《隧道通风》习题参考问题详解,重庆大学版隧道通风安全系统与照明习题参考问题详解

第1章习题1.1 隧道空气中常见的有害气体有哪些？隧道空气中常见的有害气体主要指的是机动车辆通过隧道时所排放出的废气，它包含的主要有害气体有一氧化碳（CO）、一氧化氮（NO）、二氧化氮（NO2）及其他氮氧化合物（NO x）、硫化气体（H2S，SO2）、甲醛（HCHO）、乙醛（CH3CHO）、粉尘以及未燃烧完全的燃料微粒所形成的烟尘等。

1.2 隧道空气的主要成分有哪些？隧道空气即地面空气，地面空气是由干空气和水蒸气组成的混合气体，通常称为湿空气。

湿空气中仅含有少量的水蒸气，但其含量的变化会引起湿空气的物理性质和状态发生变化。

干空气是指完全不含有水蒸气的空气，它是由氧、氮、二氧化碳、氩、氖和其他一些微量气体所组成的混合气体。

隧道地面大气中还含有各类细微颗粒，如尘埃、微生物等。

这些物质不计入空气的组分，也不影响主要成分之间的比例关系。

1.3 什么叫隧道气候？隧道气候是指隧道空气的温度、湿度和流速这三个参数的综合作用状态。

这三个参数的不同组合，便构成了不同的隧道气候条件。

隧道气候条件对作业人员的身体健康和劳动安全有重要的影响。

第2章习题2.1 描述隧道空气物理状态的参数主要有哪些？并简要说明其定义。

（1）描述隧道空气物理状态的参数主要有压力、温度、湿度、比容、密度、粘度、比热、焓等状态参数。

（2）空气的压力（压强在隧道通风中习惯称为压力）也称为空气的静压，用符号P表示，它是空气分子热运动对器壁碰撞的宏观表现，其大小取决于在重力场中的位量（相对高度）、空气温度、湿度（相对湿度）和气体成分等参数。

（3）温度是物体冷热程度的标志。

根据分子运动理论，气体的温度是气体分子运动动能的度量。

（4）空气的湿度是指空气的潮湿程度，有两种度量方法：绝对湿度和相对湿度。

（5）空气和其他物质一样具有质量，单位体积空气所具有的质量称为空气的密度，用ρ（kg/m³）表示。

（6）单位质量物质所占的容积称为比容，用υ（m³/kg）表示。

（7）流体的粘性指流体抗剪切的性质，用粘度（或称粘滞系数）表示。

（8）单位质量物体温度升高一度所需的热量称为比热，用字母C表示。

（9）焓是一个复合的状态参数，它是能u和压力功PV之和，焓也称热焓。

2.2 简述什么是隧道风流的静压能、重力位能、动能、势压、全压。

（1）静压能是指由分子热运动产生的分子动能的一部分转化的能够对外作功的机械能，用E P表示（J/m3）。

当空气分子撞击到器壁上时就有了力的效应，这种单位面积上力的效应称作静压力，简称静压，用P表示（N/m2，即Pa）。

在隧道通风中，压力的概念与物理学中的压强相同，即单位面积上受到的垂直作用力。

静压也可称为是静压能。

（2）重力位能是指物体在地球重力场中因地球引力的作用，由于位置的不同而具有的一种能量，简称位能，用E P0表示。

（3）隧道风流的动能是指当空气流动时，除了位能和静压能外，还具有的空气宏观定向运动所产生的的能量，用E v表示，J/m3。

（4）势能（势压）是指在通风中某点的静压和位能之和。

（5）风流的全压是指流动气体中某一点的静压与动压的代数和。

2.3 简述空气流动的连续性方程，并简要说明两种特殊情况。

1）空气流动的连续性方程风流在隧道中的流动可以看作是稳定流（流动参数不随时间变化的流动称之为稳定流），在无点源或点汇存在时，根据质量守恒定律：对于稳定流，流入某空间的流体质量必然等于流出其的流体质量。

