CN101864978B - 曲线隧道通风沿程阻力的确定方法 - Google Patents

Abstract

曲线隧道通风沿程阻力的确定方法，包括步骤：1)分析直线隧道沿程阻力hf的确定方法；2)用计算流体力学CFD方法和大型流体力学软件FLUENT，建立计算隧道沿程阻力数学模型、曲线隧道半径从150-10000m和直线隧道的几何模型和隧道空间内气体流动的物理模型；3)由模型确定两种极限粗糙度阻力系数λf；4)确定曲线隧道空气流动稳定距离段内阻力和阻力系数；5)对半径小于2000m时，曲线与直线隧道沿程阻力系数的比值进行非线形拟合，得出；λ(R)＝1.8235λ _直线R ^-0.078 ；6)由λ(R)确定出曲线隧道沿程阻力h _f(R)。本发明获得准确的曲线隧道沿程阻力系数，该系数也充分反映了隧道线形结构及隧道壁面粗糙的影响，不仅填补了曲线隧道通风沿程阻力研究的空白，且为曲线隧道通风沿程阻力的设计提供科学依据，具有重要工程意义，保障了曲线隧道营运安全和节能。

Description

曲线隧道通风沿程阻力的确定方法

(一)技术领域：本发明涉及曲线隧道通风沿程阻力的确定方法，属隧道通风类(E21F)。

(二)背景技术：

随着我国隧道工程的快速发展，尤其是公路隧道的迅猛发展，隧道通风工程的重要性逐渐受到相关研究学者、设计人员及施工人员的高度重视。隧道通风工程的设计则成为隧道安全营运和高效节能运营的关键。目前，我国隧道工程线形的设计从以往单一的直线形发展到曲线形，甚至螺旋线形。如：北京至昆明高速公路四川境内雅安至泸沽项目雅安～石棉～泸沽高速公路段双螺旋隧道，干海子隧道和铁寨子Ⅰ号隧道。曲线隧道线形的变化将直接影响曲线隧道通风沿程阻力的大小，从而直接影响曲线隧道通风系统的设计。因而，曲线隧道通风沿程阻力的确定是曲线隧道通风系统设计的基础和关键。

目前，国内外相关研究学者研究对象主要集中于直线隧道沿程阻力，对于曲线隧道通风沿程阻力的研究较少，也是研究的空白，且国家设计规范中对曲线隧道通风沿程阻力的确定也未作相应的说明。这对曲线隧道通风系统的设计造成了较大的困难，对曲线隧道营运安全和节能将产生严重的影响。

(三)发明内容

本发明提供的曲线隧道通风沿程阻力的确定方法，目的之一是弥补目前曲线隧道通风沿程阻力计算研究的空白，为曲线隧道通风系统的设计提供科学依据，以保障曲线隧道营运安全和节能。采用的技术方案如下：

曲线隧道通风沿程阻力的确定方法，其特征是该方法包括如下步骤：

1)分析直线隧道沿程阻力h_f的确定方法为：

$h_f=\mathrm{\λ}\·\frac{l}{d}\·\frac{v^2}{2g}---\left(A\right)$

上式中：l为隧道长度m；d为隧道断面当量直径m；v为隧道内断面平均速度，m/s；g为重力加速度，m/s²；λ为隧道沿程阻力系数；

2)采用计算流体力学CFD方法，利用大型流体力学软件FLUENT，建立如下模型：

①建立计算曲线隧道沿程阻力的数学模型，应用了连续性方程、动量方程和k-ε湍流模型；

②建立不同半径曲线隧道和直线隧道的几何模型：建立的曲线半径R选为150m、300m、400m、600m、1000m、1200m、2000m、5000m和10000m的曲线隧道几何模型，模型的长度为1800m；

③建立不同半径曲线隧道空间内气体流动的物理模型，建立该物理模型时在隧道各处取的边界条件如下：隧道入口为速度边界条件，隧道出口为压力边界条件，隧道壁面和地面为静止的壁面边界条件，壁面粗糙度Δ根据设计施工要求选择相应的粗糙度；

