公路隧道通风网络理论的研究及应用.doc

公路隧道通风网络理论的研究及应用金文良 赵金锐 聂玉文（广东省公路勘察规划设计院有限公司,广东 广州510507）摘 要:本文讨论了通风网络理论及其在公路隧道通风的应用。推导出交通通风力在通风网络理论中的计算公式，介绍了风机、自然风等各压力源通风网络中的处理办法。应用隧道通风网络解算程序,对雪峰山隧道的通风方案进行计算分析，取得了良好的工程效果。关键词:公路隧道 通风网络 交通风 压力源The investigation and application of the ventilationnetwork theory of highway tunnelJin Wenliang Zhao jinrui Nie Yuwen（Guangdong Highway Design Institute,GuangDong Guangzhou 510507）Abstract: The article discussed t the ventilation network theory and its application in the ventilation of highway tunnel. Firstly the article deducted some theory calculate formulae about traffic wind pressure in the ventilation network, then computed and analyzed the ventilation of Xuefengshan highway tunnel with the use of tunnel ventilation network calculating program including the disposal module of traffic wind pressure. In the end got the good results.Keyword：highway tunnel，ventilation network，traffic wind，original pressure 1 引言近年来，公路隧道运营通风开始使用通风网络理论进行设计计算。隧道内交通量和行车速度的变化动态地影响隧道运营通风系统1。公路隧道通风网络中如何考虑交通风、风机、自然风等因素，在隧道通风网络解算程序中如何实现，本文对此问题进行了尝试性研究。2 通风网络基本理论计算理论服从流体力学基本定律。节点风流连续方程即风量平衡定律式： ；回路风压平衡方程：（不含通风动力，包括自然风压、风机和交通通风力等）或（含通风动力，包括自然风压、风机或交通通风力）。3 通风网络中各种压力源的处理方法通风网络中用得最普遍的是斯考特恒斯雷法求解的回路法。回路法是指以独立回路作为具体计算对象，以独立风量作为独立变量，按风压平衡定律列方程并求解的方法。斯考特恒斯雷法的基本思路：利用方程中一组根的近似值将方程用泰勒级数展开；通过简化，求得风量校正值计算式；再通过逐次迭代计算，求得风量的近似真实值3。下面以交通通风力在网络中的处理方法为例。如图1示的节点为、分支为的通风网络，1、2表示节点号；、表示分支号，网络中仅有交通通风力作用。选定一组独立回路风量（又称余树弦风量），记为，通风网络中独立回路数。以为变量，由独立风压平衡方程可得非线性方程组如下：图1 通风网络图Fig.1 Network of ventilation chart 式中：第支路交通通风力；第支路分支风量；第支路分支风阻；独立回路中支路的风向系数。设风网风压方程组进行次迭代后，已得到第次风量近似值为：将式用泰勒公式展开即： 式中：回路第次风量修正值，。将上式中二次以上高阶微量忽略,得到一组线性方程，写成矩阵形式为 为简化计算，假定上式中系数矩阵具有主对角线优势，即（）。略去同阶微量，即略去式中系数矩阵中非对角线上各项，则式变为： 整理上式即得： 因 代入式得 对上式求导：其中一项，因系对求导，只有当时其导数不为零，因此。 同理，于是可得： 式中分子部分应描述为： 于是得 式即为独立回路风量修正值的计算式。对每个独立回路，每次迭代计算都求得一个风量修正值，然后对回路各分支风量进行修正，第次风量近似值为： 重复式、式，直到各独立回路风量修正值均小于预定的精度为止，即：max , 此时求得的分支风量值,即为该网络近似的自然分风值。为交通通风力，描述为交通流所在分支的风量的函数，即。参照公路隧道通风规范，即有：有了上面的计算公式，就可以编制交通通风力程序块，这样就解决了在隧道通风网络解算程序中交通风的问题。至于通风网络中其他压力源，如风机和自然风压的计算理论和方法，在通风网络理论中都比较成熟，依上面的推导过程也适用。4 工程实例4.1工程概况及基本数据雪峰山隧道位于湖南省境内，是国道主干线上海至瑞丽高速公路邵阳至怀化段控制工程。隧道拟定采用单座斜井送、排式通风方案，右线公路隧道方案平面示意见图2。图2 雪峰山右线隧道通风方案平面示意图Fig.2 Scheme of the ventilation system in Xuefengshan tunnel隧道基本计算参数：隧道断面积：61.582m2；隧道断面当量直径：8.076m；隧道摩阻力系数：0.02；大型车混入率：75（4.41m2）；风流密度：=1.13kg/ m3远期设计年限右线隧道需风量为440.82 m3/s，对应的行车速度为30km/h，斜井送、排风口短道内的窜流风量按设计单位提供取Q=95 m3/s。在此工况条件下用包括交通风压处理模块的隧道通风网络解算程序计算风机功率。4.2网络计算模型将实际工程模型转化为通风网络模型，通风网络模型图4示于图3。图3 右线隧道通风网络模型图Fig.3 Network of ventilating model in right tunnel 图中1、2表示节点号；、表示分支号；虚线为假想自然风压边。4.3计算结果将数据输入程序，解算后结果示于表1中。表1 风网计算结果表分支 始点 终点 风阻 风量 所需升压力 1 1 2 2.011282E-03 330 177.31 2 2 3 1.10052E-04 90 .8914212 3 3 4 .94657E-04 201 -23.394 2 5 1.732302E-02 240 1053.4 5 6 3 .1172621 111 1491.426 5 1 0 330 07 6 5 0 90 0 8 4 6 0 201 0在此工况条件下，可以得到分支交通通风力和风机需求功率，示于表2与表3。表2 分支交通风压计算结果表分支123分支交通风压（N/m2）67.763.8866.11表3 风机配机功率表右线射流风机风量（m3/s）所需升压（N/m2）电机功率邵阳斜井330.00177.31420.00斜井怀化201.00-23.39合计420.00轴流风机风量（m3/s）风机全压（N/m2）电机功率斜井排风机240.001158.74417.18送风机111.001640.56273.18合计690.35右线总计（kW）1110.355 结束语进行合理的公路隧道运营通风设计，就必须计算隧道各种运营工况，采用原始的人工计算方法显然不能满足要求，应用计算机进行隧道通风网络计算就能很好的解决这个问题。应用此计算程序，通过对雪峰山公路隧道等各种工况进行了通风计算，为隧道通风方案比选和最终风机的配置提供了有力的参考。参考文献1JTJ 026.1-1999.公路隧道通风照明设计规范S.中华人民共和国交通部，2000.2长安大学课题组.长大公路隧道通风仿真模拟试验技术的研究R，2003.3郑道访.公路长隧道通风方式研究M.北京：科学技术文献出版社，2000.4王英敏.矿内空气动力学与矿井通风系统M.北京：冶金工业出版社，1994.5苑郁林.通风网络理论在公路隧道运营通风设计中的应用J.公路.2003,10.6M.J.Mcpherson ,Subsurface Ventilation and Environmental Engineering,Chapman & Hall , 1993.7周心权,吴兵,杜红兵. 矿井通风基本概念的理论基础分析J.中国矿业大学学报, 2003,02.作者简介姓 名：金文良性 别：男职 称：助理工程师学 历：硕士工作单位：广东省公路勘察规划设计院有限公司电 话：13416138289传 真：02037393145通讯地址：广东广州市天平架兴华路22号 广东省公路勘察规划设计院 隧道设计部邮 编：510507电子邮箱：jinwenliang20036