马占海 徐 莹 张锦秋 刘贤鹏 马立刚

(1.河北省高速公路延崇筹建处,张家口;2.河北工业大学,天津)

0 引言

随着我国公路交通网络的不断发展与完善,长隧道、特长隧道的建设和运营愈来愈多。隧道建设规模不断增大,使污染物更易积聚于隧道内,成为影响隧道安全运营的重要因素。因此,通风系统对降低隧道内污染物浓度、保障隧道安全运营十分重要[1-2]。

常见的隧道通风方式有自然通风[3-4]、横向通风[5]和纵向通风[6]。横向通风有全横向和半横向通风2种形式。横向通风需要在隧道内设置道板、吊顶和风井,增加了隧道建设工程量;且通风阻力较大,增大了隧道运营成本[7]。采用射流风机诱导的纵向通风可以有效利用隧道通行车辆产生的活塞风,具有工程造价低、设备简单、使用方便等优点[8-9]。世界道路协会(PIARC)调查发现,所调查的27条隧道中,超过70%采用纵向通风方式[10]。纵向通风已成为公路隧道的主要通风方式[11]。

纵向通风的通风效率取决于射流风机产生空气射流的诱导和升压效应。在实际隧道中,射流风机通常安装于隧道顶壁附近。由于科恩达效应(Coanda effect),导致空气射流吸附于隧道顶板,从而产生较大的壁面剪应力[12],造成动量损失而影响射流风机的升压效应。因此,国内外学者对射流风机的最佳安装参数进行了研究,如射流风机俯仰角[13]、偏转角[11],并取得了诸多研究成果。

JTG/T D70/2-02—2014《公路隧道通风设计细则》[14]规定了射流风机选型和布置部分参数,但并未对参数的推导和影响规律作出解释。本文对公路隧道射流风机布置参数的相关研究进行了综述,从通风射流特性及通风质量评价参数出发,总结了直线与曲线公路隧道射流风机纵向和横断面布置重要参数及其影响规律。其中,风机射流俯仰角和偏转角研究的总结,丰富了JTG/T D70/2-02—2014《公路隧道通风设计细则》的相关内容,可为公路隧道纵向通风射流风机的布置提供参考,有利于隧道运营通风的优化设计和能源节约。

1 通风射流特性及通风质量评价

1.1 通风射流特性

通风射流具有诱导特性和增压特性。隧道射流通风的诱导和升压作用使隧道内气流定向流动,实现隧道通风。

射流风机发出的高速射流受前方隧道气流的阻力作用,致使部分气体沿隧道下部向后流动产生旋涡,射流微团产生的横向脉动与隧道气流进行能量交换,实现对隧道气流的“卷吸”。“卷吸”作用使射流影响范围扩大,流量增加;隧道低速气流的加入,使得射流速度减小,压力上升。直至射流充分发展前,整个隧道气流沿纵向呈现一种渐变的、非均匀的逆压流动。射流充分发展后,伴随流消失,断面速度趋于均匀[15]。图1为隧道内射流风机启动后速度流场分布图[16]。风机启动30 s后,在风机前下方出现明显涡流,如图1a所示;射流充分发展后,隧道内速度形成稳定定向流,如图1b所示。

图1 风机启动后隧道内流场矢量图

射流通风是射流动能转化为势能的过程。在风机工作面末端,断面速度分布均匀,湍动强度趋于稳定,射流风机组升压力最高[17]。单台射流风机的升压力可表示为[14]

(1)

式中 Δpj为单台射流风机的升压力,Pa;ρ为计算点的空气密度,kg/m3;vj为射流风机的出风口速度,m/s;Aj为射流风机出风口面积,m2;Ar为隧道净空断面积,m2;vr为隧道设计风速,m/s;η*为射流风机位置摩擦阻力损失折减系数。

1.2 通风质量评价

为评价隧道通风质量,研究者提出了多种通风质量评价指标,如断面平均风速、风机升压折减系数、空气龄[17-18]。

隧道射流通风中,因隧道断面面积较大,风速分布往往不均匀,通常采用断面平均速度分布对通风射流发展状态进行定量评价。

风机升压折减系数η是衡量风机升压能力的重要指标,部分文献称之为风机升压综合影响系数K,其表达式为

(2)

式中 Δpaj为实际升压力,由实际测量或数值计算得到,Pa。

η或K值越大,表明风机实际升压力值与理论值越接近,风机通风效果越好。王旭等人基于现场实测和数值计算,揭示了海底隧道腐蚀环境下风机升压力衰减机理并建立了风机升压力的计算方法[19]。

空气龄指空气进入空间后经历的时间,能够反映空间内的气体流动模式和通风效果。与之相关的指标有换气率、换气指数等。

2 风机组纵向布置参数

2.1 纵向控制间距理论计算

射流的充分发展是射流风机实现高效通风的重要条件。若风机组纵向间距过小,隧道内尚未形成均匀流速,将会影响下一组射流风机的工作性能[18,20]。为提高隧道射流通风效率,保障射流充分发展与风机的正常工作,射流风机间应保持合理的纵向控制间距。

孙三祥等人提出了风机组纵向控制间距的计算方法[21]。依据射流通风系统的单元流动模式(如图2所示),将风机组的纵向控制间距lmc表示为

图2 射流通风系统的单元流动模式

lmc=lj+lst=lsu+lin+lst

(3)

式中lj为射流风机工作段长度,m;lst为两工作段之间的稳定段长度,m;lsu为吸入段长度,m;lin为诱导长度,m。

依据吸风口的流场特性和试验结果,确定吸入段长度lsu=1.5D,稳定段长度lst≥2D(D为隧道断面当量直径)。

射流诱导长度lin是风机射流主要几何特性的定量描述,其回归方程为

lin=(7.16+62.93α-108.20mβ)D

(4)

式中α为速度比,α=vr/vj;m为断面风机台数;β为面积比,β=Aj/Ar。

风机组的纵向控制间距可整理为

lmc=(9.5+63α-108mβ)D

(5)

2.2 纵向控制间距分析

依据射流风机的流场特征,总结出射流充分发展的风机工作段末端呈现出以下特性[21]：1) 断面气流速度分布均匀;2) 湍流强度趋于稳定;3) 风机工作段末端对应射流最高升压面。因此,射流风机最小纵向间距可通过隧道断面速度、湍流强度和最高升压面位置确定。

杨秀军等人基于射流力学有关原理得出:风机口径、射流风机轴线之间的距离及隧道设计风速影响射流风机组的纵向最小间距;射流风机口径越大,射流纵向充分发展的距离越大。同时,推导了风机组纵向控制间距计算方法;依据射流风机工作段末端特性,确定射流风机工作段的最小距离为110 m,与理论计算解基本相同[17]。

李晓菲等人建立了横断面布置2台射流风机的隧道CFD模型,依据射流风机工作段末端特性,确定了射流风机诱导段长度和风机纵向控制间距,并与式(5)理论解对比,验证了数值分析的准确性[22]。此外,李晓菲等人采用升压综合影响系数K评估了不同射流风机纵向控制间距lmc的通风效果[22],如图3所示。升压综合影响系数K值愈接近1,风机组实际升压力值与理论压力值愈接近,即风机组性能愈佳。由图3可以看出,当风机纵向控制间距为100～115 m时,隧道射流通风效果最好。随着风机纵向控制间距的增大,射流通风效果明显降低。

图3 风机纵向控制间距lmc与升压综合影响系数K关系曲线[22]

Liu等人通过搭建物理模型试验平台,模拟了汾水岭长隧道通风系统,结果表明,所提出的射流风机布置方案能满足短期设计风速需求[1]。

3 风机组横断面布置参数

3.1 风机横向间距

为方便隧道射流风机的管理与维护,在隧道同一断面内通常布置2台或多台射流风机。除风机组纵向控制间距外,射流的诱导和升压效应也受风机横向间距影响。

风机出口处的射流相互卷吸和干扰,直至融合为一股射流,最终与隧道内气流完全混合,形成稳定定向流[16]。双股射流流动特征如图4所示[23],射流融合前的发展区域为会聚区,初始融合点为自由滞点,射流融合后形成联合区,并稳定流动。

图4 双股射流基本流动特征[23]

风机组横向间距过小时,射流横向影响范围小,隧道气流未能通过射流微团产生的横向脉动进行动量与能量交换,不能有效诱导隧道气流[24];同时,自由滞点靠近风机出口,射流纵向影响范围小,射流风机升压力降低。风机组横向间距过大时,风机与隧道侧壁的距离接近,壁面摩擦阻力降低射流动能,射流不能会聚,隧道气流较难达到平稳,射流升压力减小[25]。

