關于射流溫度對公路隧道風機縱向間距影響的研究
作者：鄭曉敏
在長大隧道設計通風方案時，經�？紤]使用射流風機。長大隧道交通量較大，發(fā)生火災的概率變大，正常工況下，考慮機動車排出的熱量和隧道內的照明等，隧道內氣溫會升高。本文主要針對風機出口風速一定，在射流風機人口前端發(fā)生火災，風機出口溫度瞬時升高的情況下，隧道內的氣體溫度場，分析射流主體段溫度對風機組縱向控制間距的影響。具體以第一組風機（距隧道入口52 m）為例，應用Fluent軟件模擬進行隧道溫度場模擬分析。
1 風機射流特性參數
1.1風機組縱向控制間距
合理的風機縱向間距，是射流產生最佳通風效應的保證。通風效果主要取決于射流風壓、風速，同時也與風機進口的吸人段長度及縱向間距有關，完善的吸人段和發(fā)展段是風機正常工作的必要條件，也是良好通風效果的保證。一般射流風機縱向間距按照80～120 m控制。射流通風系統(tǒng)單元流動模式見圖1。
影響射流誘導段長度的主要因素通常采用模型試驗或現(xiàn)場測試確定。射流風機出口風速、風機尺寸、布置參數（同組風機間距、壁面距）對射流誘導段長度均有影響，這些因素的影響已有理論及試驗研究成果，但風機出口不同射流溫度對誘導段的影響目前未見研究報道。式(2)未考慮射流溫度對誘導段長度的影響。
2 數值模擬及分析
2.1幾何模型
以實際隧道尺寸建立幾何模型，長度500 m，坡度+2.58%。斷面高度7. 15 m，寬度10. 05m。風機入口距52 m，同組風機間距離2m，風機中心距底部6 m。風機長4.7 m，直徑1.0 m。隧道斷面面積64.07n2，當量直徑8.18 m，見圖2。
2.2 網格的建立
在數值計算模擬中網格劃分的好壞對計算的準確性和收斂性非常重要。劃分流速劇烈的地方網格劃分密集才能確保精確度。因為射流風機出口溫度變化劇烈網格要密集，本文需要對風機和隧道2部分進行網格的劃分。風機進出口及表面采用Quad-Pave四邊形網格，網格間距為0.3 m，隧道內部空間網格劃分運用Tet/Hybrid（四面體／混合網格），網格間距0.5 m，網格總數為1 905 612。
2.3邊界條件
設隧道入口為速度入口邊界條件，風速為3m/s，溫度為294 K，假定沒有垂直于人口的分速度。隧道出口設為壓力出口，相對壓力為O，溫度為294 K。射流風機入口和出口均設為速度入口，速度大小為30 m/s，入口溫度為294 K，出口溫度分別為299，307，314，322，329 K。風機壁面及隧道壁面設為壁面邊界條件。忽略氣體因粘滯力的影響，隧道內氣體可看作是不可壓縮氣體。
2.4求解器的設置
流體的計算采用RNG k湍流模式。速度、壓力、溫度求解器均采用三對角矩陣法( TD-
VIA)，設置速度、壓力、溫度收斂準則均為10-4。壁面粗糙度設為0. 025，各個相關參量的松弛因子為0.5。打開控制溫度的能量方程，其余設置為默認。
3 網格無關的數值解
為了獲得與網格無關的數值解，在網格形式不變的情況下，選取1種工況進行網格無關的數值解分析。當風機出口溫度為329 K時，分別在網格數為913 202，1 611 586，1 905 612和2 073 662的網格上進行模擬計算，圖3為由風機出口(52 m)至距隧道入口140 m風機軸線溫度分布圖。
由圖3可知，當網格數為1 611 586時，顯然已經達到網格無關性要求。本文5種工況均在網格數為1 905 612的情況下進行模擬，計算精度較高。
4溫度場模擬分析
