CN105426589B

CN105426589B - 一种顶部开口的城市公路隧道内部三维逐时压力分布算法

Info

Publication number: CN105426589B
Application number: CN201510750892.1A
Authority: CN
Inventors: 金斯科; 龚延风; 张广丽
Original assignee: Nanjing Tech University
Current assignee: Nanjing Tech University
Priority date: 2015-11-06
Filing date: 2015-11-06
Publication date: 2018-05-11
Anticipated expiration: 2035-11-06
Also published as: CN105426589A

Abstract

一种顶部开口的城市公路隧道内部三维逐时压力分布算法，隧道顶部开口时会对隧道内的压力产生衰减影响，设顶部开口的中心位置坐标为O_j(O_jx,O_jy,O_jz)，则顶部开口的对隧道内部任一点压力的衰减系数为ψ_j；将压力衰减系数ψ_j代入三维压力分布计算公式，可以得到顶部开口的城市公路隧道内部三维逐时压力分布计算结果。本发明的方法给出了城市浅埋公路隧道内的三维逐时压力分布情况，由于公路隧道顶部自然通风的动力来源于隧道内外的压力差，因此根据本发明的算法，不仅可以计算任意时刻车流在隧道内所形成的压力分布，也可以计算不同顶部开口布置方式对隧道内部压力分布的影响，从而为顶部开口设计提供依据。

Description

一种顶部开口的城市公路隧道内部三维逐时压力分布算法

技术领域

本发明涉及城市公路设计领域，尤其是隧道内部的压力计算方法，具体地说是一种顶部开口的城市公路隧道内部三维逐时压力分布算法。

背景技术

目前，随着城市交通的不断增加，为了缓解城市交通压力，世界各国陆续修建城市地下公路隧道。上世纪九十年代，此类隧道以200～300m的过街短隧道为主；而现在则以区域性的长通道为主，达到3000米以上。地下隧道空气环境解决方案不仅仅影响到隧道的结构形式，更是在很大程度上决定了隧道日常运行成本的高低。传统的通风方式是采用射流风机进行机械通风，但这种方式造成隧道内噪声高，空气环境差，同时又消耗大量的电力。针对城市交通隧道的特点，在这类隧道顶部开口的想法逐渐提出。在运营工况下利用开口进行自然通风，在火灾工况下进行自然排烟，而完全抛弃机械通风与机械排烟设备的方案。至今，仅南京已经建成了4条利用顶部开口进行自然通风的浅埋城市公路隧道。自运营以来，此类隧道节约了大量运行成本，隧道内的空气环境质量也得到了广泛好评，但是此类城市公路隧道没有成熟的设计方法，而且与现行的设计规范相冲突，现行规范要求“单向交通隧道，当隧道长度车流量的乘积大于2000(km.cars/h)时，宜采取机械通风”。此外，现行规范还将顶部开口处的作为隧道通风设计中的不利因素来考虑。

J.Modic(2003)指出：当单向自然通风隧道交通量小于750辆/h每车道，车辆行驶速度大于30km/h，则允许长度可以达到3000m，但其仅针对顶部无开口隧道。PimolsiriPrajongsan(2014)在强化高层居住建筑自然通风的研究中发现，不论何种室外风向、风速，有通风竖井的房间平均空气流速明显高于无竖井房间，竖井起到了强化自然通风的作用。T.Y.Chen(1998)利用缩尺比例为1/20的传送带隧道模型，研究了运动车辆对隧道通风的影响。研究表明，行驶的车辆主要引起了隧道中空气的轴向流动。气流的速度随隧道高度而降低，最大的气流速度出现在车辆附近。Jaroslav Katolicky和Miroslav Jicha(2005)建立了Eulerian–Lagrangian模型，并借助流体力学计算软件StarCD模拟了隧道中的运动车辆以及车辆对通风的影响。数值计算的结果表明，公路隧道中的气流速度主要由车辆的运行速度和隧道的形状决定。钟星灿(2006)认为可以在公路隧道顶部开口，使其在运营工况下利用开口进行自然通风，在火灾工况下进行自然排烟。并将公路隧道内随机运动的车流假定为恒定持续的车流，将隧道内的流场假定为一维管流。研究认为，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震荡性的压力波动，从而使隧道内部空气与外界得以反复交换。但是并没有给出顶部开口的设计方法。韩国仁荷大学的Chan-Hoon Yoon利用热动力方法，对韩国某长大隧道冬夏季时自然通风压力进行了计算。计算得出竖井高度和隧道内外温差是影响竖井自然通风压力的主要因素。但是后续的多数研究表明，在阻滞工况下，热压是形成自然通风的主要因素，但是在正常的行车工况下，汽车产生的风压将远大于热压，热压的作用几乎可以忽略。

