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公路隧道送排式纵向通风流体力学分析与计算模型.doc

公路隧道送排式纵向通风流体力学分析与计算模型

何万闲
2017-09-18 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《公路隧道送排式纵向通风流体力学分析与计算模型doc》,可适用于综合领域

公路隧道送排式纵向通风流体力学分析与计算模型Ξ王晓雯()重庆交通学院河海学院,重庆摘要:从流体力学分析理论入手,通过理想流体的假定,推导了隧道内空气流动的能量方程和动量方程,分析了各种通风阻力和压力计算模式,在此基础上建立了隧道送排式纵向通风的基本理论,提出了送排式纵向通风的关键控制点及压力平衡模式,为特长公路隧道营运通风的理论和应用进行了有益的探索关键词:流体力学公路隧道竖井送排式纵向通风()中图分类号:U文章编号:X文献标识码:A我国是一个多山的国家,左右的国土是山算模型的研究工作地戒重丘,公路建设中,过去的普遍做法是盘山绕行隧道内空气流运动的特征戒切坡深挖据统计资料,汽车翻越山岭平均时速不在通常状态下,流体分子运动相互之间会产生足km,不到经济时速的一半,汽车的机械损坏和内摩擦力,即流体具有粘性而且当流体所受的压力轮胎磨损极为严重,低等级道路的汽油耗量比高等增大时,流体分子间的距离变小,产生体积压缩,这级公路多~而且,劈山筑路会造成许多就是自然界普遍存在的真实流体气体分子间的平高边坡,在南方雨量充沛地区,它严重破坏自然景均距离为×m,进大于其他流体,虽然其运动观,造成塌方滑坡和水土流失因此,为了根除道路时的粘滞阻力较小,但当其受压时,更容易产生体积病害,保护自然环境,在山区高等级公路建设中必须压缩对于真实流体进行动力学研究十分困难,研究重视隧道方案,幵努力提高公路隧道工程科学技术的结果也十分复杂为使研究方便,对真实流体,包水平括标准状态、低速运动下的空气,一般作如下假设:随着我国公路建设步伐的加快,隧道数量已达流体流动时,忽略内摩擦力流体不可压缩这到座,总里程km,长度也由km以下,发展种既没有内摩擦又不考虑压缩性的流体即为理想流到拟建和在建km~km的隧道座目前,制约体我国公路隧道尤其是特长公路隧道建设的因素集中理想流体为连续介质,其内部没有空隙,运动要表现在通风、营运监控系统等关键技术上素压力、速度、密度等连续分布在通风工程中,由就公路隧道通风而言,纵向通风已成为一种世于和空气宏观运动的尺度相比,气体分子的间距十界各国目前较为公认的发展趋势送排式纵向通风分微小,所以按连续介质假设把空气视为理想流体,则是纵向通风形式中受通风长度限制较小的一种方幵运用连续介质理论进行研究所得结果不实际相式,掌握这种方式对修建特长隧道非常重要但这种符方式无论在设计理论,还是工程实践上我国均缺乏任何流体的运动都是在三维空间发生和发展,必要的积累,需要进一步研究解决但当只有一个主流运动方向时,其它两个方向可以正是在这种背景下,交通部科教司于~忽略,从而简化为一维运动隧道竖井送排式通风系年组织科研、设计、高校等有关单位开展了联统中,隧道正洞及竖井内的空气流主要沿着二者的合科技攻关,就“公路隧道送排式纵向通风、照明技轴线方向运动,因此,可视为一维理想流体连续运术研究及其控制系统开发”等关键技术进行研究笔动者承担了其中的送排式纵向通风流体力学分析不计对于理想流体,流场中流体质点通过空间任意()点的运动要素数学表达式为:即为理想流体微流束的能量方程,即伯努里式()()ρρ(方程p=px、y、z、tv=vx、y、z、t=x、)()y、z、t隧道内实际空气流的能量方程()式中:p流体压力NΠmv流体速度隧道竖井送排式通风系统中,空气流实质上是(ρ())mΠs流体密度kgΠmx、y、z任意具有粘性的,其显示为对空气流流动的阻力为了克t()服这个阻力,必须消耗一部份机械能,而转变为其它时刻空间点的三维坐标t时间s对于隧道及其竖井和送排风道,由于其结构特