6 射流风机组合方式对隧道内污染物稀释效果影响的分析

射流风机组合方式对隧道内污染物稀释效果影响的分析王颖1邢金城1凌继红1李建兴2李小江31天津大学 2天津市市政设计研究院 3天津天乐国际工程咨询设计有限公司摘要：目前在射流风机的选型设计中，仅根据通风系统所需的总升压力布置射流风机，没有统一的依据。

鉴于此，本文以隧道内CO浓度作为依据，研究了射流风机的不同组合对隧道内CO等污染物的稀释效果。

以天津某快速路隧道结构参数为依据，建立数学模型，对隧道内的气流分布进行模拟。

为了保证数值模拟的可靠性，根据相似原理，设计隧道通风模型，模拟隧道射流通风并分析其射流通风特性。

通过对不同风机组合方式的模拟比较得出：对于相同组数的不同风机组合，在相同的风机布置方式下，小风机组合稀释CO的效果优于大风机组合。

关键词：射流风机组合方式稀释效果工况模拟1前言隧道通风可分为自然通风和机械通风两种方式。

隧道的机械通风方式又分为全横向通风、半横向通风及纵向通风方式【1】。

目前隧道通常采用单向双洞的形式，为了充分利用交通风，长大隧道普遍采用纵向通风的方式。

隧道纵向通风设计计算主要分为3个步骤：<1）根据交通量和交通车型组成，计算CO、烟雾等污染物散发量、进而根据隧道通风卫生标准，分别确定隧道稀释CO、烟雾和异味需风量，同时考虑隧道防火排烟要求，综合考虑以上因素，取最大值作为隧道所需通风量；(2>根据隧道所需通风量计算通风阻抗力、交通通风力、自然风阻力，确定射流风机总的升压力；(3>由隧道所需总的升压力和单台射流风机升压力确定射流风机型号、台数及布置方式。

在设计过程中(1>、(2>两步实施极为方便，但在随后确定射流风机型号、台数及布置时，却只有总升压力一个约束条件，导致射流风机选型及布置有很大的随意性。

例如，可以选用多台小风机组合，也可选择少台大风机组合，难以确定孰优孰劣，而规范也没有对此给出答案。

鉴于此，本文采用CFD<计算流体动力学）方法，以隧道内CO浓度作为依据，对射流风机不同组合下的通风性能进行了分析。

2风机台数的确定对于全射流纵向通风系统而言，隧道内的升压力主要由交通风升压力和射流风机升压力来提供，隧道内的压力损失或者阻力主要有自然风阻力和通风阻抗力，根据《公路隧道通风照明设计规范》中的方法进行设计，隧道内的压力平衡应满足下式:(2-1>——射流风机群总升压力<N/m2）；——交通通风力<N/m2）；——通风阻抗力<N/m2）；——自然风阻力<N/m2）。

由隧道内压力平衡式<2-1）可得射流风机台数的确定如下(2-2>现行的隧道纵向通风设计中，一般是按照上述步骤计算，最终通过计算不同型号的射流风机的升压力，选取不同型号风机所需台数。

在选取风机时有很大的随意性，无法判断哪种风机组合最优。

规范中没有给出判据，本研究将对此给出解释。

3数值研究3.1物理模型本文以天津某城市隧道为原始数据建立模型，该城市隧道全长880m，分为两个独立箱室，单向双洞，隧道截面为矩形，宽13.25m，高5.5m。

为了简化计算，隧道的宽度和高度与原隧道尺寸一致，隧道长度略短于实际的隧道长度，另外忽略隧道截面边界处的倒角、隧道拐角处和坡度的影响<如图2射流风机横断面布置图）。

隧道内的CO污染物散发量依据该隧道的车况和车流量按隧道长度比例折算。

根据该隧道断面实际几何尺寸，建立1：1三维模型进行仿真分析。

计算模型见图1。

物理模型主要尺寸参数见表1。

图1隧道物理模型及网格划分图2射流风机横断面布置图 表1 不同风机组合的模拟工况注：布置方式132.5-180-212.5-172.5-182.5，表示风机分四组布置，第一组风机的洞口距为132.5m ，第二组风机与第一组风机之间间距180m ，第三组风机与第二组风机之间间距180m ，第四组风机与第三组风机之间间距172.5m ，第四组风机距隧道出口182.5m ；132.5-230-240-277.5，表示风机分三组布置，第一组风机的洞口距为132.5m ，第二组风机与第一组风机之间间距230m ，第三组风机与第二组风机之间间距240m ，第三组风机距隧道出口182.5m 。

射流风机结构相对简单，中间为风扇，风扇两侧为消声器，不同厂家的风机消声器的结构有所不同，一般消声器出口带有倒角，便于气流扩散，也有的厂家射流风机消声器带有均流板和百叶等。

本文中模拟根据实际的射流风机的长度尺寸对射流风机进行了简化如图3。

图3射流风机数值模拟的物理模型3.2数学模型3.2.1控制方程公路隧道通风场中流体流速一般小于50m/s。

考虑到公路通风系统的庞大性及实际工程对计算精度的要求，计算中进行了如下假定：1）流体是不可压缩的；2）流体是连续介质；3>流体是稳定流；4）流体遵循能量守恒定律[2]。

