CN102636328B - 一种曲线隧道通风沿程摩擦阻力系数模拟试验方法 - Google Patents

Abstract

一种曲线隧道通风沿程摩擦阻力系数模拟试验方法，属隧道通风防灾技术领域。其内容包括：选择适当的相似比，分段制作出曲线模型隧道和供整流用的直线模型隧道；选用砂纸作为曲线模型隧道内表面；将曲线模型隧道与直线模型隧道、整流圆管连接，整流圆管与试验风机连接；在待测长度两端点的曲线模型隧道上安装静压测试管，将皮托管插入整流圆管的测试小孔内，外接微压计，由风机提供试验风量，将测得的静压差值和动压值代入公式计算即可得到曲线模型隧道内的摩擦阻力系数。模拟试验得到的结果与实际数值计算结果相比较，达到了工程上可接受的精度要求。

Description

一种曲线隧道通风沿程摩擦阻力系数模拟试验方法

技术领域

本发明涉及隧道通风防灾技术领域的摩擦阻力系数模拟试验技术。尤其涉及曲线隧道的通风沿程摩擦阻力系数的模拟试验技术。

背景技术

目前，人们在确定隧道通风沿程摩擦阻力系数时，通常的做法有三种：(1)经验取值法，即根据以往的经验数据，在某一范围内随机取值；(2)现场测试法，即通过现场的实测获得数据(参见《中国公路学报》第18卷第1期的“喷射混凝土衬砌隧道通风阻力系数测试研究”)；(3)数值计算法，即通过建立数值计算模型，通过计算机计算而得。这三种方法都存在一定的局限性。首先，经验取值法中取值范围内的摩擦阻力系数大多是对直线隧道摩擦阻力系数的累积和统计，其中鲜有曲线隧道的摩擦阻力系数数据。显然，在进行曲线隧道的通风设计时，如果采用经验取值法确定摩擦阻力系数则不可避免会造成误差，尤其在遇到曲线半径较小，而转角又很大的情况下，风流状态与直线的情况完全不同，仍然采用经验取值法就有可能造成不可接受的结果。其次，现场测试法确实能够获得较为准确的摩擦阻力系数，但它由于对施工或运营存在干扰，可能带来其它不良后果，也无法开展摩擦阻力系数与曲线半径或曲线转角间关系的研究以及类似涉及不同曲线半径或转角等的研究内容。最后，数值计算法虽然可以克服上述两种方法的不足，但在遇到曲线隧道时，由于缺乏实际的测试数据进行验证，其结果无法得到有效确认。目前，还未见有有关曲线隧道通风沿程摩擦阻力系数相关研究的模型试验方法的报道。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的上述缺点，提供一种曲线隧道通风沿程摩擦阻力系数模拟试验方法。该方法可以模拟曲线隧道并开展有关隧道通风沿程摩擦阻力系数模拟试验，解决在开展曲线类隧道通风沿程摩擦阻力系数有关模型试验时尚无试验方法可供采用的难题。

本发明的曲线隧道通风沿程摩擦阻力系数模拟试验方法包括以下步骤：

1)、选择适当的相似比，分段制作出模拟原型曲线隧道的曲线模型隧道和供整流用的直线模型隧道；

2)、根据相似比选用与原型隧道壁面粗糙度相应的砂纸，将其光滑面与曲线模型隧道内表面相贴合；

3)、将分段制作的各段曲线模型隧道密闭连接起来，且曲线模型隧道连接长度不小于待测长度；

4)、将上步骤所得的曲线模型隧道的一端与直线模型隧道密闭连接，且直线模型隧道的连接长度不小于整流所需长度，曲线模型隧道的另一端通过过渡节与带测试小孔的整流圆管连接，整流圆管与试验风机相连接，直线模型隧道另一端连接一个喇叭口；

5)、在处在待测长度两端点的两节曲线模型隧道上分别安装静压测试管；

6)、调节模型隧道、整流圆管及风机出口的轴线处于同一水平高度；

7)、将两支L型皮托管分别从两侧水平插入整流圆管的测试小孔内，再将另一支L型皮托管从整流圆管上方竖直向下插入测试小孔，插入深度满足有关规定，皮托管进风管嘴的轴线与风流截面垂直；

8)、静压测试管接微压计，三支皮托管与三个微压计分别相接；

9)、将风机与变频器电连接，启动风机进行抽风，利用变频器调节风量到试验风量；

10)通过微压计测得试验风量下曲线模型隧道内的动压值和待测长度下的静压差值，将静压差值和动压值代入公式计算即可得到曲线模型隧道内的摩擦阻力系数。

在本发明的曲线隧道通风沿程摩擦阻力系数模拟试验方法中，根据相似比分段制作的模型隧道在断面形状和曲线半径方面保证了与原型隧道的几何相似性；模型隧道试验风速与原型隧道待测风速之间的关系满足两个几何相似的封闭系统中不可压缩流体的动力相似条件；而砂纸粗糙面的粗糙度与原型隧道粗糙度保持相似。因此，根据相似理论，通过满足上述条件的模型试验所测得的试验风量下的通风沿程摩擦阻力系数即与原型隧道待测风速下的沿程摩擦阻力系数相吻合。

本方法的优点是取材容易，简单可行。模拟试验得到的结果与实际数值计算结果相比较，达到了工程上可接受的精度要求。解决了开展诸如曲线类隧道通风沿程摩擦阻力系数与曲线半径或曲线转角关系等相关研究时尚无有效的模拟试验方法可用的难题。也为今后数值计算法使用范围的扩大奠定了基础。

