自然通风下高温隧道的热气流特征_杨冬.pdf

第 20 卷 第 4 期2023 年 4 月铁道科学与工程学报Journal of Railway Science and EngineeringVolume 20 Number 4April 2023自然通风下高温隧道的热气流特征杨冬1，蒋树屏2，黄锋1，胡政3，刘星辰1(1.重庆交通大学，重庆 400074；2.招商局 重庆交通科研设计院有限公司，重庆 400074；3.中国电建集团 贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550081)摘要：高温隧道有洞内围岩温度高、洞内外气温差异大的特点，研究自然通风下高温隧道浮力流非等温流动规律，对隧道选线和通风降温设计有重要意义。红河州高温尼格隧道开挖掌子面围岩温度达88.8，以此为背景，采用现场实测与数值仿真方法，对隧道气温、风速进行实测；建立流热耦合模型，控制变量围岩温度、阴阳坡温差、纵坡，对隧道空气温度场、气流场的瞬态变化进行数值仿真。研究结果表明：尼格隧道山体向阳、背阴侧受太阳辐射差异，形成“阴阳坡温差”效应，日均9:0016:00时，向阳侧较背阴侧高4.7，最大高6.1。受阴阳坡温差和纵坡作用，自然通风条件下，气温在背阴侧坡脚洞外高于洞内，向阳侧坡顶洞内高于洞外，洞身气温由坡脚向坡顶先升高后降低，气温最高点31.02 发生在600 m附近，偏向坡顶；风向在背阴侧坡脚由洞外吹向洞内，在向阳侧坡顶由洞内吹向洞外，洞身空气流动显现“横向烟囱”效应。无阴阳坡温差(温差0)且不设纵坡(纵坡0%)工况下，洞内气温沿纵向呈“几”字型分布，高温集中在隧道中心，不利于洞内热量散失；风速由两侧洞口向洞内有减小增大减小的过程，距两侧洞口1/4洞长处达到峰值，纵向中点趋于0 m/s，风速整体较小，最大风速0.34 m/s，气流无明显方向性。阴阳坡温差和纵坡使洞内空气流动具有整体方向性，加速洞内外空气热对流和空气围岩热交换，大温差引起大降温，大纵坡产生高风速，风速随温差增大而升高，但不同坡度1%，2%，5%引起的降温幅度相当。关键词：高温隧道；自然通风；热气流；非等温流动中图分类号：U25 文献标志码：A 开放科学(资源服务)标识码(OSID)文章编号：1672-7029（2023）04-1433-12Characteristics of hot airflow in high-temperature tunnels under natural ventilationYANG Dong1,JIANG Shuping2,HUANG Feng1,HU Zheng3,LIU Xingchen1(1.Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400074,China;2.China Merchants Chongqing Transportation Research and Design Institute Co.,Ltd.,Chongqing 400074,China;3.Power China Guiyang Survey,Design and Research Institute Co.,Ltd.,Guiyang 550081,China)Abstract:The high temperature tunnel has the characteristics of high surrounding rock temperature and large temperature difference between inside and outside the tunnel.It is of great significance to study the non-isothermal flow law of buoyancy flow in high temperature tunnel under natural ventilation for tunnel line 收稿日期：2022-09-22基金项目：国家自然科学基金资助项目(52078090)；重庆市自然科学基金资助项目(cstc2020jcyj-msxmX0679)；山区桥梁及隧道工程国家重点实验室开放基金资助项目(SKLBT-19-006，SKLBT-YF2106)通信作者：黄锋(1982)，男，重庆人，教授，博士，从事隧道及地下工程方面研究；Email：DOI:10.19713/ki.43-1423/u.T20221845铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 4月selection and ventilation cooling design.Based on the high temperature Nige tunnel in Honghe Prefecture,the surrounding rock temperature of the excavation face