交通风力自然通风作用原理探析

2006年8月
第5期(总95) 铁　道　工　程　学　报
JOURNAL OF RA I L WAY E NGI N EER I N G S OC I ETY Aug 2006NO.5(Ser .95)
Ξ　收稿日期:2006-06-13
　ΞΞ作者简介:钟星灿,1954年出生,男,高级工程师。

文章编号:1006-2106(2006)05-0082-06
交通风力自然通风作用原理探析
Ξ
钟星灿
ΞΞ
　高慧翔　龚　波
(铁道第二勘察设计院,　四川成都610031)
摘要:研究目的:在顶部(或侧壁)设有多处通风孔的单向公路交通隧道中,车辆运动产生的交通风力将在开孔处形成相应的压力,探析其压力的形成和作用过程,以获取这种自然通风形式的计算方法。

研究方法:将公路隧道内随机运动的车流假定为恒定持续的车流,根据动量、能量和质量守恒的基本定律,建立相关的关系式,探索分析这种隧道自然通风的气流运动规律。

研究结果:建立并求解关于隧道各个分段风速的n 元二次方程,其它参数则均可求取。

研究结论:在有条件设置通风孔的前提下,单向公路交通隧道采用这种自然通风方式是一种有效的通风方案。

关键词:交通风力;自然通风;风压与阻力平衡;出流与吸入;分析计算中图分类号:U231 文献标识码:A
D iscussi on on Natural Ventil ati on Acti on Pri n ci ple of Traffi c W i n d Force
ZHO NG X i n g -can,GAO Hu i -x i a ng,GO NG Bo
(The Second Survey and Design I nstitute of China Rail w ay,Chengdu,Sichuan 610031,China )
Abstract:Research purposes:I n an one -way high way traffic tunnel,when the openings at many l ocati ons are set up on r oof (or side walls )of the tunnel,corres ponding p ressure at the opening l ocati on shall be for med due t o traffic wind force p r oduced by vehicle move ment .The pur poses are t o discuss and analyze the p ressure come int o being and its acti on p r ocess,and the calculati on method of this natural ventilati on model can be got thereafter .
Research m ethods:The random traveling car fl ow in the high way tunnel is assumed t o be constant and continuous .Ac 2cording t o phil os ophy of momentum ,energy and mass conservati on,the relevant relati onshi p is established t o search after and the author analyzes regularity of airfl ow moti on of natural ventilati on in such tunnel .
Research results:Establishing and s olving the quadric equati on with n unknowns of wind s peed in each subsecti on of tunnel and then other para meters can all be worked out .
Research conclusi on s:Under the p re m ise that ventilati on opening can be set,in the one -way traffic tunnel,this natu 2ral ventilati on mode is als o an effective ventilati on p r oposal .
Key words:traffic wind force;natural ventilati on;wind p ressure and resistance balance;discharge fl ow and sucti on;a 2nalysis and calculati on
在隧道中运行的车辆,由于其具有一定的运动速
度和相应的车体断面积,将能量传递给隧道的空气,造成了隧道内部的空气流动。