在一系列研究的基础上，2010年江苏省颁布实施了《城市隧道竖井型自然通风设计与验收规范》(DGJ32/TJ102—2010)。规范要求：“竖井间距应≤240m；隧道长度500m～1500m时，开口率(竖井有效开口面积/隧道水平投影面积)应≥3.25\％”的要求。但在此类隧道顶部开口位置的设计还没有成熟的方法和充分的数据支持，当地建设主管部门与火灾消防机构仍给予了较大的关注与担忧。

发明内容

本发明的目的是针对隧道顶部开口位置的设计问题，提出一种顶部开口的城市公路隧道内部三维逐时压力分布算法。

本发明的技术方案是：

一种顶部开口的城市公路隧道内部三维逐时压力分布算法，它包括以下步骤：

(1)、隧道顶部开口时会对隧道内的压力产生衰减影响，设顶部开口的中心位置坐标为O_j(O_jx,O_jy,O_jz)，则顶部开口的对隧道内部任一点压力的衰减系数ψ_j为：

其中，j表示隧道顶部开口的位置序号，O_jx,O_jy,O_jz分别表示隧道顶部开口j在长度、宽度和高度方向的坐标；k为隧道空间压力分布系数，与隧道的结构形式有关(范围为0.6～1.0)，C_j表示计算点和顶部开口中心位置的距离；

(2)、将压力衰减系数ψ_j代入三维压力分布计算公式，可以得到顶部开口的城市公路隧道内部三维逐时压力分布计算公式：

其中，x,y,z分别表示隧道内部任一计算点在隧道长度、宽度和高度方向的坐标，t表示车流行驶时间，前述车流行驶时间以车流中首辆汽车的头部达到隧道口入口时为时间零点计算，i为车辆编号，n表示一次车流中的车辆数量，P_A表示汽车头部的最大理论正压，P_B表示车尾的最大理论负压；A_i和B_i分别表示计算点到第i辆车的车头和车尾的距离。

本发明中，C_j表示计算点和顶部开口中心位置的距离：

其中，x,y,z分别表示隧道内部任一点在隧道长度、宽度和高度方向的坐标。

本发明中，k为隧道空间压力分布系数，范围是：0.6～1.0。

本发明中，P_A表示行驶车辆头部的最大理论正压；P_B表示行驶车辆尾部的最大理论负压；

其中，ρ表示空气密度，v表示第i辆车的车速。

本发明中，A_i和B_i分别表示计算点到第i辆车的车头和车尾的距离，采用下述表达式：

其中，v表示第i辆车的车速，s表示车流中车辆的平均间距，l表示第i辆车的车辆长度。

本发明的有益效果：

本发明的方法给出了城市浅埋公路隧道内的三维逐时压力分布情况，由于公路隧道顶部自然通风的动力来源于隧道内外的压力差，因此根据本发明的算法，不仅可以计算任意时刻车流在隧道内所形成的压力分布，也可以计算不同顶部开口布置方式对隧道内部压力分布的影响，从而为顶部开口设计提供依据。

附图说明

图1是车辆头部和尾部的正负压力场示意图。

图2是隧道内压力分布情况示意图。

图3是无顶部开口的隧道内压力分布示意图。

图4是隧道内400m和600m处顶部位置开口的隧道内压力分布示意图。

图5是隧道内300m和700m处顶部位置开口的隧道内压力分布示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

汽车在行驶时，能在周围空间形成压力波动，其根本的原因是汽车和其附近的空气存在速度差。T.Y.Chen(1998)和Yan Tong(2014)的测试研究表明，在持续运行的公路隧道中，空气的流速依然低于汽车的行驶速度。汽车在行驶时，车头撞击前方的空气而形成正压区，在汽车的尾部，气流因剥离而出现漩涡，从而形成负压区。且正压区和负压区随汽车一起同速移动。

从微观的角度来看，车辆头部的能量传递来自于汽车对空气微元的直接撞击，微元在获得与汽车相同的速度后，向前运动，然后继续撞击另外的空气微元。在此过程中，空气微元的自由程减少，气体的压力增大。当所有动能都转化为压力势能时，局部气体的压力达到最大，最大正压力为P_A＝1/2ρv²。同理，车尾部的最大负压为P_B＝-1/2ρv²。

隧道中每一辆行驶的汽车都能形成两个正负压力场，本发明称之为压力偶极子，如图1所示，压力场的中心压力最高，向外逐渐衰减。隧道空间中的压力分布是隧道中所有车辆压力场在空间中叠加的结果。