is 88.8.The temperature and wind speed of the tunnel were measured by field measurement.The numerical simulation method was used to establish the fluid-thermal coupling model,and the transient changes of the air temperature field and the airflow field of the tunnel were numerically simulated by controlling the surrounding rock temperature,the temperature difference between the shady and sunny slopes,and the longitudinal slope.The results show that the sunward and shady sides of the Nige tunnel mountain are different in solar radiation,forming the effect of“temperature difference between shady and sunny slopes.”At 9:0016:00,the sunward side is 4.7 higher than the shady side,and the maximum is 6.1.Under the condition of natural ventilation,the temperature outside the tunnel at the foot of the shady side slope is higher than that inside the tunnel,and the temperature inside the tunnel at the top of the sunny side slope is higher than that outside the tunnel.The temperature of the tunnel increases first and then decreases from the foot of the slope to the top of the slope.The highest temperature of 31.02 occurs near 600 m,which is inclined to the top of the slope.The wind direction is blowing from the outside to the inside of the tunnel at the foot of the shady side slope,and blowing from the inside to the outside of the tunnel at the top of the sunny side slope.The air flow in the tunnel shows the transverse chimney effect.Under the condition of no temperature difference between shady and sunny slope(temperature difference )and no longitudinal slope(longitudinal slope 0%),the temperature in the tunnel is distributed in a“几”shape along the longitudinal direction,and the high temperature is concentrated in the center of the tunnel,which is not conducive to the heat loss in the tunnel.The wind speed decreases first,then increases,and then decreases from the outside of the tunnel to the inside of the tunnel,and reaches the peak at 1/4 tunnel length from both sides of the tunnel.The wind speed at the midpoint of the tunnel length approaches 0 m/s.The overall wind speed is small,the maximum wind speed is 0.34 m/s,and the