这种由车辆运动所引起的隧道气流运动俗称为“活塞风”。

当沿隧道前进方向
的上方(或侧壁)间断设有通风孔与外界大气连通时,隧道内部的气流运动必将在通风孔产生相应的压力,使得通风孔产生排出或吸入气流。

对于双向交通公路隧道而言,由于其相向运动的
车辆产生的运动风压相互抵消,对隧道气流运动的实际作用效果甚微。

从而,隧道气流运动在通风孔处的作用亦不明显。

故设置以自然通风为目的通风孔并无实际意义。

在单向交通公路隧道中,隧道气流的运动方向与车行方向一致,其车辆运动产生的风压是持续的。

在通风孔处的作用风压,将使得通风孔保持持续的气流运动,隧道内部的空气因此而得以置换,其环境空气质量得到相应的改善。

本文旨在探索“设有通风孔”的单向交通隧道气流运动规律,并讨论这种条件下利用交通风力进行自然通风的计算方法。

1　任意无分支隧道
根据能量守恒定律,在单向交通的情况下,车辆运动与隧道空气之间满足
ΔP
t ・A
r
=n・A m・(v t-v r)2・ρ/2
对于任一有限长度的隧道而言,车辆运动产生的气流运动交通风力即为:[3]
ΔP
t =n・
A m
A r
・
ρ
2
・(v
t
-v
r
)
2(1)
式中　ΔP
t
———交通风力的风压(压差)(N・m-2);
A m———车辆迎风面积(m2/辆);
A r———隧道断面积(m2);
v t———车体运动速度(m・s-1);
v r———隧道内空气流速(m・s-1);
n———同向运动的车辆数量(辆);
ρ———空气密度(kg・m-3)。

当外界没有为隧道提供任何空气流动的其它动力,且假定并无其它外界因素干预时,在这个有限长度
内,隧道空气流动可以达到的实际风速v
r
,则需要满足车辆运动产生的风压与实际存在的所有隧道局部阻力
ΔP
z 和沿程摩擦阻力ΔP
m
的自然平衡。

即:
n・
A m
A r
・
ρ
2
・(v
t
-v
r
)2-∑(ΔP m+ΔP z)=0(2)
式中　ΔP
z
———隧道局部阻力(N・m-2);
ΔP
m
———隧道沿程摩擦阻力(N・m-2)。

可以认为,初始状态时,v
r
=0。

ΔP t为最大值,为隧道空气流动提供所需的压力。

终状态时,v
t
>v r,且v r=v max,隧道内空气流速达到了可以达到的最大值。

车辆运动产生的风压,为气
流运动克服了必然存在的隧道沿程摩擦阻力ΔP
m
和
局部阻力ΔP
z
,并使得原本静止的空气达到并保持一定的流速。

此时的车辆运动,已不能为隧道气流运动继续提供更多的风压了。

当车辆运动是恒定持续不变的情况下,隧道内部的气流的运动状态也不会改变。

显然,ΔP
m
和ΔP
z
皆与v
r
相关,(2)式中:
ΔP
m
=λ・L
D
・
ρ
2
・v2
r
(3)
ΔP
z
=ζ・
ρ
2
・v2
r
(4)式中　λ———隧道壁面摩阻损失系数;
D———隧道断面当量直径(m);
L———隧道长度(m);
ζ———局部阻力系数。

于是,在获知其它参数的前提下,将式(3)和(4)代入式(2),求解这个二次方程,隧道内可以达到的风
速v
r
则可以确定。

对于任意无分支的隧道中,其空气运动可视为单管气体流动。

式(2)作为一般性状况的表述都是可以满足的,如图1所示。

图1　任意无分支隧道
图中Q
r
———隧道风量(m3・s-1)。

2　隧道顶部设有通风孔
在隧道出现分支的情况下,譬如隧道顶部设有通风孔时,隧道中流动的气体,已不能视为简单的单管气体流动。

图2为分段隧道设有通风孔的情况。

图2　隧道顶部设有通风孔
图中　Q———隧道通风孔前段的风量(m3・s-1);
v———隧道通风孔前段的风速(m・s-1);
Q r———隧道通风孔后段的风量(m3・
s-1);
38
第5期钟星灿　高慧翔　龚　波:交通风力自然通风作用原理探析
v r———隧道通风孔后段的风速(m・s-1);
Q j———通风孔的风量(m3・s-1);
v j———通风孔的风速(m・s-1)。

对于各个通风口流出或流入的风量Q
j
,我们虽然不能直接地判断其具体流量,但我们容易获知,由于通
风孔的存在,Q
j
使得各个分段隧道气流的流量发生了改变(风速也随之改变),车辆运动与隧道气流之间的
相对速度(v
t
-v r)也因此改变。