流场控制方程采用微分控制方程表示如下<3-1）流体控制方程除了包括动量平衡微分<N-S）方程之外，还包括质量平衡微分方程，模拟隧道风场中CO的浓度分布，根据给定的控制方程并结合一定的边界条件，CFD程序通过迭代计算求解控制方程，从而最终给出计算模型流场、压力场和浓度场的分布情况【3-5】。

3.2.2边界条件紊流模型采用标准的k-ε二方程模型，假设隧道内无内热源，围护结构绝热，气体为不可压缩连续流体，加入组分传输模型<species-transport）。

隧道外界压力：1.01325×105pa，隧道进口设为压力进口<pressure-inlet）2.5pa；隧道出口设为压力出口<pressure-outlet）14.7pa；墙壁设为绝热壁面，隧道的摩擦阻力系数0.0216；隧道内操作温度300K；射流风机设为fan边界条件，压力850pa，出口风速25.89m/s；CO散发源<汽车）设为流体源项<fluid source-terms），CO散发量0.0636kg/s。

3.3实验验证3.3.1实验模型的建立建立模型实验时以相似理论为基础，通过分析原型和模型的相互关系，确定模型实验的计算参数，进而在此基础上研究流体的变化规律。

根据相似原理【6】，模型相似首先是几何相似，因此隧道模型和原型隧道相应的长度尺寸比例要相等，相应的角度也要相等。

模型采用比例1：25，对隧道长度，截面尺寸，风机都做到了几何相似<见表2）。

由于射流风机模型的尺寸较小，很难选择到合适的电机和风机，因此，模型实验中以两个弯头替代射流风机的进风口和出风口，借助管路系统，与外置的中压风机相连，使喷口达到所需的进风速度和出风速度。

为了使喷口出风尽量均匀，在出风弯头处设置了均流装置，通过风速仪测试喷口风速，调整均流板，保证喷口气流速度均匀。

3.3.2实验数据通过数据整理，得出隧道断面平均风速和平均动压变化曲线，如图4所示，气体的平均流速先逐渐升高，当速度升高到一定值时，速度逐渐减小，直到减小到一定范围内，流速基本不再变化。

图4 数值模拟与模型实验断面平均风速对比图5数值模拟与模型实验断面平均动压对比经过数据分析整理，从图4、5可以看出，数值模拟的结果与实验的测量值基本吻合，速度场和压力场变化趋势一致，在风机射流扩散段内，由于气流的波动性比较大，实验测量时的误差较大，进入压力通风段之后，隧道内的气流比较稳定，测试结果较射流扩散段准确，相对误差更小一些。

经计算，实验结果和模拟结果平均动压的平均标称相对误差为4%，断面平均风速的平均标称相对误差为7.8%。

由此可见，模拟值与实验值基本吻合，数值模拟的结果是可靠的，数值模拟的边界条件设置是可行的，可以用于进一步研究。

本文在此基础上，进行了风机的串并联等多种工况的模拟，分析并比较了不同工况下对CO浓度的稀释效果。

3.4模拟结果分析从1.5m高平面CO浓度分布图<图6）可以看出，在接近隧道出口处，SDS-8型风机相比SDS-6.3型风机组合CO浓度偏大，SDS-12.5型风机比SDS-10型风机CO浓度值偏大，具体数值请见表3。

图6 不同风机组合1.5m高平面CO浓度分布图表3不同风机组合模拟结果对比10.2%，诱导比升高18.1%。

由于这两种工况的布置方式是串、并联混合布置，由于射流风机并联时风机之间的气流相互掺混，射流相互影响，降低了风机的升压能力，从而导致了诱导比的下降，使得CO 浓度值偏高，工况1、2在布置方式相同的情况下，SDS-6.3的小风机组合优于SDS-8的大风机组合。

SDS-10与SDS-12.5两种风机组合的布置方式均为串联，可以看出工况3比工况4整体CO平均浓度降低23.7%，诱导比升高46.2%，在这种布置方式下，小风机组合对CO的稀释效果优于大风机组合。

在相同的隧道结构尺寸，相同的出口风速下，随着射流风机的口径的增大，风机的诱导比逐渐减小，对于单台风机的诱导能力而言，小风机的诱导能力较好。

从风机的功率来看，工况1总功率为132kw，工况2为88kw，工况3为120kw，工况4总功率为165kw，小风机组合的总装机功率相对较小。

综上，在进行隧道通风设计时，通过隧道所需的总理论升压力和单台射流风机升压力计算出不同型号射流风机的台数，综合考虑隧道的长度确定射流风机的组数，对于相同组数的不同风机组合，在相同的风机布置方式下，小风机组合稀释CO的效果较优，另外，还要从能耗角度分析不同风机组合的能耗情况，选取适合的射流风机组合。

4结论在保持理论总升压力不变条件下，通过对不同风机组合方式的模拟比较得出，对于相同组数的不同风机组合，在相同的风机布置方式下，小风机组合稀释CO的效果优于大风机组合。

参考文献[1] 王汉清，通风工程[M].北京：机械工业出版社，2007.101～120。

[2] 祝冰、关宝树、郑道坊等，公路长隧道纵向通风的数值模拟[J].西南交通大学学报，1999.2。

[3] 交通部：《公路隧道通风照明设计规范》[S].人民交通出版社，1999。

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[5] 邓顺熙、成平，纵向通风隧道内空气污染物浓度及通风量的计算[J].中国公路学报，2002.1<15）86～88。

[6]王新月，气体动力学基础[M]，西安：西北工业大学出版社，2006。