airflow has no obvious direction.The temperature difference between shady and sunny slopes and the longitudinal slope results in the air flow in the tunnel have an overall direction,thus accelerating the heat convection of air inside and outside the tunnel and the heat exchange between air and surrounding rock.The large temperature difference causes large cooling,and the large longitudinal slope produces high wind speed.The wind speed increases with the increase of temperature difference,but the cooling range caused by-1%,-2%and-5%of different slopes is equivalent.Key words:high temperature tunnels;natural ventilation;hot airflow;non-isothermal flow 隧道穿越高温地层会引发诸多工程难题14，如施工环境差、通风降温能耗高等5。严健等6以川藏铁路桑珠岭高温隧道为依托，探讨了施工期以机械通风降温为主的综合降温措施效果。朱宇等7以海南省五指山高温隧道为例，利用Fluent软件，模拟了机械通风联合冰块降温的隧道温度场。亢方超等8采用热固耦合模型，对低温通风环境下高温隧道的温度场和应力场演化规律进行了仿真研究。陈柳等9运用模型实验相似理论，建立了高温矿井巷道风对流换热的模型实验系统。赵志宏等10基于地质资料，对川藏铁路折多山区域地热进行数值模拟，预测了沿线地层温度场分布。刘志明11以地质调查、钻探测温为手段，对拟新建瑞金至梅州铁路三百山隧道地温梯度进行测试，预测洞身最高温度56.5。ZENG12以高黎贡山铁路隧道为依托，通过模型试验，研究了高温隧道围岩温度场和环境温度分布。综上，对高温隧道的研究，主要采用数值模拟或模型试验的方法，研究内容偏重机械通风降温和地层温度场预测，鲜有对隧道贯通后洞内热气流运动规律的研究。本文以我国有报道的最高温尼格隧道为依托，采用现场实测和数值仿真相结合的方法，开展自然通风下高温隧道贯通后空气温度场、气流场的非稳态研究。研究成果可为类似工程选线、纵坡和通1434第 4 期杨冬，等：自然通风下高温隧道的热气流特征风设计提供参考。1 工程概况尼格隧道位于云南省红河哈尼族彝族自治州建水(个旧)至元阳高速公路个旧至元阳段，见图1(a)。隧道为双向 4 车道分离式隧道，起讫里程LK44+300LK47+666，全长 3.3 km，最大埋深640 m，属深埋特长隧道。隧道穿越中山地貌山体，地表高程9591 641.6 m，相对高差682.6 m，地形陡峭，斜坡坡度3545。隧道进出口端河谷深切，发育有贾沙河、龙岔河，属红河左岸一级支流。隧址区年均气温15.9。隧道纵坡2%(单向坡)，轴线方向 314328，小里程洞口向阳，大里程背阴，见图1(b)。隧道穿越三叠系中统个旧组(T2g)灰岩与燕山期侵入(53(a)花岗岩地层，施工中出现最高岩温88.8，最高水温63.4，最高气温56.5。尼格隧道热储埋深2 457 m，热储温度122.47，为滇东南地质构造的典型工程。2 尼格隧道热气流实测与仿真2.1现场实测山体向阳、背阴侧因接收太阳辐射热不同，向阳侧温度高于背阴侧，形成“阴阳坡温差”。对尼格隧道大、小里程端洞口气温连续监测912个月发现，日均9:0016:00时，向阳侧洞口气温较背阴侧高4.7，最大高6.1，其他时间段温差(a)地理位置；(b)地质纵断面及开挖实测温度(气温受降温措施控制)图1尼格隧道工程概况Fig.1Overview of Nige tunnel project1435铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 4月较小，见图2(a)。隧道贯通6个月时，分别于3个时间点，沿隧道纵向，对洞内及洞口外50 m气温、风速进行监测，见图2(b)，结果显示，自然通风条件下，气温在背阴侧洞外高于洞内，向阳侧洞内高于洞外，洞身气温由坡脚向坡顶先升高后降低，最高气温31.02 发生在600 m附近。风向在背阴侧由洞外吹向洞内，向阳侧由洞内吹向洞外，见图3，洞口风速变化较快，洞身风速变化减弱，变化范围在 02 m/s，隧道热气流动显现“横向烟囱”效应。受阴阳坡温差和纵坡作用，洞内气温最高点往向阳侧坡顶偏移，未发生在隧道纵向中心；洞内气流由背阴侧坡脚吹向向阳侧坡顶，具有明显方向性，该结论对指导运营通风设计有重要意义。