1. 簡介

1.1 工程概況

科學(xué)的隧道通風(fēng)管理，可以向隧道內(nèi)部供給新鮮空氣，降低隧道內(nèi)的相對濕度，并排除有害氣體、粉塵和炮煙等有害物質(zhì)，以確保工作人員的安全性及舒適性[1]。當(dāng)前工程項目中，隧道整體規(guī)模巨大，且隧道間交錯復(fù)雜，如圖 1 所示。如何合理的設(shè)計隧道走向并布置風(fēng)機位置亟待解決。本文將以簡單的隧道模型著手研究，待確定合理的分析方法后，會逐步對更為復(fù)雜的隧道組織結(jié)構(gòu)進行分析。

 

 

圖 1 隧道布置示意圖

 

1.2 軟件介紹

FMK 是以 3DE 平臺為基礎(chǔ)，基于 RANS 算法的 CFD 仿真工具。軟件將有限元模型嵌入到 CAD 及 PLM 中，作為幾何模型的特征，可隨模型的變更而自動更新，加強了網(wǎng)格與幾何數(shù)據(jù)間的關(guān)聯(lián)。流體域自動提取的功能極大縮短了模型的前處理時間。非流體專家的用戶指導(dǎo)界面，降低了對軟件使用者的要求。軟件同時提供本地和云端服務(wù)環(huán)境，其背靠 3DE 平臺，可提供統(tǒng)一環(huán)境下多物理場的分析及多尺度仿真及優(yōu)化功能。

 

1.3 行業(yè)情況

利用 CFD 解決土木行業(yè)的工程問題已成為一種常見的方法與手段。 Bert Blocken 等基于 CFD 技術(shù)對平行建筑間通道風(fēng)速進行模擬分析及研究 [2] 。袁鳳東等用 CFD 技術(shù)對天津地鐵站臺空調(diào)氣流進行模擬，并與實際情況進行對比評價了 CFD 技術(shù)的可行性[3]。官習(xí)艷等對哈爾濱地鐵車站通風(fēng)系統(tǒng)進行 CFD 模擬，評價了其通風(fēng)方案[4]。本文將采用 FMK 作為 CFD 仿真工具對隧道通風(fēng)進行分析。分析將基于穩(wěn)態(tài)計算，對工程上關(guān)心的隧道內(nèi)不同位置的氣流流速，風(fēng)機運行的影響范圍及風(fēng)機布置位置進行探索研究。

 

2. 分析方法

2.1 物理模型

FMK 基于雷諾平均的 NS 方程（RANS），采用有限體積法，對空間進行離散求解。根據(jù)流態(tài)的不同，F(xiàn)MK 可提供層流及湍流模擬功能。其中湍流模型包括：渦粘模型的單方程模型 Spalart-Allmara，及兩方程模型 Realizable ?和 SST ?。對邊界層的求解用

混合壁面函數(shù)法，降低對近壁面網(wǎng)格的要求。對于穩(wěn)態(tài)計算，FMK 采用壓力耦合方程組的半隱式方法（SIMPLE）求解。RANS 方程如下：

 

 

 

其中，? ρv' jv  ' i 為引入時間平均產(chǎn)生的雷諾應(yīng)力項。為使方程封閉，需引入新的方程

模擬雷諾應(yīng)力項。根據(jù)布辛涅斯克近似，通過渦粘性和平均應(yīng)變率的方法模擬雷諾應(yīng)力項，稱為渦粘模型，其方程為：

 

 

 

其中，μt 為有效湍流粘度，k 為湍動能。渦粘模型是各向同性的。有效湍流粘度是不均勻的，是空間變化的，是湍流長度和時間尺度的函數(shù)。軟件中使用的渦粘模型及變量如下表 1 所示：

 

表 1 渦粘模型及其變量

 

 

本文仿真中，采用的是 Realizable ? 湍流模型。

 

模擬近壁面處速度邊界層的常見方法包括低雷諾數(shù)法和壁面函數(shù)法。低雷諾數(shù)法要求

近壁面處網(wǎng)格尺寸非常精細，以準(zhǔn)確的求解粘性底層，故計算成本十分昂貴。壁面函數(shù)法采用對數(shù)壁面函數(shù)作為壁面的邊界條件，因不需對近壁面進行求解，其計算效率較高，但要求近壁面第一層網(wǎng)格節(jié)點落在對數(shù)層區(qū)，對網(wǎng)格劃分要求極高。