方勇等人通过CFD数值模拟计算得出,三车道公路隧道射流风机的横向间距为风机横断面直径的3～4倍时,射流风机升压效果好,此时风机距离变化对升压力的影响较小[26]。徐志胜等人通过比较风机不同横向间距的升压折减系数,确定风机最佳横向间距为3D(见图5),并通过比较不同风机横向间距下隧道内污染物质量分数分布,进一步验证了最佳横向间距布置下射流风机的通风效果[27]。此外,卢毅等人基于数值计算结果,通过分析风机升压折减系数的变化,确定了太湖隧道的射流风机最优横向净间距为2.0D～2.4D[20]。

图5 升压折减系数分布曲线[27]

3.2 风机安装高度

射流风机的通风效果取决于射流在隧道内是否得到充分发展,足够的射流空间是射流充分发展的重要条件。JTG/T D70/2-02—2014《公路隧道通风设计细则》规定,风机安装高度不应侵入建筑限界,边沿与隧道建筑限界净距离应不小于15 cm[14]。为进一步确定风机安装最佳高度,部分学者对风机不同安装高度下的射流通风效果进行了研究。

赵黎等人依据明堂山隧道的结构参数,建立了500 m长隧道的CFD模型,模拟计算了风机安装高度距建筑限界顶部15、30、45、60 cm工况下风机的通风效果[28]。不同风机安装高度下隧道的升压力见表1。可以看出,随着风机距建筑限界顶部距离的增大,风机提供的升压力减小,升压综合影响系数K逐渐减小。

表1 风机安装高度对升压力的影响[28]

同时,随着风机距建筑限界顶部距离的增加,即风机安装高度的增加,出口射流受到隧道拱顶的限制,没有足够的扩展空间。高速气流冲击拱顶和隧道壁面摩擦阻力共同作用导致射流动能大量损失,射流无法推进,风机出口附近风速减小,如图6所示[28]。

图6 不同风机安装高度下出口处速度云图[28]

卢毅等人建立了具有3台横向布置风机的方形截面隧道模型,通过风机轴线速度变化和升压综合影响系数评估了风机安装高度对通风效果的影响。图7为风机轴线速度分布图,图8为风机升压力和升压综合影响系数曲线图。结果表明,风机距隧道顶壁距离越大,出口附近风速越大,风机升压力越大,升压综合影响系数越高。当风机距隧道顶壁距离为1.2D～1.4D时,风机升压综合影响系数为0.887～0.931[20]。

图7 风机轴线剖面速度变化云图[20]

图8 风机距隧道顶壁不同距离时升压力和 升压综合影响系数变化[20]

3.3 风机射流角度

射流风机通常安装于隧道顶部,为减小风机出口处高速气流冲击隧道壁面的动能损耗,部分学者在直线隧道和香蕉型隧道射流风机[29]安装形式的基础上,开展了风机安装角度对隧道通风效果影响的研究,验证了风机射流角度的调整可以有效减弱科恩达效应(Coanda effect)对射流发展的影响[30],从而显著降低通风系统的能耗[31]。

Betta等人采用CFD方法分析了不同风机俯仰角工况的通风效果。图9为射流风机安装角度示意图。最佳俯仰角可以最大限度地减小流动附着引起的压力损失,提高通风效率,节约能源。图10为射流风机不同安装俯仰角下风机平面速度分布云图,可以看出,随着风机安装俯仰角的增大,风机射流趋向于隧道底板。Betta等人比较了风机不同安装俯仰角下隧道顶壁和底板的剪应力,以及推力和推力变化率,确定θ=6°为最佳安装角度。对于交通阻塞工况,风机安装最佳俯仰角为2°～4°[32]。

图9 射流风机安装示意图[32]

图10 不同俯仰角θ下风机平面速度分布云图[32]

吴珂等人基于Fluent数值计算软件,建立了横向布置3台射流风机的隧道模型,分析了风机射流风速为30 m/s时,不同安装角度下的风机升压综合影响系数(见表2)。可以看出:安装角度为0°～11°时,升压综合影响系数逐渐增大;当安装角度大于11°时,升压综合影响系数逐渐减小。这是因为当安装角度为11°时,射流微团与隧道壁面的摩擦阻力损失最小;而安装角度大于11°时,射流风机在出口处形成的旋涡不断增大,导致升压综合影响系数下降。因此,风机最佳安装角度为11°[33]。