从而,各个分段车辆
运动产生的实际风压ΔP
t
,也将发生了相应的改变。

图2中,图示分段的风量Q
r
因通风孔排风分流而
减少(Q
r
<Q),隧道内部空气流速下降(v r<v)。

由于车辆运动的速度不变,故车辆运动与隧道内部气流之
间的相对速度v
t
-v r增大,由式(1)可知,隧道的实际
风压ΔP
t
将有所增加。

显然,在隧道内部随机的车辆运动条件下,探讨这种变化规律是困难的。

但是,我们可以假定车辆运动是恒定持续的,换言之,在单位时间内,车辆流量一定的前提下,运动在隧道中的车辆是均匀分布的。

进而针对其不同车流量,探索各个分段(因通风孔存在)而产生的隧道气流运动规律。

首先,入口段隧道中,其分段内车辆运动产生的作用,并不会局限在本分段内,运动车辆产生的风压,不仅对其临近的通风口产生作用,且将波及前方隧道,并因此影响整个隧道的每个分段。

相应地,入口段中气流的运动,也将受到来自隧道其它各个分段车辆运动影响,以致不能孤立地确定入口段中的气流状态。

同理,任一分段的气流的运动,都将受到其它分段车辆运动的影响。

因此,隧道设有通风孔的情况下,隧道任一分段的气流运动变化,都将导致整个隧道各个分段的气流运动状况发生改变。

隧道各个分段的状态和任一通风孔的气流运动状态皆是与整个隧道系统相关联的,需要将隧道系统视为一个统一的整体来研究其气流运动规律。

3　车辆运动风压(交通风力)与隧道阻
力的平衡
由于为隧道通风而设置的通风口,其通路不宜过长,故各个通风口分支风道的实际长度较短。

对于整个隧道而言,其气流运动的主要系统阻力依然来自纵向隧道的主导气流。

当处于无外界干扰的条件下,其隧道内部车辆运动产生的气流运动,同样则需要满足隧道所有车辆运动产生的风压,与实际存在的整个隧道所有阻力(局
部阻力ΔP
z 和沿程摩擦阻力ΔP
m
)之间的平衡。

设隧道存在n-1个通风口,则整个隧道分为n
段。

其平衡关系式类似于式(2)
ΔP
t1
+ΔP t
2
+ΔP t
3
+...+ΔP t
n
=(ΔP z
1
+ΔP m
1
)+
(ΔP z
2
+ΔP m
2
)+(ΔP z
3
+ΔP m
3
)+...+(ΔP z
n
+ΔP m
n
)
即:
∑
n
i=1
ΔP
t i
=∑
n
i=1
(ΔP z
i
+ΔP m
i
)(5)
或:
∑
n
i=1
n i・
A m
A r
・
ρ
2
・(v
t
-v
i
)2-∑n
i=1
ρ
2
・v2
i
・ζ
i
+λ
L i
D
(5′)
上式表明,对于任意一段隧道而言,其相关的状态
参数(车辆运动产生的风压,以及该段的风速、阻力),
皆不能与隧道通风系统分离而独立确定,且与隧道其
它各段的状态相关。

容易判定,(5)为含有未知变量v
1
～v
n
的n元二
次方程。

虽然对一个独立的n元二次方程求解并无意
义,但其车辆运动产生的风压与隧道系统阻力的平衡
关系,却为隧道系统的通风计算提供了必要的基础。

4　通风口处的气流运动
当隧道设有通风口时,其风口出流或吸入的条件
仅仅取决于隧道内部与外界大气之间的压差。

显然,
隧道内部压力大于外界时,风口向外出流排风。

反之,
则向隧道内吸入。

沿行车方向,对于任意一个通风口而言,位于其后
方的车辆产生的运动风压皆为正压,其作用使得这个
通风口出流排风。

而位于其前方的车辆产生的运动风
压则为负压,其作用效果为吸入室外气流。

当我们能
够确定这个风口处的压力方向和大小,这个风口气流
运动的状况就可以确定了。

设隧道在第k个通风口处的压力为P
k
,则有
P k>0、P k<0、P k=0的3种情况。

对于第三种情况
P k=0,这个通风口不产生气流运动,故无需讨论。

4.1　通风口处于正压排风分流状态
当P
k
>0时,表明位于其后方的车辆产生的运动
风压大于所经过路径的所有阻力,其富裕的压力作用
于这个通风口处,并同时作用在前方隧道(在这种状
态下,也同时表明前方车辆产生的运动风压不足以克
服前方隧道气流运动的阻力)。

