Fluent系统在隧道通风设计中的应用.doc

Fluent系统在隧道通风设计中的应用
1、设计概要
近些年来，我国正进行大规模的基础设施建设，高速公路及铁路的建设是基础设施建设的重点。在大规模的高速公路及铁路建设当中，隧道的设计与施工有着角逐轻重的作用。为了保证隧道的长期安全、稳定、经济运营,隧道必须采用合理的通风系统设计,包括通风方式、控制方法的选择以及通风系统的计算等。我们知道隧道的通风关系到司机及乘客的安全，了解隧道的通风方式，从而对隧道进行合理的通风设计是十分必要的。但是由于公路隧道通风系统是一个离散、多变量的大时滞系统,难以获得其精确的数学模型，使得通风控制常具有较大的滞后性。本文通过简化公路隧道通风的复杂因素，在竖井自然通风的状态下，利用Fluent系统模拟隧道湍流通风时的流体流动状态，从而了解隧道的通风状况，通风量，以及判断其安全性的大小，从而为公路隧道的通风设计提供可靠的依据。
2、东南丘陵某单向公路隧道工程的有关概况及特点：
该公路隧道地处东南丘陵地带，海拔高度为500左右。是连接长江中下游平原和闽江平原的重要隧道之一。该隧道是国家交通规划网东南部分的重要路段，也是浙江省至福建省公路骨架网高速公路沟通武夷山脉南北地区交通的控制性工程，属一级公路隧道。
该公路隧道北起某市某乡，南抵某市某镇，隧道全长5.2公里。隧道按双向车道高速公路标准建设；隧道净宽10.5米，限高5米；设计车速80公里/小时，总投资10亿元。
该公路隧道的特点:是我国南部重要隧道；是第一座由我国自行设计、自行施工、自行监理、自行管理，建设规模较大高速公路隧道；采用通风竖井是目前世界较为常见的竖井通风工程，隧道共设置1座通风竖井，井深300米，竖井直径达10米，设置了非常完备的监控和防灾救援系统。从隧道的通车来看，隧道禁止大货车或载放危险物品、燃料 等车辆进入隧道，从某种程度上就是为了保证隧道的安全性。此外，隧道里面的监控系统会 24 小时运转，一旦发生险情便能及时自动报警，进入应急状态并实施应急预案。除此之外，隧道里面还专门设置了消防高温排烟系统。通风系统的设计是在非火灾情况下采用竖井吸出式纵向通风，以避免对洞口大气环境造成污染，且废气排放集中处理，经过环保审核，可以满足环保的要求。
该高速公路隧道的建成，对完善国家和东南部公路网络结构，突破南北交通屏障，改善我国东南交通运输，构建和谐社会，推进长三角和珠三角的经济交流，加快实施长江经济圈和珠江经济圈政治、经济、金融、文化技术交流具有重大的战略意义。同时，对推动我国高速公路特长隧道建设具有重要意义。该隧道能够彻底改善东南地区的交通现状，增强长三角的经济辐射力，极大地促进东南地区经济发展和产业结构的升级，建设东部强省具有重大的政治意义。
3、通风设计思想的提出
随着高等级公路的不断发展,山区隧道也越修越长。从目前的工程实践来看，5km以上的特长隧道如不采用分段式纵向通风,洞内风速很可能超过《公路隧道通风照明设计规范》（JTJ026.1-1999）的规定（10 m/s）。另外，如果发生火灾时,隧道内的排烟路径不能太长，应尽可能分段通风、分段排烟,而实现分段通风的最主要手段就是设置通风井。在公路隧道通风井的选择上,竖井可以大大减小通风阻力，从而降低通风运营费用,所以从国内外的发展趋势来看,越来越多的隧道工程通风井选择了竖井。
该公路隧道全长5.2千米，为单向隧道。根据《公路隧道通风照明设计规范》。为控制隧道内的风速小于10m/s，应采取竖井式通风，经工程计算表明，当设置一个通风竖井时，满足隧道内风速小于10m/s的设计规范。
考虑本隧道竖井功能为运营通风竖井，因此井位的选取中主要考虑通风区段的划分、通风阻力、工程地质条件、水文地质条件、地形条件等因素。通风区段的划分主要根据通风计算，使不同通风区段内满足各种工况下的通风要求；通风阻力的分析应以不同井位的通风计算结果为依据。工程及水文地 质条件影响，主要考虑竖井应选择在地质条件较好，含水量较小的岩层中；地形条件主要考 虑影响竖井的深度，地表水的影响、建井场地、施工便道等因素。隧道竖井形式确定中主要影响因素为： 环境影响、井位条件、施工工期、施工干扰、运营费用、土建费用等。经综合考虑，本隧道选取单竖井方案。
4、设计依据
本工程设计的主要依据是中华人民共和国交通部于2000年1月7日颁布的《公路隧道通风照明设计规范》；《工业通风设计手册》等。主要依据如下：
4.1通风方式：根据规范要求。双向交通隧道符合式：

