CN111878150B - 一种公路隧道减少空气侵入量用自空气幕系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种公路隧道减少空气侵入量用自空气幕系统，由具有特定曲线形式的弧面风道，主要包括导入风板、风道主体顶部弧面、风道主体底部弧面、导出风板，构成风道的每一个弧面都有特定的曲线形式，通过这些特定的弧面风道，使得风道可以低阻力地将从导入风板进入的空气转变方向，形成与隧道进风方向相反但有一定倾斜角度的定向空气幕。本发明系统结构简单，可靠性极高，不需要外部输入能量，同时避免了隧道保温系统高负荷运行，降低了发生意外危险的几率。

Description

一种公路隧道减少空气侵入量用自空气幕系统
技术领域
本发明属于隧道及地下工程通风工程领域，具体为一种寒区马蹄形公路隧道洞口段利用自然通风减少冷风侵入的隧道顶部空气幕系统。
背景技术
隧道及地下工程通风工程存在着两类问题：第一，如何通过合理的空气组织将隧道内因人为活动或意外情况产生的灰尘颗粒、火灾烟气等有害物质快速、高效地排出隧道；第二，如何通过合理的空气组织使不利于隧道内环境的室外空气尽可能少的侵入隧道。对处于我国东北和西北等寒区的隧道，冷空气侵入隧道内造成隧道衬砌冻裂、设备设施冻坏而使隧道不能正常使用的冻害事故屡见不鲜，因此在寒区隧道内进行有组织的空气流动是十分有必要的。对寒区隧道进行气流组织减少室外冷空气侵入首先可以减少保温系统的耗能，现有的寒区隧道保温措施多为主动保温，即通过输入能量(多为电能)使发热部件在需要防寒防冻的部位产热，从而达到预防冻害的目的。但主动保温措施运营成本高昂，不适于长期高负荷运行，且保温系统主动发热部件在高负荷运行工况下有诱发火灾的潜在消防危险；其次可以大大缓解寒区隧道内恶劣的温度环境，由于隧道行车活塞效应的影响，大量室外冷空气进入隧道内，这些冷空气在没有阻拦的情况下可以侵入到纵深很大的隧道距离。虽然隧道沿纵向内设有多台射流风机用于纵向通风，但这些风机一般只在发生火灾等需要进行纵向通风时的情况才开启。另外在隧道内比较常见的气流组织还有空气幕系统，利用风机产生风速较高的垂直风幕，当垂直空气幕的主体风速到达一定值时可以实现较好的隔离空气幕两边空气的作用。但同样的，空气幕也是广泛用于防止隧道和地铁隧道车站烟气扩散，且将空气幕系统应用于隧道洞口处以减少冷空气侵入也会产生长期运行能耗较高的问题。
发明内容
通过对现有问题及技术的研究，本发明目的是提供一种寒区马蹄形公路隧道洞口段利用自然通风减少冷风侵入的隧道顶部空气幕系统,该系统通过合理的风道结构，对风道曲面进行优化使得风道进风阻力最小的同时改变空气的流动方向，再通过风道出风口吹出，形成与隧道进风方向相反但有一定倾斜角度的定向空气幕系统，缓解寒区隧道洞口段室外冷空气大量侵入引起冻害的风险，解决隧道保温系统高负荷运行、能耗巨大及高负荷运行引发火灾的问题，解决传统空气幕系统效果好但性价比极低、高速气流卷起大量灰尘使得隧道内环境变坏问题。
为实现这些目的，本发明采用的技术方案包括：
一种公路隧道减少室外空气侵入量用自空气幕系统，该系统包括导入风板、风道主体顶部弧面结构、风道主体底部弧面结构和弧面导出风板；
其中，导入风板与风道主体底部弧面结构依次连接，为一体结构；导入风板与隧道壁面通过导入底板相连接，在入口处形成引导气流流入主体风道的四面封闭区域；导入风板为由一条有特定斜率的直线为起始线，以原隧道顶部曲线为引导线扫掠而成的板身为特定斜率平直面的三维曲面，风道主体底部弧面结构为弧线凸出的曲面；
风道主体顶部弧面结构与弧面导出风板为一体结构；风道主体顶部弧面结构为弧线凸出的曲面，弧面导出风板为弧线凸出的曲面，且弧面导出风板的曲率大于风道主体底部弧面结构的曲率；
弧面导出风板对导出风口吹出的空气进行整流，进一步使气流转向，减少外界空气侵入量。导出风口平面的法线方向与入口平面法线方向垂直。
进一步，上述系统，形成入口区域、主风道区域和出口区域；
