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雪峰山隧道通风数值模拟计算研究.doc.doc

雪峰山隧道通风数值模拟计算研究.doc

恋爱学长的猫
2017-09-17 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《雪峰山隧道通风数值模拟计算研究.docdoc》,可适用于战略管理领域

雪峰山隧道通风数值模拟计算研究doc雪峰山隧道通风数值模拟及方案比选研究万剑平甘建国罗卫华仇玉良章玉伟(湖南省交通科学研究院邵怀高速公路建设开发有限公司长安大学)摘要:介绍了网络通风系统仿真软件~对单座斜井送排式通风方案和左右洞三斜(竖)井联合送排式通风方案进行了通风数值模拟计算并对两方案进行了比较分析。关键词:隧道通风数值模拟方案比选工程概况邵阳至怀化高速公路是国家重点建设的“五纵七横”国道主干线中上海至瑞丽高速公路中的一段~是我国中西部地区交通运输的大通道~该项目是“十五”国家公路建设重点工程之一。雪峰山隧道是本路段的控制工程~位于邵阳和怀化两市交界的山区~隧道按左右洞分别设计~其中洞口段净间距米左右。洞身埋地段净间距米左右~单洞长约公里~最大埋深米。隧道所经地区属中亚热带季风湿润气候~具有明显的季节性特征~气候温和、四季分明、热量充足、雨量集中、春温多变、夏秋多旱、严冬期短、暑热期长。全年降雨量大于毫米~雨季多集中在四、五、六月份~约占全年降雨量的,。网络通风系统仿真软件简介决定软件的功能关键因素在于仿真算法的优劣和数学模型的适应性。本研究选用通风网络算法~将通风系统简化为“节点”、“支路”等系列“元素”~通过“串联”、“并联”、“角联”等概念自由组合通风方式~使得编制的仿真程序适应性非常强~可模拟任何形式的通风组合系统。同时~该程序的数学模型建立在流体学基本定律基础之上。从而可实现不同交通量、不同车速、不同外界环境条件等各种工况组合下的通风仿真计算。隧道通风网络由表示隧道通风系统内各风流路线及其分合关系的网状线路图与其赋权通风参数组成。隧道通风网络图有两大优点:首先它可以清晰地表示出隧道各段、各竖井,也可为斜井和平峒,及连接风道风流的相互关系,其次由于它不反映各风流的平面和空间位臵~也不反映风路的实际形状~从而可以避开实际各通风段、竖井及连接风道的空间位臵关系~因而更便于分析和解算通风问题。网络数学模型建立仿真程序采用目前被广泛采用的斯考德恒斯雷迭代法~数学模型建立过程如下:nQ,节点风流连续方程即风量平衡定律式:,ijj,回路风压平衡方程)不含通风动力,包括自然风压、风机和交通通风力,的回路方程即风压平衡定律式nf=,P,i,ijj,)对含通风动力,自然风压或风机或交通通风力,的回路方程即风压平衡定律式nnnnf=,i=~~~……m,,P,H风机,H自,H交通,i,,,,ijijijij,,,,jjjj要解n条分路的自然分风量~则必须建立n个独立方程~其中回路风压平衡方程为m个独立方程~节点风流连续方程为j个独立方程。则有:n=mj为要简化求解此n个方程~可首先设定n个分路分量Q,j=~~~……n,~j务必满足节点风流连续方程~将其作为初拟风量信息输入~让计算机逐次迭代计算~即逐一解算m个下列方程:fi,q,,innn,,H,,H风机交通ijijRQ,,,,,ijij,Q,Q,,,jjjijijn,,H风机ij式中:回路内各风机在相应边上风量点的斜率,,,Q,jijn,,H交通ij回路内各交通风压在相应边上风量点的斜率,,,Q,jijR回路内各相应边的风阻,ijQ回路内各相应边的风量。