而P
k
是后方所有隧
道车辆运动产生的风压与所经过路径的所有阻力总和
之差。

即:
P k=∑
k
i=1
ΔP
ti
-∑
k
i=1
(ΔP zi+ΔP m i)(6)
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或:
P k =∑k
i =1n i ・A m
A r ・ρ2
・(v t -v i )2
-∑k
i =1ρ2・v 2i ・
ζi +
λL i D
(6′)
图3所示为P k >0时隧道通风口附近的压力作用
状态。

图3　P k >0时隧道通风口附近的压力作用状态
图中　v jk ———第k 个通风口的风速(m /s );
Q jk ———第k 个通风口的风量(m 3
/s );F jk ———第k 个通风口的通路断面(m 2
);v k ———第k 段隧道风速(m /s );P w ———外界大气压力(N /m 2
)。

由于前方隧道对第k 个通风孔的作用效果为负压,因此,对于第k 个通风孔而言,其前方隧道必然存在一个压力P x =0的断面x 。

根据能量连续方程,则有P k =P x +∑(P z +P m )
上式中,∑(P z +P m )为断面k ～x 段隧道阻力。

∵P x =0
∴P k =∑(P z +P m )比较形象的表达是,可以将k 点视为一个送风管道的末端,其末端压力为P k ,同时向两个(P w 和P x )压力为零的断面风口送风。

从k 点通过第k 个通风孔流向室外P w 点的气流,则需要满足
P k -(ζjk +
λjk ・L jk /D jk )・v jk 2・ρ/2=0式中,ζj 为通风孔的三通局阻系数与出口局阻系数之和,λj 、L j 、D j ,分别为通路摩阻损失系数、通路长度、通路当量直径。

为简化表达式,我们设第k 个通风孔的综合阻力系数为
z jk =ζjk +
λj ・L jk /D jk 则前式可以表达为z jk ・v jk 2
=P k /(ρ/2)即:
z jk ・v 2jk
=∑k
i =1n i ・A m A r
・(v t -v i )
2
-∑k
i =1・v 2
i ・ζi
+λL i
D
(7)
因此,第k 个通风孔内的流动风速为
v jk =
2・P k
ρ・z jk
而第k 个通风孔的流动风量,则为风速与其断面F jk 的乘积
Q jk =v jk ・F jk =F jk ・
2・P k
ρ・z jk
4.2　通风口处于负压吸入汇流状态
当P k <0时,表明位于k 点断面后方的车辆运动产生的风压,不足以克服所经过路径的所有阻力,其不足的压力由前方隧道运动车辆产生的负压提供。

从而,对于这个通风口而言,也处于负压吸入的汇流状态。

实际上,前述所有关于通风口排风分流表达式皆适合于通风口处于负压吸入的汇流状态。

式(5)表现了整个隧道车辆运动风压与隧道阻力的平衡关系,我们且以k 为分界点,简单地调整这个等式为
∑
k i =1
ΔP ti -∑k
i =1
(ΔP zi +ΔP m i )=-
∑k i =k +1
ΔP ti -∑k
i =k +1
(ΔP zi +ΔP m i )
参照式(6)易知
,等式的左端即为通风口处的压力P k 。