3)依据上述模型和方法，分别按隧道壁面两种极限粗糙度Δ＝0.8mm和Δ＝8mm对不同半径曲线隧道沿程阻力系数λ、λ/λ_直线进行三维数值模拟计算；

4)根据上述计算结果，确定曲线隧道空气流动稳定距离段ΔL内的沿程阻力h_f和对应的沿程阻力系数λ_f，步骤如下：

①在以上各个曲线隧道模型和直线隧道中分别选取距入口断面L₁＝600m和L₂＝1200m的两断面S₁、S₂，分别确定出两断面的平均空气压力P₁、P₂，两断面空气压差P₂-P₁即为两断面间的沿程阻力h_f；

②根据上述确定的沿程阻力h_f和上述沿程阻力h_f的确定公式(A)，便可确定出对应的不同半径曲线隧道内沿程阻力系数λ_f和直线隧道沿程阻力系数λ_直线，并获得稳定距离段ΔL段内曲线与直线隧道沿程阻力系数的比值λ/λ_直线；

5)由获得的上述稳定距离段ΔL段内的曲线与直线隧道沿程阻力系数的比值λ/λ_直线得出：①曲线隧道半径R大于2000m时，沿程阻力系数曲线与直线隧道相差较小；②当曲线隧道半径R小于2000m时，曲线比直线隧道沿程阻力系数随半径的减小迅速增大。通过对半径小于2000m曲线与直线隧道沿程阻力系数的比值进行非线形拟合，整理得出；

λ/λ_直线(R)＝1.8235R^-0.078 λ(R)＝1.8235λ_直线R^-0.078    (B)

6)将公式(B)函数再代入公式(A)，便确定出不同半径曲线隧道沿程阻力h_f(R)。

本发明的有益效果：

本发明采用数值计算方法和模型，获得了最准确的不同曲线隧道沿程阻力系数，该系数也最准确和充分反映了隧道线形结构及隧道壁面粗糙的影响。本专利不仅填补了目前对曲线隧道通风沿程阻力研究的空白，而且为曲线隧道通风沿程阻力的设计提供了科学依据，具有重要的工程意义。保障曲线隧道营运安全和节能。

