中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 水下隧道技術(shù)國(guó)家與地方聯(lián)合工程研究中心

王成哲☆ 蔣仕強(qiáng) 惠豫川 田利偉 郭 輝 郭旭暉

0 引言

隨著我國(guó)鐵路的快速發(fā)展，鐵路長(zhǎng)大隧道、隧道群急劇增加。近年來國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)隧道通風(fēng)展開了一系列研究：周衛(wèi)兵借助Fluent，采用標(biāo)準(zhǔn)K-ε湍流模型對(duì)高速列車鐵路雙線隧道豎井展開研究，通過分析得到了豎井對(duì)隧道空氣動(dòng)力效應(yīng)的影響規(guī)律[1]。杜云超總結(jié)分析了三維數(shù)值模擬仿真計(jì)算在求解隧道壓力波和空氣阻力方面的控制方程、湍流模型、網(wǎng)格設(shè)計(jì)計(jì)算方法等方面的特點(diǎn)，對(duì)三維數(shù)值模擬仿真計(jì)算和一維流動(dòng)模型求解進(jìn)行了對(duì)比分析[2]。倪天曉建立了高速鐵路隧道縮尺試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，系統(tǒng)地研究了高速鐵路隧道火災(zāi)煙氣蔓延及控制的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)、救援站分散防煙模式防排煙機(jī)理與煙氣控制技術(shù)[3]。趙紅莉等人以我國(guó)某鐵路水下盾構(gòu)隧道為例,利用縮尺模型對(duì)不同縱向通風(fēng)風(fēng)速、火災(zāi)規(guī)模等因素進(jìn)行了火災(zāi)模型試驗(yàn),對(duì)火災(zāi)時(shí)隧道內(nèi)煙氣溫度場(chǎng)的縱向變化規(guī)律、高溫?zé)煔獾穆右?guī)律進(jìn)行研究,獲得了不同工況下拱頂下方煙氣溫度縱向分布規(guī)律[4]。TB 10020—2017《鐵路隧道防災(zāi)疏散救援工程設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)于明線段小于250 m的隧道口緊急救援站，建議兩端隧道洞口段宜采用機(jī)械加壓防煙方式[5]。近年來隨著高鐵速度的不斷提升，對(duì)隧道內(nèi)安全運(yùn)營(yíng)提出了新的要求，隧道洞口風(fēng)道式通風(fēng)避免了將風(fēng)機(jī)直接暴露在隧道內(nèi)，降低了由于風(fēng)機(jī)運(yùn)行給隧道運(yùn)營(yíng)帶來的風(fēng)險(xiǎn)。然而，當(dāng)前對(duì)長(zhǎng)大隧道洞口風(fēng)道式通風(fēng)的相關(guān)研究較少，特別是能夠用于指導(dǎo)隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)的資料較為缺乏。本文以某長(zhǎng)大隧道為例，采用CFD數(shù)值模擬的方法，對(duì)洞口風(fēng)道式通風(fēng)展開研究，包括單側(cè)送風(fēng)與雙側(cè)送風(fēng)對(duì)比分析、單側(cè)風(fēng)道間距對(duì)洞口風(fēng)速的影響2個(gè)方面，對(duì)隧道洞口風(fēng)道式通風(fēng)提出合理的設(shè)計(jì)方案。

1 隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)介

該隧道為雙線隧道，長(zhǎng)4 415.73 m，與其相連的明線段長(zhǎng)度153.07 m，隧道內(nèi)設(shè)有疏散通道兩處?？紤]到列車安全運(yùn)行，在隧道洞口設(shè)置風(fēng)道式機(jī)械加壓防煙通風(fēng)方式。根據(jù)TB 10068—2010《鐵路隧道運(yùn)營(yíng)通風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，雙線隧道內(nèi)自然風(fēng)速按2.0 m/s計(jì)算[6]，在計(jì)算中考慮安全性，自然風(fēng)按阻力計(jì)算。同時(shí)TB 10020—2017《鐵路隧道防災(zāi)疏散救援工程設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定人員疏散路徑上的風(fēng)速不宜大于8 m/s。如圖1所示，雙線隧道內(nèi)列車著火后，事故列車?yán)^續(xù)行進(jìn)至著火點(diǎn)于明線段后停車，隨后隧道洞口風(fēng)道風(fēng)機(jī)開啟，對(duì)隧道正洞機(jī)械加壓送風(fēng)，防止煙氣蔓延到正洞。

圖1 隧道平面示意圖

隧道模型在風(fēng)道接口處曲面連接較為復(fù)雜，為了獲得較好的網(wǎng)格質(zhì)量，本次模擬采用四面體網(wǎng)格。同時(shí)為了獲得更準(zhǔn)確的流場(chǎng)，對(duì)隧道洞口及風(fēng)道進(jìn)行局部加密，網(wǎng)格質(zhì)量0.35，網(wǎng)格數(shù)量101萬，如圖2所示。計(jì)算時(shí)湍流模型采用隧道通風(fēng)常用的標(biāo)準(zhǔn)K-ε模型。