ij,q计算机算出第i个回路的后~立即对该回路的各个分路的风量Q作如下iji改正:(k)(k)(k)QQ=,qijiji(k)(k)QQ式中、i回路j分支第k次和第k次风量,ijij(k)第i个回路第k次风量修正值。,qi,q接着再计算i个回路的~又立即改变该回路的各个分路的风量。这i就是说~迭代计算中施加类似赛德尔迭代技巧~更能加快收敛。依此逐回路、逐,q,q轮次计算~一直到某一轮计算中值中最大者小于原定误差为止~即:imaxEPS,qmax式中EPS设定解算误差~一般取即可。隧管通风阻力模型隧管本身具有的通风阻力可分为二类~一类被称为沿程阻力~由于克服沿流程摩擦阻力而造成的风流能量损失被称为沿程阻力损失,另一类则称为局部阻力~由于克服风流局部边界急剧改变引起的风流能量损失则称为局部阻力损失。沿程阻力损失和局部阻力损失计算公式可写成:hhf,LvL,,,,,,,,hvQRQhQRQ,,,,,,,,,,ffdAA,式中:沿程阻力系数~无因次,局部阻力系数~无因次,,流体密度~Kgm,,隧管中流体的平均速度~ms,vA隧管过流截面面积~m,L隧管长度~m,隧管过流截面湿周~m,,隧管过流截面流量~ms,QR隧管沿程风阻系数,fR隧管局部风阻系数。,通风支路阻力损失h计算公式可写成:inm,,,,h,hhQ,RQ,,ifj,kii,,jk,,ii式中:通风支路编号~=~~……,ijjj通风支路中第段隧管~=~~……n,kkki通风支路中第个隧管局部突变~=~~……m,iR通风支路风阻系数,i由于隧管的长度、截面积、湿周对于建成的隧道是固定不变的,当流体的运动进入完全紊流状态时~沿程阻力系数仅取决于隧管内壁的相对光滑度~一定时间内是不变的~故沿程阻力系数可视为常数,局部阻力系数的主要差别在于不同类型的局部阻力具有不同局部阻力系数~在具体条件下是确定不变的常数,空气密度随空气温度、湿度、气压的变化而变化~但隧道内空气密度变化不大~也可视为常量。所以通风支路风阻系数也为常量。通风机风压风量曲线模型单台轴流风机风压风量曲线,HQ曲线,的数学表达式~常用曲线拟合的方法获得。在HQ曲线上选取足够点数的H、Q值~用最小二乘法拟合多项式~ii通式可写成:N,H,bbQbQ??bQfn解算出系数、、~风机特性曲线的数学表达式也就确定了。b??bbbn多台风机并联的特性曲线的数学表达式~只需按相同风压各风机风量相加的原则~对HQ曲线所选点的H、Q值进行计算~再用最小二乘法拟合多项式~ii即可。对于固定安装角下、转数一定的通风机~产生的体积流量无论在任何海拔高度上都是不变的~即:Q=Q而风压随海拔高度的增加而降低~即于空气的密Z,z度成正比~得:H=H=kHzz,式中:H通风机在海拔高度Z米处产生的全压~P,zaH通风机在海平面产生的全压~P。a交通风压模型根据现行《公路隧道通风照明设计规范》关于交通风风力的计算公式:,,AAmmH,n,(,,),n(,,)ttr,t,r()()AArr式中:H交通通风力~Nm,tA汽车等效阻抗面积~m,mAr隧道通风面积~m,,r隧道内风速~ms,,,t()r与同向的各工况车速~ms,,,t(,)r与反向的各工况车速~ms,n,r与同向的车辆数,将上式改写成通风支路的交通通风力公式:AA,,mimiH,n(Q,Q),n(QQ),TQ,Q,TQQtiitirii,ti,riitirii,ti,ri()()()()AAririQQ,A,A式中、为、。ti()ti(,)ti()riti(,)ri自然风力模型隧道自然风形成的原因~就是洞内空气与外界发生了热能或其他形式能量的交换而促使空气做功~以克服隧道通风阻力~维持空气流动。