式中：L为隧道长度（m）
N为每小时通车量（辆/h）
时宜采用机械通风。单向交通隧道符合式：

式中：L为隧道长度（m）
N为每小时通车量（辆/h）
根据一级公路的通车量标准，设该隧道通车量N等于300辆/小时。隧道长度为。根据单向隧道的通风方式设计标准，L×N小于，故可采用自然通风。
4.2设计风速：单向交通的隧道设计风速不宜大于，特殊情况下可取。本工程采取竖井式通风设计，控制风速为。
4.3设计浓度：采取纵向通风时浓度可根据下表取值。

表4-1：设计浓度
隧道长度
1000
3000
（ppm）
300
250
考虑交通阻滞时可取300ppm。根据以上规范，的设计浓度取值300ppm。
4.4需风量设计：稀释需风量计算公式：

——隧道全长稀释的需风量；
——隧道全长排放量；
——标准大气压，取值101.3kpa；
——隧址设计气压；
——隧道夏季设计温度。
根据一级公路的排放量标准计算，该隧道取值为；取值为98kpa；取值为298K。经计算得值为。
4.5稀释烟雾需风量设计：依据公式：

——隧道全长烟雾排放量（）；
——烟雾设计浓度（）。
根据一级公路隧道烟雾排放标准，通车量为300辆/h的为。车速为80km/h时取值为。经计算得需风量。
5、gambit建模及fluent仿真模拟器中的参数设置和调试过程介绍
5.1应用gambit建立系统结果模型：由于隧道长高比太大，不利于全程隧道的模型建立，所以截取隧道内竖井通风处长30m、宽10.5m、高5米建立结构模型。具体步骤如下：
（1）利用gambit确定隧道模型的点。通过对所构想的模型进行分析，确定每个点的三维坐标，在gambit中逐个输入点的坐标，从而确定点的位置。如图：
图：5.1
（2）利用gambit将所确定的点形成线。在gambit中点击输入线条按钮，确定输入直线，在按住键盘shift键，奖所要连成线的点连成线。需要输入曲线或圆弧时，将输入对象改成曲线或者圆弧即可，也可用鼠标选入相应点，点击apply。
（3）利用gambit将所形成的线形成面。将输入状态切换到面的输入。类似于点形成线，按住shift，选中需要形成面的线条，点击apply形成相应平面或曲面。如图：

图：5.2
（4）将形成的面形成体。将所要形成体的平面或者曲面按住shift选中，形成相应的体，本模型共形成两个体，在去掉两体公共部分，形成一个体。
（5）形成体网格。设置形成体网格的大小为0.5，点击apply形成体网格。

图：5.3
（6）设置模型的边界及流体的进出口。设置模型的左端为进口，竖井上端，和隧道右端为出口。其余为边界。
5.2fluent仿真器的设置和试调：
（1）导入网格：读入网格（zhangfan．msh）
File → Read → Case
读入网格后，在窗口显示进程
（2）检查网格：Grid → Check
Fluent对网格进行多种检查，并显示结果。注意最小容积，确保最小容积值为正。

图：5.4
（3）设置边界条件：Define → Boundary Conditions

图：5.5
（4）采用湍流模型。Define → Models → Viscous

图：5.6
（5）设置重力加速的：Define → Operating Conditions。

图：5.7
（6）使用默认初始化值：使用默认初始化值，初始化，Solve→ Initialize → Initialize

图：5.8
（7）打开监视器：solve-monitors-residual；弹出对话框后选中plot，点击ok。

图：5.9
（8）运行计算：Solve → Itera，设定Number of Time Steps 为100；点击Itera

图：5.10
（9）显示流场图像：display-vectors；弹出对话框后选中边界，点击apply。

图：5.11
六、通风设计说明及有关截图
（1）根据有关规范，所设计出的隧道采用竖井自然通风方式，风速为8m/s。在模型设计时为保证长、宽、高的比例，故去长为30m的竖井段作为模型建立的依据。通过所截隧道建立的模型三视图：

图：6.1
为使模型在fluent中显示的流场能更充分地反应流场状态，又考虑到电脑运行问题，所设计的网格大小为0.5。
（2）迭代100次所得的残差图：

图：6.2 残差图
（3）为了了解流场中流体流速的大小及方向，所得流体速度矢量图：

图：6.3 速度矢量图
从图中可以看出流体从进口处进入后，在隧道通风竖井处分成两个方向，一个方向从隧道出口流出，另一个方向从通风竖井处流出。
4）所得流场压强图为

图：6.4 压强图
从图6.4可以看出在流体在竖井处由于流体流速较大，故而压强较小。
（5）所得流体流线图为

图：6.5 流线图
从流体流线分布图可以看出，在通风竖井靠入口处形成漩涡，不利于流体的通风。
七、总结
从所建模型模拟流场状况看，流体流动分布合理，符合隧道设计的要求。但考虑到通风竖井更好地通风，减少流体产生漩涡流动，阻碍隧道的通风效果。故而可以将通风竖井靠近隧道顶部部分可具有一定倾斜度，这样有利于流体的通风流畅。当然，在具体工程中还应该考虑地形地貌特点。
在此次利用gambit建模和fluent仿真器进行流场仿真的过程中，进一步了解了这两款软件的使用。加深巩固了理论课程上所学到的基本理论知识。