形式的能量,其中主要为热能()征、壁面温度、风机压力、隧道通风量等在某一时期对于隧道内实际空气流,对式积分,得实际流体总流的能量方程式:内的变化不大,因此,常把隧道内空气流近似地视为γαγα()稳定流,即式中p、v不随时间t变化,只是位置zpvg=zpvgρ的凼数,也不随时间和位置而变化隧道内空气流()hf()作一维运动,且由于vΠs,所以式可近似<m对于隧道通风可近似为囿管流动,理论和实验为:()α证明:式,当囿管流动为层流时=紊流时中()()ρ()p=pxv=vx=constα=~而通风工程中的空气流动,一般都()式表明隧道内空气流的压力p、速度v,只是空α属于紊流,尤其是隧道通风,可不考虑值的修正,气流运动方向即x方向的凼数,密度为常数α即认为=,于是隧道内实际空气流的能量方程根据连续介质特性,流经任意给定断面的流体为:质量,将继续流经其下游的所有断面由于任何理γγzpvg=zpvghf想流体的流动都必须满足连续性方程,即()uxuyuz=xyz式中:z单位重力空气流的位能vg平一维运动中,则为vA=vA戒Q=Qγ均单位重力空气流的动能p单位重力空气()Q=vA=const流的压能h单位重力空气流由一个断面流至f在不可压缩流体的稳定流动中,同一个总流上另一断面时的能量损失,也即空气流流动所受的阻各断面的流量均相同,断面平均流速和断面面积成力反比,断面大的地方平均流速小,断面小的地方平均隧道内空气流的动量方程流速大,断面相等的地方平均流速也相等根据质点系运动的动量定律,作用在流体上的冲量等于流体动量的变化,即有:隧道内空气流的能量方程和动量方()Σ)(Fdt=dK=dMv程Σ()式中:F流体所受到的外力总和NM一维理想流体微流束的能量方程()()()质量kgv速度mst时间sK根据牛顿第二定律,空气流微柱体的流线方向流体的动量力不加速度的关系为:在隧道通风稳定总流中,按一维运动流体考虑)θ(pdAppSdsdAgdmsin=的空气流动量方程为:()dmdvdtΣρ()()F=Qvvθ将sin=zs它表示作用在流体上的冲量等于流体动量的变化vtvdvdt=vtvdssdt=送排式通风系统计算模式vsρdm=dsdA隧道送排式纵向通风系统的设置方式是在隧道()ρ代入式,幵除以dsdA,整理得:()内适当位置设置竖斜井,幵用中隔墙将竖井一分ρ=vtvvspsgzs为二,分别用于排风和送风,排风井和送风井底部各()自对应排风联络风道和送风联络风道()式即为一维理想流体的运动微分方程隧道送排风口间的压力模式ρ在隧道通风中,空气流的密度=const当竖送排式纵向通风送排风口的压力模式如图所井轴流风机正常工作时,隧道中空气流为恒定流动,示()所以式改写为:应用动量方程、连续性方程,分别对送、排风口γγ()vgpz=vgpz分叉流段取空气流隔离体,建立送、排风口的压力图送排风口压力模式)(ΔΔQQQQQQQ=增量P、P计算式如下:reqrreqrbereb()Δ)(QQP=QQKVVereereer短路与串流ρ()Vr在公路隧道送排式纵向通风设计和研究中,应Δβ()P=QQKVcosVbbrbbr解决好竖井底部排风口不送风口间空气流动的两个ρ()QQVbrr技术难题()式中:P排风口升压力NΠmP送eb新鲜空气短路()风口升压力NΠmQ第区段设计风量r由送风口送至隧道后半段的新鲜空气反向流(())=mΠsV第区段设计风速mΠs,Vrr动,进入排风口通过排风井排出地面,称为隧道内气()QAQ第区段设计风量mΠs,Q=rrrr流短路发生气流短路,会造成隧道后半段新鲜空气()QQQV第区段设计风速mΠs,Vberrr不足,影响隧道内行车的舒适性和安全性同时,通()=QAQ排风量mΠsV不Q相应rreee风总阻力H不通风量Q的平方成正比,由此新鲜空()的排风口风速mΠsK排风口的升压动量系e气的串入会导致排风井风量增大,从而导致排风机数K送风口的升压动量系数的功率增加,造成不必要的浪费戒潜在的危险因b此,竖井底部送排风口间不得发生空气流短路现象在隧道后半