雪峰山隧道通風(fēng)數(shù)值模擬及方案比選研究

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1、雪峰山隧道通風(fēng)數(shù)值模擬及方案比選研究摘要：介紹了網(wǎng)絡(luò)通風(fēng)系統(tǒng)仿真軟件，對單座斜井送排式通風(fēng)方案和左右洞三斜（豎）井聯(lián)合送排式通風(fēng)方案進(jìn)行了通風(fēng)數(shù)值模擬計(jì)算，并對兩方案進(jìn)行了比較分析。關(guān)鍵詞：隧道通風(fēng)數(shù)值模擬方案比選1工程概況邵陽至懷化高速公路是國家重點(diǎn)建設(shè)的“五縱七橫”國道主干線中上海至瑞麗高速公路中的一段，是我國中西部地區(qū)交通運(yùn)輸?shù)拇笸ǖ溃擁?xiàng)目是“十五”國家公路建設(shè)重點(diǎn)工程之一。雪峰山隧道是本路段的控制工程，位于邵陽和懷化兩市交界的山區(qū)，隧道按左右洞分別設(shè)計(jì)，其中洞口段凈間距20米左右。洞身埋地段凈間距35米左右，單洞長約7公里，最大埋深

2、850米。隧道所經(jīng)地區(qū)屬中亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候，具有明顯的季節(jié)性特征，氣候溫和、四季分明、熱量充足、雨量集中、春溫多變、夏秋多旱、嚴(yán)冬期短、暑熱期長。全年降雨量大于1300毫米，雨季多集中在四、五、六月份，約占全年降雨量的50％。2網(wǎng)絡(luò)通風(fēng)系統(tǒng)仿真軟件簡介決定軟件的功能關(guān)鍵因素在于仿真算法的優(yōu)劣和數(shù)學(xué)模型的適應(yīng)性。本研究選用通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)算法，將通風(fēng)系統(tǒng)簡化為“節(jié)點(diǎn)”、“支路”等系列“元素”，通過“串聯(lián)”、“并聯(lián)”、“角聯(lián)”等概念自由組合通風(fēng)方式，使得編制的仿真程序適應(yīng)性非常強(qiáng)，可模擬任何形式的通風(fēng)組合系統(tǒng)。同時(shí)，該程序的數(shù)學(xué)模型建立在流體學(xué)基本定律

3、基礎(chǔ)之上。從而可實(shí)現(xiàn)不同交通量、不同車速、不同外界環(huán)境條件等各種工況組合下的通風(fēng)仿真計(jì)算。隧道通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)由表示隧道通風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)各風(fēng)流路線及其分合關(guān)系的網(wǎng)狀線路圖與其賦權(quán)通風(fēng)參數(shù)組成。隧道通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖有兩大優(yōu)點(diǎn)：首先它可以清晰地表示出隧道各段、各豎井（也可為斜井和平峒）及連接風(fēng)道風(fēng)流的相互關(guān)系；其次由于它不反映各風(fēng)流的平面和空間位置，也不反映風(fēng)路的實(shí)際形狀，從而可以避開實(shí)際各通風(fēng)段、豎井及連接風(fēng)道的空間位置關(guān)系，因而更便于分析和解算通風(fēng)問題。1網(wǎng)絡(luò)數(shù)學(xué)模型建立仿真程序采用目前被廣泛采用的斯考德——恒斯雷迭代法，數(shù)學(xué)模型建立過程如下：節(jié)點(diǎn)風(fēng)流連續(xù)方程即

4、風(fēng)量平衡定律式：回路風(fēng)壓平衡方程1)不含通風(fēng)動(dòng)力（包括自然風(fēng)壓、風(fēng)機(jī)和交通通風(fēng)力）的回路方程即風(fēng)壓平衡定律式fi=2)對含通風(fēng)動(dòng)力（自然風(fēng)壓或風(fēng)機(jī)或交通通風(fēng)力）的回路方程即風(fēng)壓平衡定律式fi=（i=1，2，3，……m）要解n條分路的自然分風(fēng)量，則必須建立n個(gè)獨(dú)立方程，其中回路風(fēng)壓平衡方程為m個(gè)獨(dú)立方程，節(jié)點(diǎn)風(fēng)流連續(xù)方程為j-1個(gè)獨(dú)立方程。則有：n=m+j-1為要簡化求解此n個(gè)方程，可首先設(shè)定n個(gè)分路分量Qj（j=1，2，3，……n），務(wù)必滿足節(jié)點(diǎn)風(fēng)流連續(xù)方程，將其作為初擬風(fēng)量信息輸入，讓計(jì)算機(jī)逐次迭代計(jì)算，即逐一解算m個(gè)下列方程：式中：——回