按流体静力学公式~隧道两洞口的空气压差:dp,,dz式中:两洞口气压差~P,dpadz两洞口高差~m,,空气密度~kgm,取决于空气状态变化过程~即与高程、压力、温度等有关。就一般隧道而言~可近似认为属等容过程~可视为常量~积分上,式有:H,,Z,,Znll式中:、洞口空气的平均密度~kgm~,,lP,,PT按计算,压力按毫米汞柱代入~按绝对温度代入~洞内T空气相对湿度为。进风口的气温可取该处地表的月平均气温~出风口的气温可按该处岩体温度减去计算。作为水平洞的隧道~现行《公路隧道通风照明设计规范》中考虑到其他自然原因产生的自然风压~在隧道内引起的洞内风速ms~则自然通风阻,,,n力按下式计算:,,,L,,H,,,,nne,,Dr,,式中:,、隧道局部、沿程阻力系数,,erL、D隧道长度、断面当量直径~m。r上述两种自然风力的描述~前者适合用于隧道通风模拟的各种工况~它表明了隧道外界条件变化对隧道内自然风力的影响,后者适合用于隧道通风规划~仅是作为一种影响因素加以考虑~未能反映外界气候条件对隧道内自然风力产生的作用~但可以作为一种验算加以考虑。在通风模拟中~将自然风力施加在洞口上或各支路中。则有:,,L,i,,H,Q,,iH,,,Z或nieiniii,,DAriri,,H式中:支路自然风力~P,ani,支路中空气平均密度~kgm,i,Z支路两端高差~m,i支路局部阻力系数,,ei支路长度~m,Li支路断面当量直径~m,DriAri支路断面面积~m,QI支路断面流量~ms。运营通风系统仿真计算及方案比选与优化单座斜井送排式通风方案研究方案概况及基本数据方案平面示意图如下:单座斜井送排式通风方案平面示意图隧道基本计算参数v计算行车速度:,kmh,t隧道断面积:A,m,rD隧道断面当量直径:,m,r隧道摩阻力系数:λ,,rA大型车混入率:,,~,,m,,lm风流密度:ρ=kgm隧道各段需风量近期设计年限左、右线隧道各段需风量表年左线左线右线右线长度,m,需风量ms控制因素行车速度kmh行车速度kmh稀释异味需风量稀释异味需风量远景期设计年限左、右线隧道各段需风量表年左线左线右线右线长度,m,需风量ms控制因素行车速度kmh行车速度kmh行车速度kmh行车速度kmh网络计算模型将实际工程模型转化为通风网络模型~左、右线通风网络模型图相同。左、右线通风网络模型图计算与分析由左、右线隧道各段需风量表~可知左线隧道近、远期需风量控制行车速度均为kmh~故计算车速取kmh,右线隧道近期需风量控制因素是稀释异味~从风机配臵的角度~出于减小交通风作用的不利因素考虑~近、远期计算车速均计算车速取kmh。由于开始配机功率未知~风机的型号大小均未知~这样含有风机支路风阻系数难定。参考湖南省交通科研院数据~可以考虑在相邻风机支路的前后两支路加局部损失系数~以抵消风机前后段及风机自身阻力~此局部损失系数可取~经验算此做法合适。自然风压的取值参考湖南省交通科研院。分别计算出左、右线在远景设计年限交通量情况下所需风机功率。竖,斜,井送排风口短道内的窜流风量~首先按Q=ms。解算得左、右线年各段计算结果如下所示:左线年风网各支路风量风向图左线隧道风速分布图左线隧道浓度分布图右线年风网各支路风量风向图右线隧道风速分布图右线隧道浓度分布图左、右线隧道段所需风量和实际风量表隧道分支左线左线右线右线所需风量,ms,实际风量,ms,由以上风速图和浓度图可知~隧道各分支风速、浓度均满足要求。雪峰山隧道断面较大~建筑限界至拱顶空间充裕~适合大型射流风机安装。这里选用推力大、功效高、噪音低的HOWDENAPR型kW单向射流风机作为计算样本~有Q=ms、v=ms、静推力N。