段设计风量Q、送风量Q一定的rb污柑空气串流隧道前半段中的污柑空气在Δ情冴下,P、K不隧道内设计风速v、送风口风速bbr流经排风口时未被βv及送风夹角有关而当一座隧道一但设计施工b排出而继续流入隧道后半段,这种现象称为污柑空完成,其断面型式和断面积A就确定下来,不能轻r气串流发生污柑空气串流,首先会导致隧道前半段Δ易改变,所以v也是确定的因此,可以认为P、rb污柑空气对隧道后半段造成二次污柑,影响隧道后K跟送风口不隧道汇合形状、新鲜空气喷流方向不b半段内行车的舒适性和安全性同时,还会造成送风隧道轴线夹角等有关相关资料显示,K的取值范b量的增大,增加轴流送风机的功率,幵影响送风机的围一般在~之间,K的取值范围不K相eb安全性,应当避免同工程应用送风量Q与排风量Q的关系be隧道内压力应满足下列条件:隧道气流浓度C可用需风量不设计风量之比()PPPPPbertm()表示,竖井底部的浓度C可按式:计算()式中:P自然风阻力NΠmP交通mt()C=QQreqr()()通风力NΠmP通风阻抗力NΠmr竖井底部气流中的等效新鲜空气量Q可按式sf隧道内所需压力增量P的分析()计算:公路隧道通风压力的计算,不城镇中一般的地()=QQQQQQQereqereqrmfr下工程通风压力计算有所区别,一是因为公路隧道,()隧道出口内侧处的浓度C按式计算:尤其是高速公路隧道在正常营运时,其中高速前进(QQQQQC=QQereqrreqrereq的车流对通风系统有较大影响,但同时由于车流的)()Qb不连续性,这种影响的规律性较难确定二是公路隧式中:Q隧道段需风量Q隧道reqreq道往往修筑在野外山区,自然风对隧道内通风的影段需风量响不小,同理,自然风的方向随机性较大,它的影响()送风量Q不排风量Q可按式计算:也较难确定下面就隧道通风压力计算中几个主要be因素进行分析汽车交通风压力Pt隧道通风阻力Pr隧道内行驶的车辆会带动隧道内空气沿隧道轴隧道通风阻力P的产生是由于空气流流动r向流动,从而引起交通风压力时,空气分子间的内摩擦,空气流不隧道周壁的外摩计算实例擦,隧道内车辆、设备等引起空气流的冲击、漩涡以笔者用上述计算模式对某公路隧道的通风进行及空气流流经路徂方向的改变和断面的变化等因素了计算分析该隧道有关参数为:单向交通,隧道长()而导致的度L=mL=m,L=m,隧道断面自然风阻力P积A=m,断面当量直徂D=m,设计交nrr隧道内自然风流是指在无机械通风的条件下,(通量N=辆Πh,大型车混入率r=A=lm隧道内空气定向流动的一种现象,其主要受隧道外)m,柴油车混入率r=,计算行车速度Vdt自然风压和隧道穿越山体的形态以及隧道内、外温(=kmΠh=mΠs,需风量Q=mΠsQreqreq度差、进出风口的高差这两个因素影响前者引起隧)=,Q=,自然风引起的洞内风速V=reqn道两洞口的超静压差,后者引起进出风口的热位差,β(βmΠs幵取V=mΠs,V=mΠs,=cos=be这两个值之和的大小决定着洞内自然风流的方向),K=,K=be当自然风的方向不机械通风的方向一致时,它表现())按表所列计算需分别列表进行试算通为通风推力当自然风流的方向不机械通风的方向过分析可确定如下诸量:相反时,它表现为通风阻力但因为一年四季中隧道Q=mΠs,Q=mΠs,V=mΠsQerrb所在区域自然风压和风向、隧道内外温差等因素的=mΠs,Q=mΠs,V=mΠsrr不确定性,常常导致洞内自然风流方向的不确定,所ΔΔ(PP==NΠm送排风口be以,在隧道通风计算中,常把自然风压当做通风阻力)提供的升压力,考虑(ΔΔ)表升压力P、P的计算取Q=mΠsebeVrQrρΠVrVΠVerQΠQerΔPeQbQQ=QQQrrberVV=QΠArrrrρΠVrVΠVbrQΠQbrΔPbδΔ=<=<幵验算:QQQQ系数=计算汽车交通风压力P时,考erbr分叉t虑不利情冴,偏于安全,取V=kmΠh=mΠs满足条件tΔδQ=Q==mΠs计算自然风阻力P时,送风口损失系数取=Qsem合流r,自然风引起的洞内风速取V=mΠs=QA==mΠsnVsrrsδλδρρP=LDV即短道内气流存在低速流动r入口rr分叉)V=NΠmΔ段所需隧道内所需压力P应为段和rλδρρ压力之和,即P=LDVrrr合流)(PP=PPP=P=NΠmVrrtmrr()()ρPPPV=P=AAnVttmrtmrtNΠm对于段,出口流量损失为零对于段,入)(Vρ=P=AAnVr口流量损失为零,幵考虑竖井分叉损失,取分叉损失tmrtNΠm<,QΠQ不得新风短路的条件,即QΠQ<erbrλρδδδP=LDm入口合流分叉r新鲜风量必须大于戒等于污柑风量,即CV=NmΠn,C,幵以接近最为经济,根据工程实Δ隧道内所需压力P即为践的经验,可取为=P=)给出了送排风引起的压力增量计算方程、送NΠm排风升压动量系数幵根据排风机和送风机中排送>PPPPP=NΠmbertm风所产生的压力增量之和必须大于戒等于隧道内所=NmΠ需压力增量即PPP的结论,进行了实eb故满足压力条件例计算)送风口不排风口断面积、短道长度)通过送风机、排风机以及汽车活塞作用的组=根据国外工程经验,送风口断面积宜取A合,实现了设计工冴送排风口选用m的间距是合bm左右,排风口断面积不得大于隧道正洞断面理的,避免了新鲜空气短路和污柑空气串流积由前面的计算结果可得=mA参考文献:A=QV=QV==ebbbee魏润柏通风工程空气流动理论M北京:中国建筑=m出版社,满足要求潘文全流体力学基础M北京:机械工业出版社,短道长度从防止回流方面考虑,不得过短从防止短道污柑方面考虑,不宜过长,再综合考虑其它因)(日本道路协会换气编同解说M丸善株式会社,()素如土建结构、风压沿程损失等问题,本例取短道长度ds=m()交通部公路隧道通风照明设计规范JTJS北京:人民交通出版社,结语釐学易隧道通风及隧道空气动力学M北京:中国),推导了公笔者从流体力学的基本理论入手铁道出版社,路隧道送排式纵向通风方式的基本方程,为该通风ECasale,etcTunnelVentilationsystemmodelingAth方式提供了理论支撑InternationalSymposiumonAerodynamicsandVentilationof)提出了一单元送排式纵向通风的关键控制VehicleTunnelsC点及压力平衡模式,即排风口不送风口间的短道内FluiddynamicanalysisandacalculatingmodeloflongitudinalpressuresuctionventilationofhighwaytunnelsWANGXiaowen()SchoolofRiverOceanEngineering,ChongqingJiaotongUniversity,Chongqing,ChinaAbstract:Basedonthehypothesisofidealfluialandthefluiddynamicanalysis,thepaperderivestheenergyequationandmomentumequationofairflowintunnels,analyzestheventilatingresistanceandpressurecalculatingmodel,establishesthebasictheoryoflongitudinalpressuresuctionventilationofhighwaytunnels,proposesthekeycontrolpointandpressurebalancemodelThetheoryandapplicationofextralonghighwaytunnelsventilationareexploredKeywords:fluiddynamicshighwaytunnelsshaftlongitudinalpressuresuctionventilation责任编辑:袁本奎

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