本发明的内容结合以下实施例作更进一步地说明，但本发明的内容不仅限于本实施例中所涉及的内容。

附图说明

图1是本发明方法的模型结构及布置示意图。

图2是图1的B-B放大视图

图3是图1的A-A放大视图

具体实施方式

本方法以雅泸高速公路上的小半径螺旋型曲线隧道——铁寨子I号隧道为原型隧道开展模拟验证试验。该原型隧道实际壁面粗糙度为1.12cm，原型隧道待测阻力系数的实际风量大小约为24m³/s。模拟试验相似比取1∶24，相似换算后试验风量约为1.0m³/s；原型隧道曲线半径为600m。

参见图1～3，

1)、根据相似比，用玻璃钢一类的材料按轴线曲线长度为1m分段制作断面形状与原型隧道相似、曲线半径为25m、连接后转角可达120°的曲线模型隧道12。根据相似比制作出长度足够的整流用直线模型隧道11；

2)、根据上述原型隧道壁面粗糙度和采用的相似比定制粗糙度为0.46mm的砂纸2，并将砂纸的光滑面与曲线模型隧道内表面相贴合，从而模拟出隧道壁面粗糙度；

3)、制作出尺寸对应的进风喇叭口10，选购内径为0.285m且长度足够的内壁光滑圆管作为整流圆管9，选购L型皮托管8、18、19、软管3、微压计16、变频器17以及满足上述通风风量等条件的试验风机14；

4)、将中铁西南院峨眉试验基地一闲置厂房作为模拟试验场地，按25m曲线半径及待测长度或待测转角角度布置好模型隧道；

5)、在待测长度两端点的两节曲线模型隧道上分别安装好静压测试管4；

6)、将曲线模型隧道12的一端与直线模型隧道11相连接，另一端通过过渡节13与整流圆管9连接，整流圆管再与试验风机14连接，直线模型隧道11的另一端连接一个喇叭口10；

7)、调节曲线模型隧道、直线模型隧道、整流圆管和风机出风口的轴线处于同一水平高度；

8)、将L型皮托管18、19分别从两侧水平插入整流圆管9的测试小孔内，另一支皮托管8从整流圆管上方竖直向下插入测试小孔，皮托管进风管嘴的轴线与风流截面垂直，三支皮托管均由皮托管支架7固定；

9)、静压测试管4、L型皮托管8、18、19与微压计16之间均用软管3连接，图中15是实验台；

10)、采用玻璃胶密封各连接接缝及接口，检查整个试验模型隧道的气密性；

11)、接好风机14和变频器17的用电线路；

12)、微压计调零，开启风机，利用变频器调节风量到试验风量；

13)、稳定后读取静压差值和动压值；

14)、由获得的静压差值和动压值代入公式计算即可得到曲线模型隧道内的摩擦阻力系数。

试验结果采用了与数值计算结果相互比较的方式进行验证。试验结果与计算结果见表1。

表1    试验与计算λ的比较

由表1可知，试验摩擦阻力系数λ₁与计算摩擦阻力系数λ₂之间的相对误差在3％到9％之间，平均只有5％，完全满足工程上10％的精度要求。在转角105°时出现的较大误差，可能是由于流体在转过90°的弯角时，风流流态变化较明显，而这种变化对各种因素又较为敏感，且模拟试验是在一定的假设和满足主要因素相似的条件下进行的，因此，特殊角度下λ对各因素的敏感反应和模拟本身的近似性是造成特殊角度下λ误差较大的可能原因。

综上所述，本曲线隧道通风沿程摩擦阻力系数模拟试验方法是可靠和可行的，用此发明开展曲线类隧道通风沿程摩擦阻力系数的模拟试验，其结果能够满足工程应用的需要。

Claims (1)

1.一种曲线隧道通风沿程摩擦阻力系数模拟试验方法，其特征是所述的模拟试验方法包括以下步骤：

1)、选择适当的相似比，分段制作出模拟原型曲线隧道的曲线模型隧道和供整流用的直线模型隧道；

2)、根据相似比选用与原型隧道壁面粗糙度相应的砂纸，将其光滑面与曲线模型隧道内表面相贴合；

3)、将分段制作的各段曲线模型隧道密闭连接起来，且曲线模型隧道连接长度不小于待测长度；

4)、将上步骤所得的曲线模型隧道的一端与直线模型隧道密闭连接，且直线模型隧道的连接长度不小于整流所需长度，曲线模型隧道的另一端通过过渡节与带测试小孔的整流圆管连接，整流圆管与试验风机相连接，直线模型隧道另一端连接一个喇叭口；

5)、在处在待测长度两端点的两节曲线模型隧道上分别安装静压测试管；

6)、调节模型隧道、整流圆管及风机出口的轴线处于同一水平高度；

7)、将两支L型皮托管分别从两侧水平插入整流圆管的测试小孔内，再将另一支L型皮托管从整流圆管上方竖直向下插入测试小孔，皮托管进风管嘴的轴线与风流截面垂直；

8)、静压测试管接微压计，三支皮托管与三个微压计分别相接；

9)、将风机与变频器电连接，启动风机进行抽风，利用变频器调节风量到试验风量；

10)通过微压计测得试验风量下曲线模型隧道内的动压值和待测长度下的静压差值，将静压差值和动压值代入公式计算即可得到曲线模型隧道内的摩擦阻力系数。