换言之,等式右端同样可以作为P k 的表达式。

当我们讨论通风口处于负压吸入汇流状态,P k 以右端的表达式显得更为直观。

图4所示为P k <0时隧道通风口附近的压力作用状态。

图4　P k <0时隧道通风口附近的压力作用状态
当P k <0时,式(6)的计算结果即为负值,作用在通风口处的风压亦为负压。

我们假定通风孔内的气流流向,以流向室外为正,则流入隧道的流速和流量皆为负值。

于是,关于通风口处的气流运动的描述和表达即为统一的形式。

略有不同的是,我们参考的压力零点x 向这个通风口处的图示左端(后方隧道)偏移(参见图4)。

5　隧道各分段风速的计算
鉴于公路隧道涉及的空气流速相对较低,故将空
气视为不可压缩的气体。

按照质量守恒定律,则任意
5
8第5期钟星灿　高慧翔　龚　波:交通风力自然通风作用原理探析
第k 个通风孔流动的风量(流向室外为正,流入隧道为
负)必然满足:
Q jk =Q k -Q k +1即:
F jk ・v jk =v k ・A r -v k +1・A r
v jk =(v k -v k +1)・A r /F jk
将上式代入式(7),可以得到,任意第k 分段风速
与其它分段风速之间的关系式
z jk ・(v k -v k +1)2
・(
A r F jk
)
2
=∑k
i =1
n i ・
A m A r
・(v t -v i )
2
-∑k
i =1
・v 2
i ・ζi +λL i D
(8)
对于入口至第一个通风口的隧道段(第1段)而
言,则为
z j 1・(v 1-v 2)2
・(
A r F j 1
)
2
=n 1・
A m A r
・(v t -v 1)2
-v 2
1・ζ1+λ
L 1D
对于第一个通风口和至第二个通风口的隧道段
(第2段),则为
z j 2・(v 2-v 3)2
・(A r F j 2
)
2
=n 1・
A m A r
(v t -v 1)
2
+n 2・
A m A r
・(v t -v 2)2
-v 21・ζ1+λL 1D
-v 2
2・ζ2+
λL 2D
对于第k -1个通风口至第k 个通风口的隧道段
(第k 段),其表达式即为式(8)。

在入口段和第一个通风口处(第1段),我们建立的方程包含两个未知量v 1和v 2。

对于第2段,建立的第2个方程包含3个未知量v 1、v 2和v 3。

对于第k 段,建立的第k 个方程包含k +1个未知量v 1......v k 、v k +1。

同理,当k =n -1时,可以建立第n -1个方程,这个方程包含n 个未知量v 1～v n 。

整合以上n -1个方程和车辆运动风压与隧道阻
力的平衡关系式,即式(5′
)。

我们可以得到关于v 1～v n 的n 个方程。

联立这n 个方程为一个方程组,并求解这个n 元
2次方程组,就可以获知整个隧道各个分段的隧道风速了。

在此前提下,关于隧道各个分段和各个通风孔
的其它参数均可求取了。

6　应用实例
某城市公路下穿单向交通隧道,其隧道全长1400m ,断面面积61.5m 2
,顶板距地面的间距为
4～5m 。

经计算分析,隧道按图5在顶板设置通风孔,
其单个通风孔开孔面积皆为33.3m 2。

根据隧道开孔情况,各通风孔的计算流量和各分段隧道计算流速如图6、图7所示:
图5　城市公路下穿隧道通风口设置纵剖示意图(单位:m )
图6　隧道顶部通风孔在不同车速条件下的流量
图7　隧道各分段在不同车速条件下的流速
当车辆分别以20km /h 、40km /h 、60km /h 的车速通过隧道时,仅计算通过通风孔进出气流使隧道可以达到的换气次数,其结果分别为6.85次/h 、12.97次/h 、17.13次/h 。

即使在10km /h 的车速情况下,其通过通
风孔进出气流的计算流量,也可以使隧道的换气次数达到4.43次/h 。

实例表明,在设有通风孔的隧道中,由于隧道内部的车辆运动,使得其内部环境的压力状态沿隧道纵向发生震荡性变化,造成隧道通风孔的气流流动方向逆转换向,其结果使得隧道内部的空气得以置换,从而使隧道环境的空气质量得到改善。