采用笛卡尔三维坐标系，将隧道入口处的路面中点记为坐标零点，x为隧道长度方向，y为隧道宽度方向，z为隧道高度方向。t为车流行驶时间，由于隧道内的压力呈现周期变化，故以车流中第一辆汽车的头部达到隧道入口时为时间零点。隧道空间中的三维压力分布的计算方法为：

其中，k为隧道空间压力分布系数，与隧道的结构形式有关，范围为0.6～1.0，v为车辆的行驶速度，m/s；L为车辆的长度，m；S为车辆间距，m。

其中，A_i和B_i分别表示计算点到第i辆车的车头和车尾的距离，采用下述表达式：

隧道顶部开口对隧道内压力的影响，用衰减函数表示。设顶部开口的中心位置坐标为O_j(O_jx,O_jy,O_jz)，则顶部开口的压力衰减表达式如下：

于是，顶部开口的城市浅埋公路隧道内的三维逐时压力分布计算公式为:

具体实施时：

给定公路隧道的高度H和隧道的长度L

给定隧道中车流的基本参数，包括车辆的平均长度l、车辆行驶速度v

给定计算时刻t

给定隧道顶部开口的布置方案，包括隧道顶部的开口位置和数量

计算隧道中的压力分布，

假设，某单车道公路隧道的高度H＝5m，隧道长度L＝1000m$。隧道中行驶小型车辆为主，平均车辆长度l＝4.8m，平均车速为60km/h，隧道车流量为3000辆每小时。此时可以得到无顶部开口时的隧道内压力分布，如图3所示。

当在400m和600m处设置顶部开口时，隧道内的压力分布如图4所示。

当在300m和700m处设置顶部开口时，隧道内的压力分布如图5所示。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims

1.一种顶部开口的城市公路隧道内部三维逐时压力分布算法，其特征是它包括以下步骤：

其中，j表示隧道顶部开口的位置序号，O_jx,O_jy,O_jz分别表示隧道顶部开口j在长度、宽度和高度方向的坐标；k为隧道空间压力分布系数，与隧道的结构形式有关，范围为0.6～1.0，C_j表示计算点和顶部开口中心位置的距离；

<mrow> <mi>P</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>x</mi> <mo>,</mo> <mi>y</mi> <mo>,</mo> <mi>z</mi> <mo>,</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <munderover> <mo>&Sigma;</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>n</mi> </munderover> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <msub> <mi>P</mi> <mi>A</mi> </msub> <mrow> <mi>E</mi> <mi>x</mi> <mi>p</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>kA</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> <mo>+</mo> <mfrac> <msub> <mi>P</mi> <mi>B</mi> </msub> <mrow> <mi>E</mi> <mi>x</mi> <mi>p</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>kB</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <munderover> <mo>&Pi;</mo> <mrow> <mi>j</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>m</mi> </munderover> <msub> <mi>&psi;</mi> <mi>j</mi> </msub> </mrow>

其中，x,y,z分别表示隧道内部任一计算点在隧道长度、宽度和高度方向的坐标，t表示车流行驶时间，前述车流行驶时间以车流中首辆汽车的头部达到隧道口入口时为时间零点计算，i为车辆编号，n表示一次车流中的车辆数量，P_A表示汽车头部的最大理论正压，P_B表示车尾的最大理论负压；A_i和B_i分别表示计算点到第i辆车的车头和车尾的距离，m表示隧道顶部开口的数量，j为隧道顶部开口编号。

2.根据权利要求1所述的顶部开口的城市公路隧道内部三维逐时压力分布算法，其特征是：C_j表示计算点和顶部开口中心位置的距离：

3.根据权利要求1所述的顶部开口的城市公路隧道内部三维逐时压力分布算法，其特征是：k为隧道空间压力分布系数，范围是：0.6～1.0。

4.根据权利要求1所述的顶部开口的城市公路隧道内部三维逐时压力分布算法，其特征是：P_A表示行驶车辆头部的最大理论正压；P_B表示行驶车辆尾部的最大理论负压；

其中，ρ表示空气密度，ν表示第i辆车的车速。

5.根据权利要求1所述的顶部开口的城市公路隧道内部三维逐时压力分布算法，其特征是：A_i和B_i分别表示计算点到第i辆车的车头和车尾的距离，采用下述表达式：

其中，ν表示第i辆车的车速，s表示车流中车辆的平均间距，l表示第i辆车的车辆长度，x为隧道长度方向，y为隧道宽度方向，z为隧道高度方向。