為了能夠更準確地分析出口溫度越高，縱向控制間距越短的溫度場狀況，在距隧道入口140m范圍內，應用Fluent軟件計算隧道多個斷面的平均溫度，選取24個具有代表性的隧道橫斷面平均溫度進行分析，見圖4。
由Fluent數值計算可得，5種工況下隧道人口至風機出口均為52 m時，隧道橫斷面平均溫度不變，均為294 K。圖4結果表明：①各工況由風機出口至距隧道入口140 m范圍內，隧道橫斷面溫度變化趨勢一致。由風機出口處先急劇增大，然后緩慢下降，再緩慢上升到最大值。各工況隧道橫斷面平均溫度最大值均在均勻流段，為395. 12，296. 92，298.5，300.3，301. 87 K；②距風機出口17 m范圍內，隧道橫斷面平均溫度緩慢上升。高溫急速的射流與隧道內氣體相互混摻使得斷面平均溫度上升；③在距隧道入口95 m左右，溫度越高曲線波動也越大，表明射流在95 m左右產生嚴重的負壓，出口溫度越高回流現(xiàn)象越嚴重，嚴重的回流會消耗大量的能量，導致誘導段的長度變短，同時污染物也不易排出；④風機出口溫度越低，曲線越穩(wěn)定，有利于射流氣體的充分發(fā)展；⑤風機出口溫度越高，誘導段的距離越短。應用Fluent模擬計算可得，5種工況溫度由低到高誘導段的長度為64，63，61.5，61，60 m，比理論值小。
由圖5可知：①風機出口軸線溫度沿程衰減。射流出口溫度越高，風機軸線縱向溫度波動越明顯，隧道內氣流組織的擾動越劇烈；②風機出口溫度為299，307，314，322，329 K時，射流誘導段的長度約為64.5，61，59.5，52，50 m，與由隧道橫斷面平均溫度分析得出的結論一致。表明溫度越高越不利于隧道內氣流組織的發(fā)展；③距隧道入口約115 m后，風機軸線溫度趨于穩(wěn)定，隧道內溫度均勻，氣流組織進入均勻流段；④在誘導段風機出口溫度越低曲線越平緩，風機出口氣體溫度會與溫度較低的伴隨流進行卷吸作用，同時也發(fā)生動量交換和質量交換使得風機軸線溫度會緩慢下降。在誘導段末端，溫度越高曲線波動越劇烈，表明回流現(xiàn)象越明顯。強烈的回流會影響射流風機的射流效果。
風機出口不同射流溫度情況下，隧道溫度場模擬結果表明，風機出口溫度越高誘導段的長度越短。因此使得風機縱向控制間距減小，串聯(lián)風機組數增多，投入增大。
5結論
(1)5種不同射流送風溫度，隧道內同一高度水平面溫度分布均勻對稱，且沿隧道射流方向迅速降低。
(2)射流風機出口溫度越低，風機射流出口氣流組織發(fā)展持續(xù)距離越長，縱向控制間距越長。射流風機出口溫度越高，誘導段末端回流嚴重，導致誘導段的長度變短，影響誘導段氣流組織的發(fā)展，從而縱向控制間距變短。
(3)隧道環(huán)境溫度為294 K，控制影響誘導段長度的其他因素。射流風機出口溫度為299，
307，314，322，329 K時，誘導段長度縮短4%～10%。
6摘 要依托公路隧道實際工程，運用FLUENT軟件，采用RNG肛e湍流模型，模擬分析了射流風機出口風速為30 m/s時，針對第一組風機(距隧道入口52 m)前端發(fā)生火災，不同送風溫度對隧道內溫度場的影響。模擬結果表明，當風機出口溫度為299，307，314，322，329 K時，誘導段的長度分別縮短4%～10%。射流溫度越高回流現(xiàn)象越明顯，不利于誘導段氣流組織的發(fā)展，風機縱向控制間距相應變大，從而影響了射流效率。研究結果為隧道內風機縱向控制間距的優(yōu)化提供一定的理論依據。
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