特長隧道通風通風的空氣動力學分析

特長隧道通風通風的空氣動力學分析

0隧道排送組合通風算法中存在的問題隨著我國道路交通的快速發(fā)展，6000米長的專業(yè)道路隧道數量不斷增加。僅在2007年和2008年就完成了10多座。目前，該項目建設中仍有大量的專業(yè)隧道。為了保證隧道內的空氣質量和能見度,并使隧道內的縱向風速不影響行車安全,中國特長公路隧道多采用斜(豎)井排送組合通風。對于排送組合通風的設計計算,中國《公路隧道通風照明設計規(guī)范》提供了一套算法。這套算法以空氣動力學理論為基礎,原理簡單可靠。但是,由于排送組合通風系統(tǒng)自身構造較復雜,在實際工程中還要考慮通風區(qū)段的長度與坡度差異、聯(lián)絡風道的長度與角度差異和不同運行工況等多種因素,這套算法還存在一些問題,需要通過進一步的理論研究和工程實踐來完善。為此,本文應用空氣動力學理論,對特長隧道排送組合通風的設計計算方法進行系統(tǒng)分析,并對文獻中存在的若干問題進行探討。1標準4:c340.13455排送組合通風模式如圖1所示。采用這種通風方式時,在排風口與送風口之間的短道內一般會存在空氣流動,稱之為短道風流。短道風流有兩種可能流動方向,即與隧道內車流方向一致或相反,一致時稱為順流,相反時稱為回流。設計中通常要求短道內為順流。在短道順流情況下,在排風口和送風口分別取圖1中虛線所示的控制體,并分別在隧道軸線方向(向右為正)建立動量方程,則有A(P1-P2)=c2ρQsv2+ceρQevecos(α)-c1ρQ1v1(1)A(P3-P4)=c4ρQ4v4+cbρQbvbcos(β)-c3ρQsv3(2)式中:A為隧道的斷面面積;ρ為空氣的密度;c1、c2、c3、c4、ce、cb均為動量修正系數。根據連續(xù)性方程Qs=Q1-Qe,注意到v2=Qs/A=v1(1-Qe/Q1),代入式(1)并整理;同樣,根據Qs=Q4-Qb,注意到v3=Qs/A=v4(1-Qb/Q4),代入式(2),并按照工程上常用的處理方法,取c1、c2、c3、c4、ce、cb均為1。整理后可得Ρ1-Ρ2=2QeQ1(QeQ1-2+vev1cos(α))ρv122(3)Ρ3-Ρ4=2QbQ4(2-QbQ4-vbv4cos(β))ρv422(4)令P2-P1=ΔPe,P4-P3=ΔPb,并分別稱為排風口與送風口的升壓力,從而有ΔΡe=2QeQ1(2-QeQ1-vev1cos(α))ρv122(5)ΔΡb=2QbQ4(QbQ4+vbv4cos(β)-2)ρv422(6)文獻中排風口升壓力的計算公式為ΔΡe=2QeQ1[(2-Κevev1)-QeQ1]ρv122將其中的動量系數Ke也取為1,再與式(5)比較?？梢娢墨I的公式(3.5.8-1)遺漏了cos(α),即遺漏了排風道與隧道交角α的影響。2co濃度分布短道順流情況下,隧道內的空氣流動情況如圖1所示。根據文獻介紹的方法,可分別計算出隧道入口至斷面1范圍內(下稱“排風段”)車輛的CO排放量QCO1,斷面4至隧道出口范圍內(下稱“送風段”)車輛的CO排放量QCO4。對于車輛在短道內CO排放量QCO3,在縱坡不變或變化不大的情況下,可以根據排風段L1和短道段Ls長度的比例關系進行簡化處理,計算式為QCΟ3=QCΟ1LsL1(7)各區(qū)段CO濃度詳細分析如下。隧道入口處全為新鮮空氣,CO濃度為δin=0。隧道入口至斷面1,CO濃度呈線性遞增,斷面1處濃度δ1為δ1=QCΟ1Q1(8)經排風口分流后,斷面2處CO濃度δ1與斷面1處相當,濃度δ2為δ2=δ1=QCΟ1Q1(9)由斷面2帶入短道的CO流量為QCΟ2=δ2Qs=QCΟ1Q1(Q1-Qe)(10)則斷面3處CO濃度δ3為δ3=QCΟ2+QCΟ3Qs(11)代入式(7)和式(10)并整理得δ3=QCΟ1Q1(Q1Q1-QeLsL1+1)=δ1(Q1Q1-QeLsL1+1)(12)斷面4處與斷面3處的CO流量相當,為QCO2+QCO3,則斷面4處CO濃度δ4為δ4=QCΟ2+QCΟ3Q4=QCΟ2+QCΟ3Qs+Qb(13)斷面4至隧道出口間CO濃度線性遞增,出口處CO濃度為δout=QCΟ2+QCΟ3+QCΟ4Q4=QCΟ2+QCΟ3+QCΟ4Qs+Qb(14)通過分析各控制點的CO濃度,可以繪出短道順流情況下隧道CO濃度分布,如圖2所示。