(四)附图说明

图1曲线隧道几何模型R＝300m；

图2曲线隧道几何模型R＝2000m；

图3曲线隧道沿程阻力系数随半径R的变化曲线λ(Δ＝0.8mm)；

图4曲线隧道与直线隧道沿程阻力系数比值随半径R的变化曲线λ/λ_直线(Δ＝0.8mm)；

图5曲线隧道沿程阻力系数随半径R的变化曲线λ(Δ＝8.0mm)；

图6曲线与直线隧道沿程阻力系数比值随半径R的变化曲线λ/λ_直线(Δ＝8.0mm)；

图7曲线与直线隧道沿程阻力系数比值非线形拟合曲线函数λ/λ_直线(R)(Δ＝0.8mm)；

图8曲线与直线隧道沿程阻力系数比值非线形拟合曲线函数λ/λ_直线(R)(Δ＝8.0mm)；

图9曲线隧道断面风速分布图(半径为300m)；

图10曲线隧道断面风速分布图(半径为400m)；

图11曲线隧道断面风速分布图(半径为600m)；

图12曲线隧道断面风速分布图(半径为1000m)；

图13曲线隧道断面风速分布图(半径为1200m)；

图14曲线隧道断面风速分布图(半径为2000m)；

图15曲线隧道断面风速分布图(半径为5000m)；

图16曲线隧道断面风速分布图(半径为10000m)。

(五)具体实施方式

本实施例模型隧道断面采用干海子隧道和铁寨子Ⅰ号隧道实际断面形式，曲线隧道壁面粗糙度分别取值为0.8mm和8mm。曲线隧道通风沿程阻力的确定方法，包括如下步骤：

1)分析直线隧道沿程阻力hf的确定方法为：

$h_f=\mathrm{\λ}\·\frac{l}{d}\·\frac{v^2}{2g}---\left(A\right)$

上式中：l为隧道长度m；d为隧道断面当量直径m；v为隧道内断面平均速度，m/s；g为重力加速度，m/s²；λ为隧道沿程阻力系数。

根据(A)式，可得出对于相同断面形状d、隧道长度l及隧道风速V条件下，影响隧道通风沿程阻力的大小主要为隧道沿程阻力系数λ。曲线隧道线形即曲线隧道半径R的变化将直接影响隧道沿程阻力系数λ的大小。因此，本发明主要以直线隧道沿程阻力系数λ为基准，对不同曲率半径的曲线隧道沿程阻力系数λ进行系统研究分析，提出适用与曲线隧道沿程阻力系数的确定方法。

2)采用计算流体力学CFD方法，利用大型流体力学软件FLUENT，建立如下模型：

①建立计算曲线隧道沿程阻力的数学模型，应用了连续性方程、动量方程和k-ε湍流模型。

数学模型主要是采用数学表达方法描述隧道内空气流动必须满足的一些基本的物理现象。模型中通过采用连续性方程、动量方程和k-ε湍流模型来反映这些物理现象。

②建立不同半径曲线隧道和直线隧道的几何模型：建立的曲线半径R选为150m、300m、400m、600m、1000m、1200m、2000m、5000m和10000m的曲线隧道几何模型，模型的长度为1800m。图1、图2分别给出了曲线半径R为300m和2000m的曲线隧道几何模型。

③建立不同半径曲线隧道空间内气体流动的物理模型，.建立该物理模型时在隧道各处取的边界条件如下：隧道入口为速度边界条件，隧道出口为压力边界条件，隧道壁面和地面为静止的壁面边界条件，壁面粗糙度Δ根据设计施工要求选择相应的粗糙度。

3)依据上述模型和方法，分别按隧道壁面两种极限粗糙度Δ＝0.8mm和Δ＝8mm对不同半径曲线隧道沿程阻力系数λ、λ/λ_直线进行三维数值模拟计算。

4)根据上述计算结果，确定曲线隧道空气流动稳定距离段ΔL段内(见图1)的沿程阻力h_f和对应的沿程阻力系数λ_f，步骤如下：

①见图1，在以上各个曲线隧道几何模型和直线隧道中分别选取距入口断面L₁＝600m和L₂＝1200m的两断面S₁、S₂，分别确定出两断面的平均空气压力P₁、P₂，两断面空气压差P₂-P₁即为两断面间的沿程阻力h_f；

②根据上述确定的沿程阻力h_f和上述沿程阻力h_f的确定公式(A)，便可确定出对应的不同半径曲线隧道内沿程阻力系数λ_f和直线隧道沿程阻力系数λ_直线，并获得按稳定距离段ΔL段确定的曲线与直线隧道沿程阻力系数的比值λ/λ_直线；

确定两种不同粗糙度时曲线隧道沿程阻力系数：当粗糙度Δ＝0.8mm时，确定出曲线隧道沿程阻力系数随半径R的变化曲线λ(见图3)、曲线和直线隧道阻力系数比值λ/λ_直线(见图4)；当粗糙度Δ＝8mm时，确定出曲线隧道沿程阻力系数随半径R的变化曲线λ(见图5)、曲线和直线隧道阻力系数比值λ/λ_直线(见图6)。

5)由获得的上述稳定距离段ΔL段确定的曲线与直线隧道沿程阻力系数的比值λ/λ_直线，(见图3~图6)：从图3-图6中看出：曲线隧道半径对隧道沿程阻力系数产生了非常明显的影响，在半径较小时，隧道沿程阻力系数随半径的减小迅速增大；半径较大时，沿程阻力系数变化趋于平稳。具体得出：①曲线隧道半径R大于2000m时，沿程阻力系数曲线与直线隧道相差较小；②当曲线隧道半径R小于2000m时，曲线比直线隧道沿程阻力系数随半径的减小迅速增大。通过对半径小于2000m曲线与直线隧道沿程阻力系数的比值进行非线形拟合，见图7，粗糙度Δ＝0.8mm时，半径小于2000m时曲线和直线隧道阻力系数比值非线性拟合后λ/λ_直线，见图8，粗糙度Δ＝8mm时，半径小于2000m时，曲线与直线隧道沿程阻力系数的比值非线形拟合后λ/λ_直线，整理可得；

