作者：郑晓敏
在长大隧道设计通风方案时，经常考虑使用射流风机。长大隧道交通量较大，发生火灾的概率变大，正常工况下，考虑机动车排出的热量和隧道内的照明等，隧道内气温会升高。本文主要针对风机出口风速一定，在射流风机人口前端发生火灾，风机出口温度瞬时升高的情况下，隧道内的气体温度场，分析射流主体段温度对风机组纵向控制间距的影响。具体以第一组风机（距隧道入口52 m）为例，应用Fluent软件模拟进行隧道温度场模拟分析。
1 风机射流特性参数
1.1风机组纵向控制间距
合理的风机纵向间距，是射流产生最佳通风效应的保证。通风效果主要取决于射流风压、风速，同时也与风机进口的吸人段长度及纵向间距有关，完善的吸人段和发展段是风机正常工作的必要条件，也是良好通风效果的保证。一般射流风机纵向间距按照80～120 m控制。射流通风系统单元流动模式见图1。
影响射流诱导段长度的主要因素通常采用模型试验或现场测试确定。射流风机出口风速、风机尺寸、布置参数（同组风机间距、壁面距）对射流诱导段长度均有影响，这些因素的影响已有理论及试验研究成果，但风机出口不同射流温度对诱导段的影响目前未见研究报道。式(2)未考虑射流温度对诱导段长度的影响。
2 数值模拟及分析
2.1几何模型
以实际隧道尺寸建立几何模型，长度500 m，坡度+2.58%。断面高度7. 15 m，宽度10. 05m。风机入口距52 m，同组风机间距离2m，风机中心距底部6 m。风机长4.7 m，直径1.0 m。隧道断面面积64.07n2，当量直径8.18 m，见图2。
2.2 网格的建立
在数值计算模拟中网格划分的好坏对计算的准确性和收敛性非常重要。划分流速剧烈的地方网格划分密集才能确保精确度。因为射流风机出口温度变化剧烈网格要密集，本文需要对风机和隧道2部分进行网格的划分。风机进出口及表面采用Quad-Pave四边形网格，网格间距为0.3 m，隧道内部空间网格划分运用Tet/Hybrid（四面体／混合网格），网格间距0.5 m，网格总数为1 905 612。
2.3边界条件
设隧道入口为速度入口边界条件，风速为3m/s，温度为294 K，假定没有垂直于人口的分速度。隧道出口设为压力出口，相对压力为O，温度为294 K。射流风机入口和出口均设为速度入口，速度大小为30 m/s，入口温度为294 K，出口温度分别为299，307，314，322，329 K。风机壁面及隧道壁面设为壁面边界条件。忽略气体因粘滞力的影响，隧道内气体可看作是不可压缩气体。
2.4求解器的设置
流体的计算采用RNG k湍流模式。速度、压力、温度求解器均采用三对角矩阵法( TD-
VIA)，设置速度、压力、温度收敛准则均为10-4。壁面粗糙度设为0. 025，各个相关参量的松弛因子为0.5。打开控制温度的能量方程，其余设置为默认。
3 网格无关的数值解
为了获得与网格无关的数值解，在网格形式不变的情况下，选取1种工况进行网格无关的数值解分析。当风机出口温度为329 K时，分别在网格数为913 202，1 611 586，1 905 612和2 073 662的网格上进行模拟计算，图3为由风机出口(52 m)至距隧道入口140 m风机轴线温度分布图。
由图3可知，当网格数为1 611 586时，显然已经达到网格无关性要求。本文5种工况均在网格数为1 905 612的情况下进行模拟，计算精度较高。
4温度场模拟分析
为了能够更准确地分析出口温度越高，纵向控制间距越短的温度场状况，在距隧道入口140m范围内，应用Fluent软件计算隧道多个断面的平均温度，选取24个具有代表性的隧道横断面平均温度进行分析，见图4。
由Fluent数值计算可得，5种工况下隧道人口至风机出口均为52 m时，隧道横断面平均温度不变，均为294 K。图4结果表明：①各工况由风机出口至距隧道入口140 m范围内，隧道横断面温度变化趋势一致。由风机出口处先急剧增大，然后缓慢下降，再缓慢上升到最大值。各工况隧道横断面平均温度最大值均在均匀流段，为395. 12，296. 92，298.5，300.3，301. 87 K；②距风机出口17 m范围内，隧道横断面平均温度缓慢上升。高温急速的射流与隧道内气体相互混掺使得断面平均温度上升；③在距隧道入口95 m左右，温度越高曲线波动也越大，表明射流在95 m左右产生严重的负压，出口温度越高回流现象越严重，严重的回流会消耗大量的能量，导致诱导段的长度变短，同时污染物也不易排出；④风机出口温度越低，曲线越稳定，有利于射流气体的充分发展；⑤风机出口温度越高，诱导段的距离越短。应用Fluent模拟计算可得，5种工况温度由低到高诱导段的长度为64，63，61.5，61，60 m，比理论值小。
由图5可知：①风机出口轴线温度沿程衰减。射流出口温度越高，风机轴线纵向温度波动越明显，隧道内气流组织的扰动越剧烈；②风机出口温度为299，307，314，322，329 K时，射流诱导段的长度约为64.5，61，59.5，52，50 m，与由隧道横断面平均温度分析得出的结论一致。表明温度越高越不利于隧道内气流组织的发展；③距隧道入口约115 m后，风机轴线温度趋于稳定，隧道内温度均匀，气流组织进入均匀流段；④在诱导段风机出口温度越低曲线越平缓，风机出口气体温度会与温度较低的伴随流进行卷吸作用，同时也发生动量交换和质量交换使得风机轴线温度会缓慢下降。在诱导段末端，温度越高曲线波动越剧烈，表明回流现象越明显。强烈的回流会影响射流风机的射流效果。
风机出口不同射流温度情况下，隧道温度场模拟结果表明，风机出口温度越高诱导段的长度越短。因此使得风机纵向控制间距减小，串联风机组数增多，投入增大。
5结论
(1)5种不同射流送风温度，隧道内同一高度水平面温度分布均匀对称，且沿隧道射流方向迅速降低。
(2)射流风机出口温度越低，风机射流出口气流组织发展持续距离越长，纵向控制间距越长。射流风机出口温度越高，诱导段末端回流严重，导致诱导段的长度变短，影响诱导段气流组织的发展，从而纵向控制间距变短。
(3)隧道环境温度为294 K，控制影响诱导段长度的其他因素。射流风机出口温度为299，
307，314，322，329 K时，诱导段长度缩短4%～10%。
6摘 要依托公路隧道实际工程，运用FLUENT软件，采用RNG肛e湍流模型，模拟分析了射流风机出口风速为30 m/s时，针对第一组风机(距隧道入口52 m)前端发生火灾，不同送风温度对隧道内温度场的影响。模拟结果表明，当风机出口温度为299，307，314，322，329 K时，诱导段的长度分别缩短4%～10%。射流温度越高回流现象越明显，不利于诱导段气流组织的发展，风机纵向控制间距相应变大，从而影响了射流效率。研究结果为隧道内风机纵向控制间距的优化提供一定的理论依据。
下一篇:返回列表