 

混合壁面函數(shù)法是上述兩種方法的結(jié)合，其連續(xù)的壁面函數(shù)涵蓋了對粘性底層，對數(shù)層和過度層的求解。此方法降低了對網(wǎng)格的控制要求。當(dāng)網(wǎng)格足夠精細時，可再現(xiàn)低雷諾數(shù)求解法的準(zhǔn)確性；當(dāng)網(wǎng)格較為粗糙時，可再現(xiàn)壁面函數(shù)法的高效性。當(dāng)近壁面網(wǎng)格第一層節(jié)點落在過度層區(qū)時，亦可獲得較好的準(zhǔn)確性。本文仿真采用了混合壁面函數(shù)的方法。

 

2.2 風(fēng)機模擬

風(fēng)機是隧道內(nèi)的通風(fēng)裝置，對風(fēng)機的模擬將直接影響整個隧道通風(fēng)仿真的準(zhǔn)確性。常見模擬旋轉(zhuǎn)機械的方法包括 MRF 法，滑移網(wǎng)格法，及簡化模型的流量壓降方法。本文采用 FMK 中的 Internal fan 功能，用流量壓降的方法模擬風(fēng)扇的抽吸效應(yīng)。

 

常見的流量壓降方法需提供流量壓降曲線，如圖 2 所示。本文尚未獲得隧道內(nèi)風(fēng)機的完整流量壓降性能曲線，故根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)，選擇流量為 31.1 m3/s 壓降 600Pa 的工況作為風(fēng)扇模擬的邊界條件。其對氣流的引到效果如圖 3 Y0 截面速度云圖所示。

 

 

圖 2 風(fēng)機流量壓降曲線示意圖

 

 

圖 3 Y0 截面速度云圖

 

2.3 網(wǎng)格無關(guān)性驗證

網(wǎng)格劃分的尺寸會對計算結(jié)果的準(zhǔn)確性產(chǎn)生較大的影響。為降低網(wǎng)格尺寸帶來的影響，在仿真分析時，有必要進行網(wǎng)格無關(guān)性的驗證。對于隧道通風(fēng)問題，相對于整個隧道內(nèi)的壓降損失，工程上更關(guān)心主流區(qū)域內(nèi)的氣流流速。故可以采用較粗的網(wǎng)格布置，以降低仿真總時長，提高計算效率。根據(jù)內(nèi)流道仿真常見的網(wǎng)格布置方法，對表 2 所示的幾組網(wǎng)格劃分參數(shù)進行了網(wǎng)格相關(guān)性的驗證。最終選擇方案 1 作為網(wǎng)格尺寸的劃分方法。

 

表 2 網(wǎng)格劃分參數(shù)

 

 

3. 分析結(jié)果

3.1 計算模型

以單主洞單支洞的隧道模型作為研究對象。隧道全長約2.5公里，斷面直徑約10m，風(fēng)機為雙排布置，風(fēng)機直徑約1.2m，共計28個。模型經(jīng)過簡化處理，風(fēng)扇以圓面替代，并去掉了隧道下方兩側(cè)的排水溝臺階過度。整體模型如圖4所示。

 

 

圖 4. 單主洞單支洞隧道模型

 

仿真設(shè)置為穩(wěn)態(tài)計算，采用了Realizable ? 湍流模型。采用上述方案1的網(wǎng)格劃分策略，網(wǎng)格總數(shù)約為395萬。入口條件為總壓流滯入口, 出口為表面壓力出口。風(fēng)扇邊界條件采用流量為 31.1 m3/s ，壓降 為600Pa 的工況。仿真模型設(shè)置如圖5所示。

 

 

圖 5. 仿真模型設(shè)置

 

3.2 流場結(jié)果分析

隧道整體的流線圖如圖 6 所示。從隧道內(nèi)流線分布情況可知，出口 2 所在的隧道內(nèi)的風(fēng)扇布置位置，并未明顯改變主洞內(nèi)的氣流流向。

 

 

圖 6. 速度流線分布圖

 

風(fēng)扇所在截面位置處的速度云圖如圖 7 所示。從隧道岔口處的速度截面云圖可知，出

口 2 所在隧道內(nèi)的風(fēng)扇，并未明顯改變主隧道內(nèi)的氣流流向。

 