λ/λ_直线(R)＝1.8235R^-0.078  λ(R)＝1.8235λ_直线R^-0.078  (B)

式中：λ为曲线隧道沿程阻力系数，λ_直线为相应粗糙度下直线隧道沿程阻力系数，R为隧道曲率半径(≤2000m)。

6)将公式(B)函数再代入公式(A)，便确定出不同半径曲线隧道沿程阻力h_f(R)。

对影响曲线隧道沿程阻力系数增大的原因进行仔细分析可知，曲线隧道半径的减小，使隧道断面风速极不均匀，见图9-图17。图9-17分别给出了曲线半径为300m、400m、600m、1000m、1200m、2000m、5000m和10000m隧道的断面风速分布图，由于断面风速分布的极不均匀性，增大了隧道内空气质点间及空气与壁面间的速度梯度，增大壁面切应力的大小，从而增加隧道内空气流动的沿程阻力损失，增大沿程阻力系数。

Claims (1)

1.曲线隧道通风沿程阻力的确定方法，其特征是该方法包括如下步骤：

1)分析直线隧道沿程阻力h_f的确定方法为：

上式中：l为隧道长度m；d为隧道断面当量直径m；v为隧道内断面平均速度m/s；g为重力加速度m/s²；λ为隧道沿程阻力系数；

2)采用计算流体力学CFD方法，利用大型流体力学软件FLUENT，建立如下模型：

①建立计算曲线隧道沿程阻力的数学模型，应用了连续性方程、动量方程和k-ε湍流模型；

②建立不同半径曲线隧道的几何模型和与对应的曲线隧道几何尺寸相同的直线隧道的几何模型：建立的曲线半径R选为150m、300m、400m、600m、1000m、1200m、2000m、5000m和10000m的曲线隧道几何模型，模型的长度为1800m；

③建立不同半径曲线隧道空间内气体流动的物理模型，建立该物理模型时在隧道各处取的边界条件如下：隧道入口为速度边界条件，隧道出口为压力边界条件，隧道壁面和地面为静止的壁面边界条件，壁面粗糙度Δ根据设计施工要求选择相应的粗糙度；

3)依据上述模型和方法，分别按隧道壁面两种极限粗糙度Δ＝0.8mm和Δ＝8mm对不同半径曲线隧道沿程阻力系数λ、λ/λ_直线进行三维数值模拟计算；

4)根据上述计算结果，确定曲线隧道空气流动稳定距离段ΔL内的沿程阻力h_f和对应的沿程阻力系数λ_f，步骤如下：

①在以上各个曲线隧道模型和直线隧道中分别选取距入口断面L₁＝600m和L₂＝1200m的两断面S₁、S₂，分别确定出两断面的平均空气压力P₁、P₂，两断面空气压差P₂-P₁即为两断面间的沿程阻力h_f；

②根据上述确定的沿程阻力h_f和上述沿程阻力h_f的确定公式(A)，便可确定出对应的不同半径曲线隧道内沿程阻力系数λ_f和直线隧道沿程阻力系数λ_直线，并获得稳定距离段ΔL段内曲线与直线隧道沿程阻力系数的比值λ/λ_直线；

5)由获得的上述稳定距离段ΔL段内的曲线与直线隧道沿程阻力系数的比值λ/λ_直线得出：①曲线隧道半径R大于2000m时，沿程阻力系数曲线与直线隧道相差较小；②当曲线隧道半径R小于2000m时，曲线比直线隧道沿程阻力系数随半径的减小迅速增大，通过对半径小于2000m时，曲线与直线隧道沿程阻力系数的比值进行非线性拟合，得出；

6)将公式(B)函数再代入公式(A)，便确定出不同半径曲线隧道沿程阻力h_f(R)。 

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