5、路內(nèi)各風(fēng)機(jī)在相應(yīng)邊上風(fēng)量點(diǎn)的斜率；——回路內(nèi)各交通風(fēng)壓在相應(yīng)邊上風(fēng)量點(diǎn)的斜率；——回路內(nèi)各相應(yīng)邊的風(fēng)阻；Qij——回路內(nèi)各相應(yīng)邊的風(fēng)量。計(jì)算機(jī)算出第i個(gè)回路的后，立即對該回路的各個(gè)分路的風(fēng)量Qij作如下改正：=+式中、——i回路j分支第k次和第k+1次風(fēng)量；——第i個(gè)回路第k次風(fēng)量修正值。接著再計(jì)算i+1個(gè)回路的，又立即改變該回路的各個(gè)分路的風(fēng)量。這就是說，迭代計(jì)算中施加類似賽德爾迭代技巧，更能加快收斂。依此逐回路、逐輪次計(jì)算，一直到某一輪計(jì)算中值中最大者小于原定誤差為止，即：≤EPS式中EPS——設(shè)定解算誤差，一般取0.01～0.001即可

6、。2隧管通風(fēng)阻力模型隧管本身具有的通風(fēng)阻力可分為二類，一類被稱為沿程阻力，由于克服沿流程摩擦阻力而造成的風(fēng)流能量損失被稱為沿程阻力損失；另一類則稱為局部阻力，由于克服風(fēng)流局部邊界急劇改變引起的風(fēng)流能量損失則稱為局部阻力損失。沿程阻力損失和局部阻力損失計(jì)算公式可寫成：；式中：—沿程阻力系數(shù)，無因次；—局部阻力系數(shù)，無因次；—流體密度，Kg/m3；—隧管中流體的平均速度，m/s；—隧管過流截面面積，m2；—隧管長度，m；—隧管過流截面濕周，m；—隧管過流截面流量，m3/s；—隧管沿程風(fēng)阻系數(shù)；—隧管局部風(fēng)阻系數(shù)。通風(fēng)支路阻力損失計(jì)算公式可寫成：式

7、中：—通風(fēng)支路編號(hào)，=1，2，3……；—通風(fēng)支路中第段隧管，=1，2，3……；—通風(fēng)支路中第個(gè)隧管局部突變，=1，2，3……；—通風(fēng)支路風(fēng)阻系數(shù)；由于隧管的長度、截面積、濕周對于建成的隧道是固定不變的；當(dāng)流體的運(yùn)動(dòng)進(jìn)入完全紊流狀態(tài)時(shí)，沿程阻力系數(shù)僅取決于隧管內(nèi)壁的相對光滑度，一定時(shí)間內(nèi)是不變的，故沿程阻力系數(shù)可視為常數(shù)；局部阻力系數(shù)的主要差別在于不同類型的局部阻力具有不同局部阻力系數(shù)，在具體條件下是確定不變的常數(shù)；空氣密度隨空氣溫度、濕度、氣壓的變化而變化，但隧道內(nèi)空氣密度變化不大，也可視為常量。所以通風(fēng)支路風(fēng)阻系數(shù)也為常量。3通風(fēng)機(jī)風(fēng)壓風(fēng)量

8、曲線模型單臺(tái)軸流風(fēng)機(jī)風(fēng)壓風(fēng)量曲線（H-Q曲線）的數(shù)學(xué)表達(dá)式，常用曲線擬合的方法獲得。在H-Q曲線上選取足夠點(diǎn)數(shù)的Hi、Qi值，用最小二乘法擬合多項(xiàng)式，通式可寫成：解