從圖2可以看出:①短道末端和隧道出口出現CO濃度極值;②短道內由于風速和空氣流量小,CO濃度升高很快。值得指出的是,這里所定義的各個斷面的CO濃度均為一般意義下的有害氣體體積濃度。而文獻所定義的通風井底部的濃度C2和隧道出口內側處的濃度C3均為需風量與設計風量的比值,不易被理解與應用,即C2=Qreq1Qr1C3=Qreq2Qr1-Qe-Qreq1+QeQreq1/Qr1+Qb式中:Qreq1為排風段需風量;Qreq2為送風段需風量;Qr1為排風段設計風量。3流量和風壓在排水和送風段3.1長絲環(huán)境壓力的確定根據上述有害氣體濃度分析,排風段風量設計以滿足稀釋短道末端有害氣體的要求為標準,除與隧道內污染空氣的排放有關外,還取決于2個控制因素:排風口分流系數和短道長度。排風口分流系數k定義為排風口排出流量占隧道入口進風量的比例,即k=Qe/Q1(15)由于只考慮順流情況,k值總是小于1。從有效排放污染空氣角度出發(fā),應盡量提高k值;但如果k值過高,短道內風速大大降低,污染空氣濃度很容易超限。根據相關資料,k一般取為0.85～0.90。短道長度Ls的選取考慮兩方面因素:短道內空氣流向和污染空氣濃度。短道內設計為順流,為了避免出現回流,短道長度不應過短;由于短道內污染空氣濃度上升很快,為了避免短道污染空氣濃度超過設計值,短道長度不宜過長。事實上,影響短道內空氣流動的因素很多,其流動狀態(tài)復雜多變,短道合理長度需要通過試驗確定。參考國內外資料,短道長度取值略大于50m。選定分流系數k和短道長度Ls,考慮短道末端(斷面3)有害空氣濃度應低于設計容許濃度,應有δ3≤δD(16)式中:δD為有害氣體設計容許濃度。將式(16)代入式(12),可得隧道入口送風量為Q1=QCΟ1δD(Ls(1-k)L1+1)(17)進而由Q1可算出短道風量Qs和排風口的排風量Qe。由排風機提供的排風口升壓力ΔPe能否保證從隧道進口送入風量Q1,需要進一步分析排風段的壓力情況。分別計算排風段的通風阻力ΔPr1、交通通風阻力ΔPt1和自然風阻力ΔPm1,即ΔΡr1=(ξin+λL1Dr)ρ2vr12+ξΡρ2vr12(18)ΔΡt1=AmArρ2n1(vt1-vr1)2(19)ΔPm1=Const(20)式中:ξin為隧道入口局部阻力系數;ξP為排風口分叉處局部阻力系數;λ為排風段隧道壁面摩阻損失系數;Dr為隧道斷面當量直徑;vr1為排風段隧道設計風速;Am為汽車等效抗阻面積;Ar為隧道凈空斷面面積;n1為排風段內車輛數;vt1為排風段內車速。令Δe=ΔPr1-ΔPt1+ΔPm1-ΔPe(21)Δe為隧道排風段的通風阻力與通風動力之差。如果Δe≤0,表明排風段通風動力充足,能保證從隧道進口吸入風量Q1;相反,如果Δe>0,則不能從隧道進口吸入風量Q1。在后一種情況下,可調整設計參數重新計算;若仍希望能從隧道入口送入風量Q1,則需要在排風段設置射流風機,并使射流風機產生的總風壓為ΔPej≥Δe(22)3.2風機送風口壓力計算在送風段,送入風量Qb應保證隧道出口處(斷面4)有害空氣濃度不超過設計容許濃度,即要求δ4≤δD(23)將式(7)、式(10)、式(14)代入式(23),可得Qb≥QCΟ1Ls/L1+QCΟ1(Q1-Qe)/Q1+QCΟ4δD-(Q1-Qe)=QCΟ4δD(24)從式(24)可以看出,由于短道末端污染空氣濃度不超過設計容許值,短道進入送風段的氣體不影響送風段的需風量,即送風口送入的新鮮空氣Qb保證稀釋送風段車輛排放的有害氣體便可。