为节省供jj配电设施和便于射流风机管理~本设计暂定每一隧道断面拱顶平行吊装台~取η=~得左洞ΔP=Nm~右洞ΔP=Nm。风机结果表如下:jj风机配机功率表射流风机远景设计年限风量所需升压电机功率邵阳~斜井左斜井~怀化合计轴流风机风量风机全压电机功率送风机斜井排风机线合计左线总计射流风机风量所需升压电机功率右邵阳~斜井斜井~怀化合计轴流风机风量风机全压电机功率排风机斜井线送风机合计右线总计左、右线共计对照上面风机功率表~不难发现有的隧道段射流风机所需升压为负~而且数据很大。这是由于行车速度ms导致交通风压力很大的缘故~左线邵阳~斜井隧道段所需升压Nm~右线斜井~怀化隧道段所需升压Nm。说明这两段的交通风压力还没有充分利用~为充分利用这一点~可以增加短道窜流量~减少竖井排风量。对左线隧道短道窜流量调整为Q=ms、Q=ms,对右线隧道短道窜流量调整为Q=ms、Q=ms。下面就调整后这四种情形进行计算。)左线窜流量调整为Q=ms时~年各段计算结果如下所示:左线年风网各支路风量风向图左线隧道风速分布图左线隧道浓度分布图由以上风速图和浓度图可知~隧道各分支风速、浓度均满足要求。风机结果表如下:左线风机配机功率表射流风机远景设计年限风量所需升压电机功率邵阳~斜井斜井~怀化左合计轴流风机风量风机全压电机功率送风机斜井排风机合计线左线总计比较短道窜流量Q=ms风机配臵功率表~左线总需功率减少千瓦(=kW)。)左线窜流量调整为Q=ms时~年各段计算结果如下所示:左线年风网各支路风量风向图图左线隧道风速分布图图左线隧道浓度分布图由上风速图和浓度图可知~隧道各分支风速、浓度均满足要求。风机结果表如下:左线风机配机功率表射流风机远景设计年限风量所需升压电机功率邵阳~斜井左斜井~怀化合计轴流风机风量风机全压电机功率送风机斜井排风机线合计左线总计比较短道窜流量Q=ms风机配臵功率表~左线总需功率减少千瓦(=kW)。)右线窜流量调整为Q=ms时~年各段计算结果如下所示:右线年风网各支路风量风向图右线隧道风速分布图右线隧道浓度分布图由上风速图和浓度图可知~隧道各分支风速、浓度均满足要求。风机结果表如下:右线配机功率表射流风机风量所需升压电机功率右邵阳~斜井斜井~怀化合计轴流风机风量风机全压电机功率斜井排风机线送风机合计右线总计比较短道窜流量Q=ms风机配臵功率表~右线总需功率减少千瓦(=kW)。)右线窜流量调整为Q=ms时~年各段计算结果如下所示:右线年风网各支路风量风向图右线隧道风速分布图右线隧道浓度分布图由上风速图和浓度图可知~隧道各分支风速、浓度均满足要求。风机结果表如下:右线风机配机功率表射流风机风量所需升压电机功率右邵阳~斜井斜井~怀化合计轴流风机风量风机全压电机功率排风机斜井线送风机合计右线总计比较短道窜流量Q=ms风机配臵功率表~右线总需功率减少千瓦(=kW)。经过优化调整得出远景年限交通量下风流分配的最佳形式~风机结果如下表:风机配机功率表射流风机远景设计年限风量所需升压电机功率邵阳~斜井左斜井~怀化合计轴流风机风量风机全压电机功率送风机斜井排风机线合计左线总计射流风机风量所需升压电机功率右邵阳~斜井斜井~怀化合计轴流风机风量风机全压电机功率排风机斜井线送风机合计右线总计左、右线共计对比左线短道窜流量Q=ms、右线短道窜流量Q=ms风机配臵功率表~经调整后左、右线总需功率减少千瓦(=kW)~减幅达。左右洞三斜,竖,井联合送排式通风方案研究方案概况及基本数据左、右线斜,竖,井位臵、几何尺寸均按中交二院报告所给出。