2.2数值仿真2.2.1物理模型图4为考虑空气流动和热量传递的流热耦合大尺寸足尺二维简化模型。隧道长3 353 m，净高9.76 m，左、右侧洞外空气取50 m，纵坡2%，以小里程洞口底缘为空间原点，计算域整体尺寸长3 453 m(长)117 m(高)。忽略隧道壁厚13，模型内流体为弱可压缩牛顿流体，考虑重力。模型通风原理：受高温围岩加热，洞内空气温度升高，与周围空气形成密度梯度，空气浮力增加，形成浮力流，冷空气下沉，热空气上浮，形成热对流。隧道阴阳坡温差和纵坡产生贯通隧道的拉拔力，(a)向阳、背阴侧洞口日均气温；(b)隧道气温、风速图2尼格隧道热气流实测Fig.2Measurement of hot air flow in Nige tunnel1436第 4 期杨冬，等：自然通风下高温隧道的热气流特征实现空气非等温定向流动，即自然通风。2.2.2数学模型首先引入流体动力学和热传递中的无量纲数，格拉斯霍夫数(Grashof number，Gr)和瑞利数(Rayleigh number，Ra)，对热空气流型进行判断。Gr和Ra主要反映在自然对流中浮力导致的流动强度14，表达式见式(1)和式(2)。以隧道长3 353 m，洞内外温差5，洞外环境15 为例，15(288.15 K)空气热物理参数见表1，Gr=1.59108TL31019；Ra=1.13105TL31016，均明显大于 Gr和 Ra关于层流和湍流的临界阶次109，隧道热气流为湍流。Gr=2gP2TL3(1)Ra=2gPCpkTL3(2)式中：为流体密度，kg/m3；g为重力加速度，取9.8 m/s2；p为热膨胀系数，1/K；为动态黏度，Pas；T为温差，K；L为特征长度，m；Cp为恒压热容，J/(kgK)；k为导热系数，W/(mK)。采用固体和流体传热模型对传热进行仿真，控制方程见式(3)(4)；选择雷诺平均 Navier-Stokes(RANS)方程的标准k-模型对流体流动进行仿真，控制方程见式(5)(7)；流-热耦合关系通过非等温流动Kays-Crawford模型来体现，控制方程见式(8)15。传热控制方程：CpTt+CpuT+q=Q(3)q=-kT(4)湍流粘度方程：T=Ck2(5)标准k方程：kt+uk=(+Tk)k)+Pk-(6)标准方程：t+u=(+T)+C1kPk-C22k(7)流热耦合控制方程：-nq=CpuTw-TfT+(8)式中：T为温度，K；t为时间，s；u为流体速度矢量，m/s；q为传导热通量矢量，W/m2；Q为热源，W/m3；k和代表湍流动能和湍流耗散率；C为湍流黏性系数，取0.09；k为标准k方程的湍流普朗图3尼格隧道向阳侧洞口热气流Fig.3Hot air flow at sunward entrance of Nige tunnel表1空气热物性参数(288.15 K)Table 1Air thermal property parameters(288.15 K)名称空气导热系数k/(Wm1K1)0.025 37恒压热容Cp/(kJkg1K1)1.005热膨胀系数p/K13.47103密度/(kgm3)1.225动力黏度/(Nsm2)1.789105图4通风模型简图Fig.4A brief diagram of the ventilation model1437铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 4月特数，取1.0；Pk为标准k方程的湍流压力，Pa；为标准方程的湍流普朗特数，取1.3；C1和C2为常数，分别取1.44和1.92；为摩擦速度，m/s；Tw为隧道壁温度，K；Tf为流体域温度，K；T+为无量纲温度，。2.2.3边界条件以隧道壁温度表示围岩温度，作为洞内空气的温度边界，壁温由三维瞬态数值仿真提取，通过插值函数赋值为壁温，图5为隧道贯通后自然通风6个月的壁温分布，其可靠性在前期研究中已验证。隧道壁无滑移，壁粗糙度采用等效砂粒粗糙高度。洞外空气域边界为开放边界，上游空气温度20；与地面接触侧为热绝缘。具体边界条件见表2和图6。式中：dz 为空气域厚度，m；Tustr为上游空气温度，；T0为隧道贯通后自然通风6个月隧道壁温度，。图5隧道壁温分布(贯通6个月)Fig.5Tunnel wall temperature distribution(tunnel excavation penetration for 6 months)表2 模型边界条件Table 2 Model boundary conditions边界空气开放边界洞外地面隧道壁边界条件温度/20Tw=T0热边界/(Wm2)un0，-nq=dz(TustrTCpdT)unun0，-nq=0un=0，-nq=0un=0压力/Pa101 300其他等效砂粒粗糙高度2 cm图6计算域边界条件及网格划分Fig.6Calculate domain boundary conditions and meshing1438第 4 期杨冬，等：自然通风下高温隧道的热气流特征2.2.4网格划分空气域壁面边界层网格采用四边形加密5层，径向拉伸因子1.2，其余域设置为自由三边形网格，见图6。