 

圖 7. 截面速度云圖

 

主洞內(nèi)的氣流流速可通過速度流線圖進行觀察。根據(jù)速度流線圖的不同標(biāo)尺，可知，隧道內(nèi)，主洞中，多數(shù)氣流流速在 6 m/s 以上，氣流流速主要集中在 6-15 m/s 之間，風(fēng)扇處氣流流速較高。

 

 

圖 8. 速度流線圖

 

4. 優(yōu)化設(shè)計

4.1 調(diào)整風(fēng)機布置位置

為改善支洞內(nèi)的氣流流動，在主洞與支洞過度處，靠支洞洞口新增風(fēng)機，風(fēng)機為雙排布置，尺寸與性能參數(shù)同隧道內(nèi)其他的風(fēng)機相同。布置示意圖如圖 9 所示。在出口 2 所在的隧道岔口處布置新的風(fēng)機后，原主隧道內(nèi)的氣流流向有被抽吸至出口 2 所在的隧道內(nèi)，如圖 10 所示。

 

 

圖 9. 風(fēng)機布置示意圖

 

 

圖 10. 新風(fēng)機布置速度流線圖

 

在支洞內(nèi)新增兩排風(fēng)機后，根據(jù)速度流線圖的不同標(biāo)尺可知，主洞內(nèi)氣流流速整體變化不大。多數(shù)氣流流速在 6 m/s 以上，氣流流速主要集中在 6-15 m/s 之間。其中，風(fēng)扇處的氣流流速較高。 速度流線圖如圖 11 所示。支洞內(nèi)由于新增風(fēng)機的影響，氣流組織明顯變化。在新增風(fēng)扇作用下，部分氣流從主隧道被抽吸至出口 2 所在的隧道內(nèi)。與主隧道相比，出口 2 所在隧道內(nèi)的氣流流動的平穩(wěn)性及均勻性相對較差。出口 2 所在隧道內(nèi)的，兩排風(fēng)扇間的氣流流速較慢，最低約 0.2 m/s，岔口處速度約為 3~5 m/s。速度流線圖如圖12 所示。

 

 

圖 11. 新風(fēng)機主洞內(nèi)速度流線圖

 

 

圖 12. 新風(fēng)機支洞內(nèi)速度流線圖

 

4.2 調(diào)整隧道交匯位置

為更好的引導(dǎo)氣流進入支洞，考慮調(diào)整支洞與主洞的過度方式。如可以將支洞以更延緩的方式與主洞進行交匯。如圖 13 示意。但工程上有諸多限制約束，如挖掘隧道時的避讓問題及延長支洞過度所產(chǎn)生的成本增加問題。設(shè)計師結(jié)合工程實際情況，在礦車允許通過的情況下，設(shè)計如圖 14 所示的隧道過度結(jié)構(gòu)。

 

 

圖 13. 理想支洞過度示意圖 圖 14. 設(shè)計支洞過度示意圖

 

由于設(shè)計出的圓角過渡范圍較小，在當(dāng)前工況下并不能起到很好的導(dǎo)流效果。但隧道內(nèi)的通風(fēng)系統(tǒng)會根據(jù)不同的使用場景進行改變，當(dāng)在特定的工作狀態(tài)下，如圖 15 所示，可觀察到，對隧道交匯位置進行處理后，支洞內(nèi)的氣流流速有較為明顯的提升。如圖 16所示。

 

 

圖 15. 分析工況示意圖

 

圖 16. 速度截面云圖及速度流線圖

 

5. 結(jié)論

本文用 FMK 計算隧道內(nèi)的通風(fēng)情況，研究隧道內(nèi)的氣流流動狀態(tài)。從單主洞單支洞的隧道仿真結(jié)果來看，得到的結(jié)論與工程師的工程經(jīng)驗較為吻合，在工程可接受范圍內(nèi)通過對道內(nèi)風(fēng)機位置的布置調(diào)整及隧道交匯處位置的優(yōu)化，可以在一定程度上達到改善隧道內(nèi)氣流流速較低的問題。簡單隧道模型的仿真結(jié)果標(biāo)定，將為下一步研究更為復(fù)雜的隧道組織結(jié)果打下基礎(chǔ)。

 

資料來源：達索官方