鉴于本文以探析交通风力在自然通风情况下的作用原理为主题,在分析计算中,未涉及客观上对隧道自然通风存在影响的其它因数。

例如外界的自然风阻力、隧道内外的空气容重差产生的浮升效应等。

考虑
6
8　铁　道　工　程　学　报2006年8月
到这些影响因数与交通风力的作用相比,其影响作用相对较小,故本文讨论未将这些影响因数逐一囊括。

实际运用中,完全忽略不计其它因数的影响也是不切合实际的。

在某些因数影响较为明显的情况下,应考虑根据具体情况予以修正。

7　结束语
公路隧道建筑在不同的外界条件下,其面对的实际环境状况也不尽相同。

以上述实例中的城市公路隧道为例,按设计隧道的有害气体计算浓度,若集中于隧道出口处自然排放,将不能满足当地环境空气质量标准。

若试图高空排放隧道车辆运行产生的有害气体,则排风塔设置存在实际困难。

根据具体的环境条件,该隧道工程选择了现行设计方案,既满足了当地环境空气质量标准,也无需设置高空排放风塔。

同时,该设计方案不仅可节省机械通风所必要的运行费用,也减少了因设置机械通风所需要的隧道高度(降低了隧道土建投资)。

沿隧道纵向顶部设置通风孔的自然通风方式,其主要的通风原理是利用交通风力在沿隧道纵向的通风孔处产生震荡性的压力变化,使隧道内部空气与外界得以反复交换,其内部的空气质量较之其它通风方式更为良好。

而隧道通风孔的自然排风,以隧道纵向呈线形分布,难以形成有害气体浓度过高的现象。

因此,在有条件设置通风孔的前提下,单向公路交通隧道采用这种自然通风方式不失为一种有效的通风方案。

参考文献:
[1]　金学易,陈文英.隧道通风及隧道空气动力学[M].北京:
中国铁道出版社,1983.
[2]　周谟仁.流体力学、泵与风机[M].北京:中国建筑工业
出版社,1994.
[3]　JTJ026.1-1999,公路隧道通风照明设计规范[S].
[4]　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.
(编辑　慕成娟　张红英)
(上接第47页)
图5　路堤各点竖向位移与时间的关系图
从图4、图5可知路堤顶部和边坡的中心处的沉降为最大,为4.0mm,在工后40d左右路堤已基本上达到稳定,考虑路堤施工期为2个月,因此能满足工后零沉降要求。

4　结论
本文通过室内单轴压缩蠕变试验结果和采用数值模拟对填筑高度为10m的路堤顶部沉降进行预测的结果知:
(1)从单轴压缩蠕变试验知,红层填料经粉碎后(小于2mm)压实到95%长期强度在655kPa左右,为单轴抗压强度的60%。

(2)红层填料经粉碎后(小于2mm)压实到95%试样的蠕变曲线可拟合成K-K-H模型,相关系数98%以上。

(3)经有限元模拟知,假如红层粉碎到2mm以下并压实到95%,路堤工后沉降为4mm,并在40d 左右达到稳定状态,可满足工后零沉降的要求。

参考文献:
[1]　杨广庆,李树山,刘田明.高速铁路路基设计与施工[M].
北京:中国铁道出版社.1999.
[2]　冯启言,韩宝平,隋旺华.鲁西南地区红层软岩水岩作用
特征与工程应用[J].工程地质学报.1999,7(3):266-
267.
[3]　李廷勇,王建力.中国的红层及发育的地貌类型[J].四
川师范大学学报(自然科学版),2002(25):427-431. [4]　赵明华,邓觐宇,曹文贵.红砂岩崩解特性及其路堤填筑
技术研究[J].中国公路学报,2003,16(3):1-5.
[5]　赵明华,刘晓明,苏永华.含崩解软岩红层材料路用工程
特性试验研究[J].岩土工程学报,2005,26(6):667-
671.
(编辑　刘启山　曹淑荣)
78
第5期钟星灿　高慧翔　龚　波:交通风力自然通风作用原理探析。