送風段空氣總流量為Q4=Qs+Qb(25)同樣,在送風段也需要校核送風機產生的送風口升壓力能否將流量為Q4的空氣送至隧道出口。為此,分別計算送風段的通風阻力ΔPr4、交通通風阻力ΔPt4和自然風阻力ΔPm4,即ΔΡr4=(ξout+λL4Dr)ρ2vr42+ξSρ2vr42(26)ΔΡt4=AmArρ2n4(vt4-vr4)2(27)式中:ξout為隧道出口局部阻力系數;ξS為送風口合流處局部阻力系數;vr4為送風段隧道設計風速;n4為送風段內車輛數;vt4為送風段內車速。ΔPm4=Const(常數)(28)令Δb=ΔPr4+ΔPm4-ΔPb(29)Δb為隧道送風段的通風阻力與通風動力之差。如果Δb≤0,表明送風段通風動力充足,風流可以按設想的方式在送風段流動;相反,如果Δb>0,送風段風流則不能按設想的狀態(tài)流動。在后一種情況下,可調整設計參數重新計算;若仍希望能從隧道出口排出風量Q4,則需要在排風段設置射流風機,并使射流風機產生的總風壓為ΔPbj≥Δb(30)與文獻的相關公式比較,排風段與送風段風量的計算公式有很大的差別。此外,在風壓計算中,本文方法與文獻的方法有兩點重要差別:①關于自然風的阻力,筆者在文獻中闡述了將隧道自然風阻力考慮為常阻力的合理性;②關于隧道內通風壓力應滿足的條件,文獻要求隧道內壓力應滿足的條件為Δpb+Δpe≥Δpr-Δpt+Δpm式中各參量的定義見文獻。該條件僅是一條必要條件,而非充分條件,即全隧道的總的通風動力大于等于總的通風阻力,并不能保證分段通風條件下各段的通風動力均大于等于段內的通風阻力。所以本文進行分段檢驗,并在必要時用射流風機提供補充風壓是合理的。4排風機風壓及pse排風機、送風機的設計風壓計算公式為ΔΡtote=1.1(ρve22+ΔΡse+ΔΡe)(31)ΔΡtotb=1.1(ρvb22+ΔΡsb+ΔΡb)(32)式中:ΔPtote為排風機的設計風壓;ΔPtotb為送風機的設計風壓;ΔPse為由隧道內排風口到通風井排風口的沿程阻力和局部阻力總和;ΔPsb為由通風井送風口到隧道內送風口的沿程阻力和局部阻力總和。根據算出的排風機風壓ΔPtote和隧道排風口的排風量Qe,便可進行排風機選型;根據送風機的設計風壓ΔPtotb和隧道送風口的送風量Qb,可以對送風機進行選型。5送風口升壓力中國排送組合縱向通風排、送風口的構造與圖1所示的模式有一定的出入。排風口的常用構造是其軸線與隧道軸線垂直,送風口的常用構造是在隧道頂部設置與隧道軸線平行的送風口。在常用風口構造情況下,風口的升壓力可由圖3所示通風模式進行推導。在圖3中,P3和v3分別是短道末端的靜壓和風速,其他符號意義同前。應用動量方程,在排風口,斷面2與斷面面1的靜壓差P2-P1=ΔPe,即排風口的升壓力為ΔΡe=2QeQ1(2-QeQ1)ρv122(33)可見式(33)與將α=90°代入式(5)得到的結論是相同的。在送風口,由于送風口的構造有些許變化,取圖3所示的虛線包圍的體積為控制體,對控制體內的風流應用動量方程,設坐標軸水平向右為正,可得AbPb+A3P3-AP4=ρQ4v4-ρQbvb-ρQ3v3(34)在式(34)中,考慮到Ab+A3=A,Q4=Qb+Q3;由于斷面3的上、下部靜壓差別不大,如果該靜壓很大,則噴出的射流應立即向下擴散或向上收縮。因此,假設斷面3的上、下部靜壓相同,即Pb=P3。代入式(34)并整理,可得斷面4與斷面3的靜壓差P4-P3=ΔPb,即送風口的升壓力ΔΡb=2[AA3(1-QbQ4)2-(1-vbv4QbQ4)]ρv422(35)文獻在計算常用送風口的升壓力時,將cos(0°)=1和Kb=1代入式(3.5.8—2),得到常用構造下的送風口升壓力計算公式為ΔΡb=2QbQr2(kbvbcos(β)vr2-2+QbQr2)ρvr222將上式與式(35)進行比較,顯然兩者之間有較大的出入。此外,文獻中將式(3.5.8-2)送風口的傾角β取為0°,此傾角對應的結構不夠清楚。6排送組合通風中區(qū)段通風