產(chǎn)生的蒸發(fā)吸熱。

圖3 環(huán)境溫度35℃、整體布置時不同高度上沿隧道縱向的溫度曲線

圖4 環(huán)境溫度35℃、整體布置時不同高度上沿隧道縱向的濕度曲線

環(huán)境溫度35℃、整體布置時不同高度上沿隧道縱向的濕度曲線如圖4所示，與溫度變化類似，隧道內(nèi)濕度也是在1 500 m后幾乎沒有變化，出口處濕度為0.99%。濕度高的地方表明細水霧蒸發(fā)效果好，降溫效果好。濕度圖也印證了在高度2.0、2.5 m處，細水霧噴放瞬間蒸發(fā)效果較好、降溫幅度大；而隨后細水霧蒸發(fā)效果減弱，溫度有小幅回升。在0.5 m、1.0 m、1.5 m處，沿隧道方向細水霧蒸發(fā)趨于穩(wěn)定，蒸發(fā)效果比較均勻、降溫值保持穩(wěn)定。

圖5 環(huán)境溫度40℃、整體布置時不同高度上沿隧道縱向的溫度曲線

圖6 環(huán)境溫度45℃、整體布置時不同高度上沿隧道縱向的溫度曲線

環(huán)境溫度40℃、45℃隧道整體布置時不同高度上沿隧道縱向的溫度曲線分別如圖5和圖6所示。結(jié)合圖3、圖5和圖6可知：雖然環(huán)境溫度40℃、45℃時細水霧降溫后空氣溫度最后均下降至20℃，與環(huán)境溫度35℃時相同，但是所需要的噴頭數(shù)量不同。當(dāng)環(huán)境溫度為40℃時，隧道內(nèi)溫度在隧道2 000 m處不再下降，而當(dāng)環(huán)境溫度為45℃時，隧道內(nèi)溫度在接近2 500 m時不再下降。

2.2 不同溫度對細水霧分段布置時的降溫效果影響

環(huán)境溫度為35℃、分段布置時不同高度上沿隧道縱向的溫度曲線如圖7所示，可知隧道在3 500 m左右達到熱量平衡。環(huán)境溫度40℃、45℃分段布置時不同高度上沿隧道縱向的溫度曲線分別如圖8和圖9所示，可知當(dāng)環(huán)境溫度為40℃時，隧道內(nèi)溫度在4 200 m左右不再下降，而當(dāng)環(huán)境溫度為45℃時，隧道內(nèi)溫度則是在5 700 m左右不再下降。

圖7 環(huán)境溫度35℃、分段布置時不同高度上沿隧道縱向的溫度曲線

圖8 環(huán)境溫度40℃、分段布置時不同高度上沿隧道縱向的溫度曲線

圖9 環(huán)境溫度45℃、分段布置時不同高度上沿隧道縱向的溫度曲線

同時還可以看出，環(huán)境溫度35℃、40℃時在第二段噴霧組達到空氣與水霧的熱量平衡，第三段噴霧組沒有起到降溫效果。環(huán)境溫度45℃時，隧道在第三段的開始部位進入熱量平衡狀態(tài)。由于空氣與水霧達到熱量平衡點后的細水霧噴頭沒有起到降溫效果，卻增加了隧道的濕度，因此建議設(shè)計時降低隧道后半部分的細水霧噴霧強度。

2.3 細水霧整體布置與分段布置的比較分析

不同環(huán)境溫度下整體布置與分段布置達到熱量平衡的隧道長度對比如圖10所示，可以看出每個環(huán)境溫度下分段布置達到熱量平衡的隧道長度均比整體布置多2 000 m左右，但是分段布置即使在較高溫度(45℃)時，也在隧道76%部分達到了最終的降溫效果(20℃)。

圖10 不同環(huán)境溫度下整體布置與分段布置達到熱量平衡的隧道長度對比圖

不同溫度下整體布置與分段布置的蒸發(fā)水霧占總噴水量百分數(shù)對比如圖11所示，可以看出整體布置時噴出的水霧大部分會到達路面上，也有部分水霧會隨隧道內(nèi)空氣流動離開隧道，發(fā)生相變的水霧只占整體噴水量的一小部分。與整體布置相比，隨著溫度的提高，分段布置時細水霧達到比較高的利用率。

圖11 不同溫度下整體布置與分段布置的蒸發(fā)水霧占總噴水量百分數(shù)對比圖

整體布置與分段布置的細水霧降溫系統(tǒng)主要設(shè)備數(shù)量對比如圖12所示。從細水霧降溫系統(tǒng)的主要設(shè)備組成(泵組、區(qū)域閥、噴頭)來看，整體布置所需的設(shè)備數(shù)量(區(qū)域閥和噴頭)比分段布置多一倍以上，造價也多一倍以上。

圖12 整體布置與分段布置的細水霧降溫系統(tǒng)主要設(shè)備數(shù)量對比圖

因此，從降溫效果、水霧利用率及系統(tǒng)造價上來看，建議選用分段布置方式。

2.4 不同空氣相對濕度對細水霧分段布置時的降溫效果影響

圖13 環(huán)境溫度40℃、不同濕度條件下1.5 m高度沿隧道縱向的溫度曲線

環(huán)境溫度40℃、不同濕度條件下1.5 m高度沿隧道縱向的溫度曲線如圖13所示，可知在采用分段布置時，隨著空氣相對濕度的增加，細水霧降溫效果減弱，分別降溫至20.0℃(相對濕度0%)、23.0℃(相對濕度25%)，29.0℃(相對濕度50%)和34.5℃(相對濕度75%)；另外，隨著空氣相對濕度的增加，細水霧降溫系統(tǒng)達到穩(wěn)定降溫的長度縮短，分別為4 200 m(相對濕度0%)、3 500 m(相對濕度25%)、1 900 m(相對濕度50%)和1 350 m(相對濕度75%)。因此噴霧降溫的效果與隧道內(nèi)空氣的相對濕度密切相關(guān)，建議在設(shè)計噴霧降溫時考慮脈沖噴射。

3 結(jié)論

筆者對上海某長大隧道進行全尺寸模擬。模擬結(jié)果表明，相同濕度條件下，隨著環(huán)境溫度的增加，隧道實現(xiàn)穩(wěn)定降溫的長度增大，但均在隧道內(nèi)實現(xiàn)了熱量平衡。由于空氣與水霧達到熱量平衡點后的細水霧噴頭沒有起到降溫效果，建議設(shè)計時降低隧道后半部分的細水霧噴霧強度。

與整體布置相比，分段布置雖然相同環(huán)境溫度下實現(xiàn)穩(wěn)定降溫的長度增加，但即使在較高環(huán)境溫度(45℃)下，在隧道內(nèi)也實現(xiàn)了最終的降溫效果(20℃)，降溫效果滿足要求。另外，分段布置的水霧利用率更高，成本更低，節(jié)約了一半以上的設(shè)備成本，施工周期也大大縮短。因此建議該隧道采用分段布置方式。

對分段布置時不同濕度情況下降溫效果的模擬研究表明，相同溫度條件下，隨著空氣相對濕度的增加，細水霧降溫效果減弱，且細水霧降溫系統(tǒng)達到穩(wěn)定降溫的長度縮短。為了降低濕度對降溫效果的影響，建議設(shè)計時考慮細水霧脈沖噴射。