方案平面示意图如下:左右洞三斜(竖)井联合送排式通风方案平面示意图隧道基本计算参数计算行车速度:,kmh,vt隧道断面积:,m,Ar隧道断面当量直径:,m,Dr隧道摩阻力系数:λ,,大型车混入率:rA,,~,,m,,lm风流密度:ρ=kgm隧道各段需风量远景设计年限左、右线隧道各段需风量表年左线左线左线右线右线长度,m,需风量ms行车速度行车速度行车速度行车速度行车速度控制因素kmhkmhkmhkmhkmh近期设计年限左、右线隧道各段需风量表年左线左线左线右线右线长度,m,需风量ms行车速度行车速度行车速度行车速度行车速度控制因素kmhkmhkmhkmhkmh网络计算模型将实际工程模型转化为通风网络模型,以下仅给出左线~右线同前,。左线通风网络模型图计算与分析由左、右线隧道各段需风量表~可知左线隧道近、远期需风量控制行车速度均为kmh~故计算车速取kmh,右线隧道近、远期计算车速按不利状态均取kmh。由于开始配机功率未知~风机的型号大小均未知~这样含有风机支路风阻系数难定。风机支路风阻系数的计算同样采用在相邻风机支路的前后两支路加局部损失系数~以抵消风机前后段及风机自身阻力~此局部损失系数可取~经验算此做法合适。自然风压的取值参考湖南省交通科研院。分别计算出左、右线在远景设计年限交通量情况下所需风机功率。首先隧道各段的实际风量按湖南省交通科研院报告中设计风量取值。可得左、右线年各段计算结果如下所示:左线年风网各支路风量风向图左线隧道风速分布图左线隧道浓度分布图右线年风网各支路风量风向图右线隧道风速分布图右线隧道浓度分布图远景期设计年限左、右线隧道各段所需风量和实际表年左线左线左线右线右线长度,m,所需风量ms实际风量ms由以上风速图和浓度图可知~隧道各分支风速、浓度均满足要求。射流风机仍选用推力大、功效高、噪音低的HOWDENAPR型kW单向射流风机作为计算样本~左洞ΔP=Nm~右洞ΔP=Nm。jj风机结果表如下:风机配机功率表射流风机远景设计年限风量所需升压电机功率邵阳~斜井斜井~竖井左竖井~怀化合计轴流风机风量风机全压电机功率斜井送风机排风机竖井送风机线排风机合计左线总计射流风机风量所需升压电机功率邵阳~斜井右斜井~怀化合计轴流风机风量风机全压电机功率斜井排风机线送风机合计右线总计左、右线共计对照上面风机功率表~不难发现左线隧道段射流风机所需升压为负~而且数据很大。这是由于行车速度ms导致交通风压力很大的缘故~左线邵阳~斜井隧道段所需升压Nm~说明此段的交通风压力还没有充分利用~为充分利用这一点~可以增加短道窜流量~减少竖井排风量。右线斜井~怀化隧道段所需升压Nm~可以考虑减小射流风机所需升压、增加排风机风压,也可以增加射流风机所需升压、减小排风机风压~最终目的是达到最佳的经济效益。对左线隧道相关短道窜流量调整为Q=ms、Q=ms、Q=ms,对右线隧道上表中短道窜流量取Q=ms~隧道短道窜流量下调空间不大~这里增加短道窜流量~取Q=ms同Q=ms进行比较。下面就调整后这四种情形进行计算。)左线窜流量调整为Q=ms时~年各段计算结果如下所示:左线年风网各支路风量风向图左线隧道风速分布图左线隧道浓度分布图由以上风速图和浓度图可知~隧道各分支风速、浓度均满足要求。风机结果表如下:左线风机配机功率表射流风机远景设计年限风量所需升压电机功率邵阳~斜井斜井~竖井左竖井~怀化合计轴流风机风量风机全压电机功率斜井送风机排风机竖井送风机线排风机合计左线总计比较短道窜流量Q=ms风机配臵功率表~左线总需功率减少千瓦(=kW)。)左线窜流量调整为Q=ms时~年各段计算结果如下所示:左线年风网各支路风量风向图左线隧道风速分布图左线隧道浓度分布图由以上风速图和浓度图可知~隧道各分支风速、浓度均满足要求。风机结果表如下:左线配机功率表射流风机远景设计年限风量所需升压电机功率邵阳~斜井斜井~竖井左竖井~怀化合计轴流风机风量风机全压电机功率斜井送风机排风机竖井送风机线排风机合计左线总计比较短道窜流量Q=ms风机配臵功率表~左线总需功率减少千瓦(=kW)。)