圖2 隧道模型與網(wǎng)格劃分示意圖

通過CFD數(shù)值模擬，將2 m/s的自然風(fēng)風(fēng)速代入到隧道模型內(nèi)進(jìn)行計(jì)算，得到進(jìn)口壓力為8.79 Pa，在下文數(shù)值模擬中作為阻力考慮，代入到邊界條件中。

2 隧道單、雙側(cè)風(fēng)道送風(fēng)對(duì)比分析

2.1 單側(cè)風(fēng)道送風(fēng)

送風(fēng)風(fēng)道位于隧道的同側(cè)，風(fēng)道間距60 m，第一個(gè)風(fēng)道距洞口100 m，如圖3所示。對(duì)面積8 m2和6 m2的風(fēng)道，分別選用80、90、100 m3/s的送風(fēng)量(非風(fēng)機(jī)風(fēng)量)進(jìn)行加壓送風(fēng)，每個(gè)風(fēng)道設(shè)置1臺(tái)加壓風(fēng)機(jī)，詳細(xì)工況見表1?？紤]到不利工況，模擬時(shí)列車與風(fēng)道位于同側(cè)。

圖3 隧道單側(cè)風(fēng)道平面示意圖

表1 隧道單側(cè)送風(fēng)量工況

通過模擬計(jì)算，對(duì)不同工況下洞口平均風(fēng)速進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，由圖4可知，在相同風(fēng)道面積下，洞口平均風(fēng)速隨風(fēng)量的增大呈遞增趨勢(shì)，且不同風(fēng)道面積下平均風(fēng)速變化趨勢(shì)相同。送風(fēng)量相同時(shí)，風(fēng)道面積較小，在洞口形成的平均風(fēng)速大，說明風(fēng)道風(fēng)速增大使得往洞口方向的流量增大。

圖4 單側(cè)送風(fēng)洞口平均風(fēng)速對(duì)比

由圖5可知，當(dāng)風(fēng)道面積不變時(shí)，隨著送風(fēng)量的增大，洞口風(fēng)速增大，由于氣流受到擠壓作用，在列車?？總?cè)，速度增加顯著。當(dāng)送風(fēng)量相同時(shí)，隨風(fēng)道面積減小，在列車?？總?cè)風(fēng)速增大，非列車?？總?cè)風(fēng)速減小，這是由于風(fēng)道面積減小，風(fēng)道出風(fēng)速度變大，進(jìn)入隧道正洞后仍然保持較高的速度。從圖5可清晰看到，送風(fēng)在洞口形成的均勻度較差，工況M4、M5列車側(cè)與非列車側(cè)風(fēng)速差值接近5 m/s，在非列車?？總?cè)最小風(fēng)速接近0；工況M1、M2、M3列車側(cè)與非列車側(cè)風(fēng)速差值3～5 m/s，其中M1在非列車?？總?cè)最小風(fēng)速接近0。分析可知，單側(cè)送風(fēng)，無法滿足規(guī)范的1.5～2.0 m/s送風(fēng)風(fēng)速要求，存在列車發(fā)生火災(zāi)時(shí)煙氣回流的風(fēng)險(xiǎn)。此外，隨著送風(fēng)量的增大，在列車停靠側(cè)人員疏散路徑上的局部風(fēng)速大于8 m/s，對(duì)人員疏散造成不利影響，不能滿足使用要求。

圖5 單側(cè)送風(fēng)洞口速度云圖

2.2 雙側(cè)風(fēng)道送風(fēng)

為了避免非列車?？總?cè)風(fēng)速不滿足要求的情況，對(duì)隧道洞口雙側(cè)送風(fēng)展開研究。如圖6所示，送風(fēng)風(fēng)道位于隧道的兩側(cè)，風(fēng)道間距20 m，第一個(gè)風(fēng)道距洞口100 m。選用單個(gè)風(fēng)道送風(fēng)量80 m3/s、風(fēng)道面積6 m2進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，結(jié)果見圖7。

圖6 隧道雙側(cè)風(fēng)道平面示意圖

圖7 雙側(cè)送風(fēng)洞口速度云圖

由表2可知，隨著送風(fēng)量的增大，洞口平均風(fēng)速逐漸增大，且平均風(fēng)速均大于2 m/s。如圖7所示，當(dāng)送風(fēng)量為80 m3/s時(shí)，隧道洞口速度分布相對(duì)于單側(cè)送風(fēng)更加均勻，洞口最小風(fēng)速保持在1.8～2.0 m/s，大于1.5 m/s，同時(shí)人員疏散路徑上風(fēng)速降低顯著；隨著送風(fēng)量的增大，洞口最大風(fēng)速面積由中心向四周擴(kuò)散。分析可知，相對(duì)于單側(cè)送風(fēng)，雙側(cè)送風(fēng)通過將送風(fēng)量分到兩側(cè)，降低了人員疏散路徑上的風(fēng)速，洞口平均風(fēng)速在滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求下的速度不均勻系數(shù)更小，具備較好的送風(fēng)效果。