网格平均单元质量(偏度)0.821，单元总数约6万。经试算，瞬态求解计算时长2 h(时间步长1 min，步数120)后，温度场、气流场不再随时间发生剧烈变化，研究域趋于稳定。2.2.5仿真结果沿隧道走向、洞身高度 2 个方向进行线性投影积分得到隧道纵向气温、风速均值曲线，并与实测数据比对，见图 7。仿真气温由背阳侧坡脚往向阳侧坡顶先增大后减小，见图 7(a)，最高气温 29.64 发生在 620 m；洞外 2050 m 气温最低，稳定在21.16，见图8(a)隧道气温云图。仿真气流由坡脚吹向坡顶，坡脚风速由洞外向洞内快 速 增 加，见 图 7(b)，洞 外 20 m 内 风 速 由0.27 m/s增至2.77 m/s；洞内风速稳定在 2.77 m/s；坡顶洞口地表风速由洞内向洞外快速衰减，洞外20 m内风速由2.77 m/s减小至0.27 m/s；坡顶洞口外侧，风速由地表向高处快速增加，洞外20 m内风速由 0.27 m/s增至 4.77 m/s，见图 8(b)隧道风速云图。仿真与实测结果比对，仿真最高气温(620 m，29.64)与实测(600 m，31.02)基本一致；仿真洞内风速2.77 m/s较实测02 m/s偏高，原因为洞内施工减小通风面积，对气流形成阻挡作用；气温实测值在坡脚由洞外向洞内有先减小过程，系坡脚为背阴侧，洞口外较远处空气接收太阳辐射热，温度高于近洞空气，数值仿真中未考虑辐射热。整体上，隧道气温、风速实测与仿真趋势一(a)气温仿真与实测比对；(b)风速仿真与实测比对图7隧道气温、风速仿真与实测结果比对Fig.7Simulation of tunnel temperature and wind speed is compared with the actual measured results(a)气温云图；(b)风速云图图8隧道气温、风速仿真云图Fig.8Simulated cloud map of tunnel temperature and wind speed1439铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 4月致，相对误差较小，验证了数值仿真的可靠性。3 高温隧道热气流特征3.1工况设置鉴上分析，影响隧道热气流运动的因素有围岩温度、阴阳坡温差、纵坡。围岩温度分布同热储温度、气候环境、山体形态和地质紧密相关，围岩纵向壁温沿隧道走向分布不是某单一定值，往往成“几”字型分布，图9(a)显示了尼格隧道开挖贯通后不同时间尺度下的纵向壁温分布(洞内机械通风控制在30)，以围岩初始温度为0 月时温度，随着围岩空气热交换的不断进行，“几”字型逐渐趋于平矮。以纵向壁温最高值为代表值，绘制壁温时间关系曲线，见图9(b)，隧道贯通5 a后壁温趋于稳定，选取控制变量围岩温度(以最高温代表)89(0 月)，44(1 a)，36(5 a)，见图9(a)；参考尼格隧道阴阳坡最大温差6.1，选取阴阳坡温差控制变量为0，5和10，向阳侧气温定为 20，背阴侧分别为 20，15和 10；借鉴公路隧道设计规范和铁路隧道设计规范，隧道纵坡选取0%(不设纵坡)、1%，2%和5%。工况设置共36种，见表3。3.2高温隧道气温特征如图10(a)10(l)，不同阴阳坡温差、纵坡下，洞内气温随壁温降低而降低。阴阳坡温差0-纵坡0%时，见图10(a)，热对流主要发生在洞口段，洞口温度较低，气温由洞口向洞内升高，纵向中点处达到峰值；在壁温3689 下，气温峰值等(a)不同时间尺度下的壁温分布；(b)壁温时间关系曲线图9不同时间尺度下隧道纵向壁温分布Fig.9Longitudinal wall temperature distribution of tunnels on different time scales表3工况设置Table 3Condition settings工况123456789101112壁温代表值/89纵坡/%0125温差/0510051005100510工况131415161718192021222324壁温代表值/44纵坡/%0125洞口温差/0510051005100510工况252627282930313233343536壁温代表值/36纵坡/%0125洞口温差/05100510051005101440第 4 期杨冬，等：自然通风下高温隧道的热气流特征于壁温代表值；气温以隧道纵向中点为中心，向洞口呈“几”字型分布，高温集中在隧道纵向中心。无阴阳坡温差(温差0)且不设纵坡(纵坡0%)的工况不利于洞内散热。如图10(abc)，10(def)，10(ghi)，10(jkl)，相同壁温、纵坡下，气温随阴阳坡温差增大而降低，大温差引起大降温。阴阳坡温差产生贯通隧道的浮力，热对流加剧，洞内气温由低温背阴侧往向阳侧大幅降低，气温最高点往向阳侧洞口偏移。以壁温89-纵坡0%工况为例，见图11，温差由0 增大至5 和10 时，最高气温由88.8 降低至61.7 和52.8，气温最高点由纵向中心位置1 695 m往向阳侧偏移至702和810 m。