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1 甘建国2 罗卫华2 仇玉良3 章玉伟3 （1.湖南省交通科学研究院； 2. 邵怀高速公路建设开发有限公司 ； 3.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 1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20米左右。洞身埋地段净间距35米左右，单洞长约7公里，最大埋深850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1300毫米，雨季多集中在四、五、六月份，约占全年降雨量的50％。 2 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置，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置关系，因而更便于分析和解算通风问题。 1 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： 节点风流连续方程即风量平衡定律式： 回路风压平衡方程 1) 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 fi = 2) 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 fi = （ i = 1， 2， 3， …… m） 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-1个独立方程。则有： n = m + j - 1 为要简化求解此n个方程，可首先设定n个分路分量Qj（j=1，2，3，……n），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： 式中：——回路内各风机在相应边上风量点的斜率； ——回路内各交通风压在相应边上风量点的斜率； ——回路内各相应边的风阻； Qij——回路内各相应边的风量。 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Qij作如下改正： = + 式中 、——i回路j分支第k次和第k+1次风量； ——第i个回路第k次风量修正值。 接着再计算i+1个回路的，又立即改变该回路的各个分路的风量。这就是说，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： ≤ EPS 式中 EPS——设定解算误差，一般取0.01～0.001即可。 2 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： ； 式中：—沿程阻力系数，无因次； —局部阻力系数，无因次； — 流体密度，Kg/m3 ； —隧管中流体的平均速度，m/s； —隧管过流截面面积，m2； —隧管长度，m； —隧管过流截面湿周，m； —隧管过流截面流量，m3/s； —隧管沿程风阻系数； —隧管局部风阻系数。 通风支路阻力损失计算公式可写成： 式中： —通风支路编号，=1，2，3……； —通风支路中第段隧管，=1，2，3……； —通风支路中第个隧管局部突变，=1，2，3……； —通风支路风阻系数； 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