左线窜流量调整为Q=ms时~年各段计算结果如下所示:左线年风网各支路风量风向图左线隧道风速分布图左线隧道浓度分布图由以上风速图和浓度图可知~隧道各分支风速、浓度均满足要求。风机结果表如下:左线风机配机功率表射流风机远景设计年限风量所需升压电机功率邵阳~斜井斜井~竖井左竖井~怀化合计轴流风机风量风机全压电机功率斜井送风机排风机竖井送风机线排风机合计左线总计比较短道窜流量Q=ms风机配臵功率表~左线总需功率减少千瓦(=kW)。)右线窜流量调整为Q=ms时~年各段计算结果如下所示:右线年风网各支路风量风向图右线隧道风速分布图右线隧道浓度分布图由上风速图和浓度图可知~隧道各分支风速、浓度均满足要求。风机结果表如下:右线配机功率表射流风机风量所需升压电机功率右邵阳~斜井斜井~怀化合计轴流风机风量风机全压电机功率斜井排风机线送风机合计右线总计比较短道窜流量Q=ms风机配臵功率表~右线总需功率增加了千瓦(=kW)。由此可见增加短道窜流量~射流风机功率增加量远大于排风机功率减少量。经过调整得出左、右线远景年限交通量下风流分配的最佳形式~风机结果如下表:风机配机功率表射流风机远景设计年限风量所需升压电机功率邵阳~斜井斜井~竖井左竖井~怀化合计轴流风机风量风机全压电机功率斜井送风机排风机竖井送风机线排风机合计左线总计射流风机风量所需升压电机功率右邵阳~斜井斜井~怀化合计轴流风机风量风机全压电机功率斜井排风机线送风机合计右线总计左、右线共计对比左线短道窜流量Q=ms、右线短道窜流量Q=ms风机配臵功率表~经优化调整后左、右线总需功率减少千瓦(=kW)~减幅。方案比较通过优化后~左、右线风机配机功率与原来相比有所减少~其中单座斜井送排式通风方案左、右线总需功率减少千瓦(=kW)~减幅达。优化后具体风机配机功率如下:两方案配机功率对照表单斜井方案三竖(斜)井方案射流风机射流风机远景设计年限电机功风量所需升压电机功率风量所需升压率邵阳~斜井斜井~竖井左竖井~怀化合计轴流风机轴流风机电机功风量风机全压电机功率风量风机全压率送风机斜井排风机送风机竖井线排风机合计左线总计射流风机射流风机电机功风量所需升压电机功率风量所需升压率右邵阳~斜井斜井~怀化合计轴流风机轴流风机电机功风量风机全压电机功率风量风机全压率排风机斜井线送风机合计右线总计左、右线共计以上结果表明两方案装机总功率相差不大~单座斜井送排式通风方案比左右洞三斜,竖,井联合送排式通风方案多千瓦,=kW,。结论()单斜井方案左线隧道内最大风速ms~右线隧道内最大风速ms~三竖,斜,井方案左线隧道内最大风速ms~右线隧道内最大风速ms。两方案均能满足远期运营通风要求。()单斜井方案左线远景设计年限,高峰小时交通量辆h,隧道内风速较大~对远景最大适应交通量,辆小客车h车道,的适应性差。而三竖,斜,井方案隧道内风速较小~对远景最大适应交通量的适应性强~且装机有近KW的余量。()单斜井方案左线隧道正常运营阶段,车速kmh,~加大短道窜流量至ms可减小排风道损失~有利于减小风机功率~节省运营电费。右线隧道控制车速kmh时~加大短道窜流量至ms亦有利于减小风机功率。,()三竖,斜,井方案左线隧道正常运营阶段,车速kmh,~加大斜井短道窜流量至ms可减小排风道损失~有利于减小风机功率~节省运营电费。右线隧道出口段较长~加大短道窜流量不利于节能。()单座斜井送排式通风方案比左右洞三斜,竖,井联合送排式通风方案多千瓦,=kW,。

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