表2 隧道雙側(cè)送風(fēng)洞口平均風(fēng)速變化

3 雙側(cè)風(fēng)道間距對(duì)洞口風(fēng)速的影響

進(jìn)一步對(duì)雙側(cè)送風(fēng)風(fēng)道間距展開研究，分析風(fēng)道間距L對(duì)洞口風(fēng)速的影響。隧道正洞當(dāng)量直徑R=10 m，分別選取L=0 m(0R)、10 m(1R)、20 m(2R)、30 m(3R)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。對(duì)單個(gè)風(fēng)道送風(fēng)量80 m3/s、風(fēng)道面積6 m2進(jìn)行模擬計(jì)算，結(jié)果見圖8、9。

圖8 不同送風(fēng)間距下速度云圖

由圖8可知，隨風(fēng)道間距變化，洞口速度場(chǎng)不斷變化。風(fēng)道間距為0 m時(shí)，速度場(chǎng)最大值出現(xiàn)在列車上部，主要原因是兩股氣流在此相遇；間距為10 m與20 m時(shí)，速度場(chǎng)最大值集中在列車側(cè)部；間距為30 m時(shí)，速度場(chǎng)最大值再次出現(xiàn)在列車上部。在人員疏散路徑上，風(fēng)道間距為20 m時(shí)速度平均值較大。

分析圖9可知，在風(fēng)道間距0～20 m時(shí)，洞口平均風(fēng)速呈增大趨勢(shì)，速度不均勻系數(shù)呈減小趨勢(shì)，當(dāng)風(fēng)道間距為20 m時(shí)，平均風(fēng)速達(dá)到峰值2.66 m/s，不均勻系數(shù)減小到最小值0.592，之后隨風(fēng)道間距增大，洞口平均風(fēng)速呈降低趨勢(shì)，速度不均勻系數(shù)增大。在風(fēng)道間距為0 m時(shí)，由于兩股氣流在出風(fēng)道后相互擠壓，動(dòng)能損失較大，導(dǎo)致洞口平均風(fēng)速較小；在風(fēng)道間距大于20 m后，由于其中一個(gè)風(fēng)道遠(yuǎn)離洞口，速度得到充分發(fā)展，洞口平均風(fēng)速也相對(duì)較小；隨著風(fēng)道間距進(jìn)一步增大，速度損失隨之增大，洞口平均風(fēng)速逐漸減小。由此可知，風(fēng)道間距為20 m，即當(dāng)風(fēng)道間距為2倍隧道正洞當(dāng)量直徑時(shí)，洞口平均風(fēng)速較大，速度不均勻系數(shù)較小，因此送風(fēng)效果較好。

圖9 不同送風(fēng)間距洞口的速度不均勻系數(shù)與平均速度

4 結(jié)論

長(zhǎng)大隧道洞口風(fēng)道式通風(fēng)能夠有效降低列車運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)，本文以某長(zhǎng)大隧道為研究對(duì)象，利用CFD數(shù)值計(jì)算，對(duì)隧道洞口單、雙側(cè)風(fēng)道式通風(fēng)進(jìn)行了對(duì)比分析，對(duì)雙側(cè)風(fēng)道間距進(jìn)行了研究，主要結(jié)論如下：

1) 對(duì)于單側(cè)風(fēng)道送風(fēng)，當(dāng)風(fēng)道面積不變時(shí)，隨著送風(fēng)量的增大，洞口平均風(fēng)速增大，但是由于列車阻擋，洞口速度場(chǎng)的均勻性較差，人員疏散路徑上局部風(fēng)速大于8 m/s，不利于人員疏散，且在部分區(qū)域存在煙氣回流的風(fēng)險(xiǎn)。

2) 通過對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于單側(cè)送風(fēng)，雙側(cè)送風(fēng)在洞口能夠形成較均勻的速度場(chǎng)，能夠?qū)煔庑纬捎行У淖钃?。因此，?duì)于隧道洞口風(fēng)道式通風(fēng)，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮雙側(cè)送風(fēng)。

3) 對(duì)雙側(cè)送風(fēng)研究表明，當(dāng)風(fēng)道間距為2倍隧道正洞當(dāng)量直徑時(shí)，洞口平均風(fēng)速較大，速度不均勻系數(shù)較小，能夠較好地滿足設(shè)計(jì)要求。