如图10(adgi)，10(behk)，10(cfil)，相同壁温、阴阳坡温差下，气温随隧道纵坡的产生而降低。隧道纵坡促使隧道产生烟囱拉拔力，洞内气温由坡脚向坡顶明显降低，气温最高点向坡顶侧偏移，不同纵坡(大于0%)引起的降温幅度和气温最高点位置相近。以壁温 89-阴阳坡温差 0 工况为例，见图12，纵坡由0%增大至1%，2%，5%时，最 高 气 温 由 88.8 降 低 至 50.0，48.5 和47.3，3个温度相差较小；气温最高点向坡顶侧偏移，由 1 695 m 向坡顶侧偏移至 869，862 和858 m，3处位置较近。(a)(l)不同壁温下的气温分布图10不同工况下的隧道气温分布Fig.10Tunnel air temperature distribution under operating conditions1441铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 4月3.3高温隧道风速特征如图 13(a)，阴阳坡温差 0-纵坡 0%时，风速由洞口向洞内有减小增大减小的过程，纵向中点趋近于 0 m/s，距两侧洞口 1/4 洞长处达到峰值；在壁温36 89 下，风速整体较小，最大风速0.34 m/s。洞内外热冷空气进行慢速热传递、热对流，气流无明显方向性。图11气温与阴阳坡温差关系(壁温89-纵坡0%工况)Fig.11Relationship between air temperature and temperature图12气温与纵坡关系(壁温89-温差0 工况)Fig.12Relationship between air temperature and longitudinal(a)(l)不同壁温下的风速分布图13不同工况下的隧道风速分布Fig.13Tunnel wind speed distribution under different operating conditions1442第 4 期杨冬，等：自然通风下高温隧道的热气流特征如图13(abc)，13(def)，13(ghi)和13(jkl)，相同壁温、纵坡下，风速随阴阳坡温差增大而升高，随纵坡的增大，温差引起的风速增幅减小。阴阳坡温差引起空气由低温背阴侧吹往向阳侧。以壁温89-纵坡0%工况为例，见图14，温差由0 增大至5 和10 时，最高风速由0.34 m/s增大至1.6 m/s和2.8 m/s，洞内风速最高点往向阳侧洞口偏移，位置分别为769，907和870 m。如图13(adgj)，13(behk)和13(cfil)，相同壁温、阴阳坡温差下，风速随隧道纵坡的增大而升高，大坡度引起高风速。隧道纵坡和洞内、外温差形成的“烟囱效应”，可明显提高洞内风速。以壁温89-阴阳坡温差0 工况为例，见图15，纵坡由0%增大至1%，2%，5%时，最高风速由0.34 m/s增大至3.0，4.21和6.54 m/s；风速最高点向坡顶偏移，位置在800 m附近，分别是780，840和840 m。4 结论1)据实测，尼格隧道山体向阳、背阴侧太阳辐射差异形成“阴阳坡温差”效应。受阴阳坡温差和纵坡作用，尼格隧道热气流整体显现“横向烟囱”效应，风向由背阴坡脚侧吹往向阳坡顶侧，具有明显方向性，气温最高点往向阳侧坡顶偏移。2)高温隧道洞内气温随围岩壁温降低而降低，无阴阳坡温差且不设纵坡的工况不利于洞内热量散失，洞内高温集中在隧道纵向中心。山体阴阳坡温差加剧洞内空气热对流，大温差引起大降温。气温随隧道纵坡的产生而降低，纵坡促使隧道产生烟囱拉拔力，可大幅降低洞内气温，但纵坡1%，2%，5%引起的降温幅度相当。3)无阴阳坡温差且不设纵坡的工况下，风速由洞口向洞内有减小增大减小的过程，纵向中点处趋近于 0 m/s，风速整体较小，最大风速0.34 m/s。洞内外热冷空气进行慢速热传递、热对流，气流无明显方向性。山体阴阳坡温差可提升洞内风速，随纵坡的增大，温差引起的风速增幅减小。洞内风速随隧道纵坡的增大而升高，大坡度引起高风速。4)建议高温隧道选线考虑山体“阴阳坡温差”，坡顶侧洞口和坡脚侧洞口宜分开设置于山体的向阳和背阴侧。高温隧道设计时，应设纵坡，纵坡的大小满足排水及其他需求即可。参考文献：1黄润秋,王贤能,唐胜传,等.深埋长隧道工程开挖的主要地质灾害问题研究J.地质灾害与环境保护,1997,8(1):5068.HUANG Runqiu,WANG Xianneng,TANG Shengchuan,et al.Research on the main geological hazards of deep lying long tunnelJ.Journal of Geological Hazards and Environment Preservation,1997,8(1):5068.2YI Lei.Geochemical characteristics and 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