图一元稳定流如图所示，当隧道中风流从1断面流向2断面，且作定常流动（即在流动过程中不漏风又无补给）时，根据物质不灭定律，则有两个过流断面的空气质量相等，即：ρ１V1S1＝ρ2V２S２式中：ρ１、ρ2－－1、2断面上空气的平均密度，kg/m3；V1,，V2－－1、2断面上空气的平均流速，m/s；S1、S2－－1、２断面面积，m2。

任一过流断面的质量流量为M i（㎏/s）,则：M i=const这就是空气流动的连续性方程，它适用于可压缩和不可压缩气体。

2）两种特殊情况：（1）若对于可压缩流体，当S1＝S2时，有ρ１V1＝ρ２V２。

也就是说流体的密度与其流速成反比，即流速大的断面上的密度比流速小的断面上的密度要小；（2）对于不可压缩流体，有ρ１＝ρ２，则V1S1＝V2S2。

也就是说通过任一断面的体积流量Q（m³/s）相等，即Q=v i S i=const。

2.4 简述隧道通风的能量方程，并简要说明它在使用时的注意事项。

1）隧道通风的能量方程通过一定的假设和简化处理，我们可以推导得出适合隧道通风的能量方程式：图2211221011202212v v P P 22L gZ gZ P ρρρρ-++=+++∆上式可改写成：2211221212011022v -v P -P -2L P g Z Z ρρρρ-∆=++（）（）式中：P 1、P 2—1、2断面上的绝对静压，Pa ；ρ01、ρ02——空气的平均密度，kg/m ³；Z 1、Z 2——基准面至1、2断面的垂直高度，m ；g ——重力加速度，m/s 2；ρ1、ρ2——1、2断面上空气的平均密度，kg/m ³；v 1、v 2——1、2断面上的平均风速，m/s ；P ∆L1-2——1、2断面间隧道的通风阻力，Pa 。

上式右端是断面1与断面2的风流压力差，习惯上称为该段隧道的通风压力（或风压、风压损失、风压降）。

2）在使用能量方程时，需要注意以下几点说明。

（1）能量方程的意义是，表示1m 3空气由1断面流向2断面的过程中所消耗的能量（通风阻力），等于流经1、2断面间空气总机械能（静压能、动压能和位能）的变化量。

（2）风流流动必须是稳定流，即断面上的参数不随时间的变化而变化。

（3）风流总是从总能量（机械能）大的地方流向总能量小的地方。

在判断风流方向时，应用始末两断面上的总能量来进行，而不能只看其中的某一项。

如不知风流方向，列能量方程时，应先假设风流方向，如果计算出的能量损失（通风阻力）为正，说明风流方向假设正确；如果为负，则风流方与假设相反。

（4）应用能量方程时要注意各项单位的一致性。

（5）对于流动过程中流量发生变化，如图，则按总能量守恒与转换定律列方程。

R133R122323333322222221211111h Q h Q 2v P Z Q 2v P Z Q 2v P Z Q ⋅+⋅+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+++⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++ρρρρρρg g g m m m23图2.5 简述什么是隧道风流断面的风速分布系数。

断面上平均风速v 与最大风速v max 的比值称为风速分布系数（速度场系数），用K v 表示：m ax v vK v = 。

K v 值与隧道断面粗糙程度有关。

巷壁愈光滑，K v 值愈大，即断面上风速分布愈均匀。

2.6 简述什么是隧道通风的摩擦阻力，并简要说明层流和紊流状态下的摩擦阻力计算公式。

（1）风流在隧道中作沿程流动时，由于流体层间的摩擦和流体与隧道壁面之间的摩擦所形成的阻力称为摩擦阻力（也叫沿程阻力）。

（2）层流状态下隧道摩擦阻力的计算式：式中：f P D ——单位体积（1m ³）风流的能量损失，Pa ；γ——运动粘度（或称运动粘性系数），㎡/s ；ρ——空气密度，kg/m ³；L ——风道长度，m ；U ——隧道断面的湿周，m ；A ——隧道断面的面积，m 2；v r ——断面平均风速，m/s ；Q ——通过隧道的风量，m ³/s 。