表2 不同安装角度下单台风机升压综合影响系数

Zhao等人通过平均空气龄和升压系数确定射流风机的最佳俯仰角。图11为射流风机不同俯仰角下,隧道侧壁纵断面空气龄等高线和流线分布。当射流风机安装俯仰角为7°时,隧道净空空间的平均空气龄较小,升压折减系数最大。因此确定射流风机最佳安装俯仰角为7°[34]。

图11 隧道侧壁纵断面空气龄等高线和流线分布[34]

4 曲线隧道风机安装参数

与直线隧道不同,曲线隧道断面速度分布的不均匀性和隧道壁面的变化使射流扩散过程更加复杂,影响隧道的通风效率。射流的诱导和增压特性在曲线隧道依然存在,但曲线隧道内射流冲击壁面导致射流动量严重损失,射流风机的通风效率降低。适当调整风机安装参数是保证曲线隧道通风效率的有效方法。

王峰等人建立了半径600 m、长度330 m的曲线隧道模型,对比了曲线隧道内风机组横断面及纵向布置方式的通风效果,分析结果表明,并列风机组向隧道内侧移动0.5 m、风机间距2.4 m时,风机折减效率最大为85.2%,曲线隧道风机组纵向诱导距离为90 m[35]。

陈研等人建立了如图12所示的2段曲线隧道CFD数值模型,优化曲线隧道风机组横断面和纵向布置。不调整风机安装位置时,风机射流冲击隧道壁面,隧道内部流场存在大面积低速区,速度分布不均匀,不利于隧道通风。风机间距2D、内侧风机向外偏移D、偏转10°时,隧道射流特性较好,如图13所示。此时,F1和F2区段通风效果较好。图14为隧道平面静压分布图。射流在风机下游100 m发展稳定,据此确定F1和F2区段风机纵向间距为100 m适宜[37]。

图12 数值模型示意图[37]

图13 内侧风机向外偏移D、偏转角度10°时 隧道内空气射流特性[37]

图14 隧道断面平均静压分布[37]

Chen等人采用CFD数值模拟方法,对隧道内流场、升压折减系数和壁面剪应力进行了对比分析,确定了300 m长弯曲隧道内射流风机的最优安装位置。当射流风机向隧道凸壁面侧移0.5 m或向凸壁面水平倾斜3°时,气流附壁效应增强,射流纵向影响范围扩大[38]。

5 结论与展望

隧道纵向通风中,射流风机的布置参数对射流的发展特性有较大影响,进而影响隧道通风效果。本文对公路隧道射流风机布置参数相关研究进行综述,得到如下结论:

1) 射流风机组纵向控制间距可通过理论计算或数值模拟分析确定;风机口径、风机轴线间距、隧道设计风速等因素影响风机组纵向控制间距。

2) 风机组横向间距过小和过大时,风机升压力均较小,通风效率差。

3) 在建筑限界范围内,风机安装在距隧道顶壁距离较大位置,可有效避免射流冲击顶壁造成的动能损失,提高通风效率。

4) 随着风机安装俯仰角的增大,射流趋向于隧道底板;风机安装最佳俯仰角的确定可以有效减小流动附着引起的压力损失,提高通风效率。

5) 曲线隧道风机组的偏移位置和偏转角度影响隧道通风效率;隧道曲率影响风机偏移和偏转量。

目前,JTG/T D70/2-02—2014《公路隧道通风设计细则》中尚无射流风机安装俯仰角及曲线隧道风机偏移位置、偏转角度的相关规定。建议射流风机布置时考虑以上因素,以提高射流风机通风效率。

实际工程中,隧道通风系统的性能受诸多因素影响,如坡度、自然风[39]。射流风机安装参数研究的实验和仿真工况多为理想工况,与隧道内射流风机的实际通风效果存在差异。例如,山区等多风区域的隧道通风系统会受到不同速度的自然风的影响。因此,应在今后的研究中进一步将隧道实际环境参数作为风机安装参数研究的初始条件,以得到更为接近真实工况的研究结果。

受地形等多种因素影响,不同隧道的结构和通风系统设计存在较大差异。现有风机安装参数的研究多具有针对性,难以直接推广应用于其他隧道。因此,建立风机安装参数与隧道结构、通风评价指标的参数化关系,有利于简化隧道通风系统设计,提高隧道通风效率、节约能源。