（3）紊流的摩擦阻力除了空气粘性产少的摩擦力面外，还有空气质点相互掺混产生的阻力，其计算公式如下：式中λr 为无因次系数，即摩擦阻力系数，通过实验求得，公式中其它符号含义同上。

2.7 简述什么是隧道通风的局部阻力，并写出隧道入口、出口处，以及断面突然扩大时的局部阻力计算公式。

（1）风流流经隧道的某些局部地点，如有断面突然扩大或缩小、转弯、分岔以及障碍物等，由于速度或方向发生突然变化，导致风流产生剧烈的冲击，形成涡流，从而损失能量，造成这种冲击与涡流的阻力称为局部阻力。

（2）隧道断面突然扩大时的局部阻力风流断面突然扩大时的物理现象可以解释大多数局部阻力导致风流能量损失的原因，因此，该书针对风流断面突然扩大造成的局部阻力加以分析，其他情况类似。

当因风道的突然扩大而引起风流体积的扩大时，空气自小断面S 1流向大断面S 2，它所产生局部阻力的计算公式如下：22112(1)2A v P A ρD =-•大 式中：P D 大——风流的局部阻力，Pa ；v 1、v 2——风流在风道突然扩大前、后的风速，m/s ；S 1、S 2——风道的小断面面积、大断面面积，㎡。

令212(1)A A ξ=-大 则有： 212v P ρξD =•大大式中：ξ大——突然扩大的局部阻力系数（无因次），对于光滑管道的突然扩大，可以按管道的大小断面计算出。

（3）隧道进口20.52v P ρD =•入式中：v ——隧道中气流速度，m/s 。

（4）隧道出口21.02v P ρD =•出式中：v ——隧道出口断面的气流速度，m/s 。

2.8 简述隧道通风的通风阻力定律。

根据摩擦阻力与局部阻力的表达式，可以写出通风阻力的通用表达式：2=P RQ D式中：P D ——通风阻力，Pa ；R ——风阻，N ·s 2／m 8；Q ——风量，m ³/s 。

上式称为通风阻力定律。

它反映了通风阻力与风阻、风量的相互关系。

这一定律对于一条管道，或者几条管道的组合，或者整个系统都是适用的。

2.9 简述什么是交通风、单向交通、双向交通，并简要介绍如何计算单向交通通风力、双向交通通风力。

（1）交通风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，造成了隧道部的空气流动，这种由交通车辆引起的风流叫交通风，由于它类似于活塞的作用，所以也叫活塞风。

（2）单向交通及单向交通通风力计算单向交通，或称单向通行、单行线、单行道、单向路，是指只允许车辆按某一方向行驶的道路交通。

进入单行路的车辆应按照交通标志所指示的方向行驶，不能逆向行驶。

单向交通通风力的计算可按下式进行： 2()()2m t t r r A P n v v A ρD ++=⨯⨯⨯- 式中：t P ∆——交通风阻力(2/m N )； +n ——隧道实测的与r v 同向的车辆数(辆/h)，()+⨯=t V NL n 3600，其中+n 为与r v 同向的高峰小时交通流量，L 为隧道长度(m)；-n ——隧道实测的与r v 反向的车辆数(辆/h)，()-3600t V NL n ⨯=，其中-n 为与r v 反向的高峰小时交通流量；r v ——隧道设计风速(s m /)，一般情况reqr r Q v A =；)(+t v ——与r v 同向的各工况车速(s m /)；)(-t v ——与r v 反向的各工况车速(s m /)；m A ——汽车等效阻抗面积(2m )；r A ——隧道净空面积(m 2) 。