其中，导入风板、导入底板和原隧道顶面构成的一个吸收隧道内空气进入的入口区域；导入风板与风道主体底部弧面结构的交接线与原隧道顶面曲线形式保持一致，弧长相等。
风道主体顶部弧面结构和风道主体底部弧面结构形成主风道区域；
弧面导出风板和虚拟导出风口平面形成出口区域，弧面导出风板对导出风口吹出的空气进行整流，进一步使气流转向，减少外界空气侵入量。导出风口平面的法线方向与入口平面法线方向垂直。
优选的，因为本装置所有曲面都可以看作以一条曲线(或直线)为起始线，另一条曲线为引导线扫掠而成的曲面，其特征在于，所述导入风板的特征曲线拟合函数为：
所述导入风板的特征曲线拟合函数为：
(1)导入风板起始曲线拟合函数：
y＝a·x+b，-1.2≤x≤-0.2，z＝3；其中，a＝2，b＝22.4；
(2)导入风板引导曲线拟合函数：
z＝p1+p2·x+p3·ex+p4·e-x，-9.8≤x≤-0.2，y＝22；
其中，p1＝7.7017；p2＝--0.0009；p3＝-5.2322；p4＝-0.0002；
导入风板起始曲线与导入风板引导曲线的交点为(-0.2，22，3)。
在图3中所示的坐标系中进行拟合，沿隧道横向为y轴，将径向平面看作xoz平面，坐标原点为隧道洞口平面右下角点。
所述风道主体底部弧面结构的特征曲线拟合函数为：
(1)底部弧面结构起始曲线拟合函数：
x＝p1+p2·y+p3·y1.5+p4·y3+p5·e-y，22≤y≤29，z＝3；
其中，p1＝-43.6865；p2＝4.0526；p3＝-0.3818；p4＝-0.0006；p5＝60538124.0363；
(2)底部弧面结构引导曲线拟合函数：
z＝p1+p2·x+p3·ex+p4·e-x，-9.8≤x≤-0.2，y＝29；
其中，p1＝7.7017；p2＝--0.0009；p3＝-5.2322；p4＝-0.0002；
底部弧面结构起始曲线与风道主体底部弧面结构引导曲线的交点为(-0.2，29，3)。
在图3中所示的坐标系中进行拟合，沿隧道横向为y轴，将径向平面看作xoz平面，坐标原点为坐标原点为隧道洞口平面右下角点。
所述风道主体顶部弧面结构的特征曲线拟合函数为：
(1)顶部弧面结构起始曲线拟合函数：
x＝p1+p2·y+p3·y2·ln(y)+p4·ln(y)+p5·e-y，20≤y≤30，z＝3；
其中，p1＝-34.4782；p2＝3.0762；p3＝-0.0159；p4＝-2.7336；p5＝4918965.9503；
(2)顶部弧面结构引导曲线拟合函数：
z＝p1+p2·x+p3·ex+p4·e-x，--9.8≤x≤--0.2，y＝30；
其中，p1＝7.7017；p2＝--0.0009；p3＝-5.2322；p4＝-0.0002；
风道主体顶部弧面结构起始曲线与风道主体顶部弧面结构引导曲线的交点为(-0.2，30，3)。
在图3中所示的坐标系中进行拟合，沿隧道横向为y轴，将径向平面看作xoz平面，坐标原点为坐标原点为隧道洞口平面右下角点。
所述弧面导出风板的特征曲线拟合函数为：
(1)弧面导出风板起始曲线拟合函数：
y＝p1+p2·x+p3·x2+p4·ex+p5/x，-1.2≤x≤-0.2，z＝3；
其中，p1＝27.5795；p2＝-3.8631；p3＝-2.1288；p4＝2.1301；p5＝0.0028；
(2)弧面导出风板引导曲线拟合函数：
z＝p1+p2·x+p3·ex+p4·e-x，-9.8≤x≤-0.2，y＝30；
其中，p1＝7.7017；p2＝-0.0009；p3＝-5.2322；p4＝-0.0002；
弧面导出风板起始曲线与弧面导出风板引导曲线的交点为(-0.2，30，3)。
在图3中所示的坐标系中进行拟合，沿隧道横向为y轴，将径向平面看作xoz平面，坐标原点为坐标原点为隧道洞口平面右下角点。
优选的，导入底板为导入风板起始线与原隧道平面在xoy平面上形成的直角三角形。
更优选的，入风板一侧和导入底板一同构成入口平面，该入口平面与隧道内空气流动方向垂直；入口区域面积比定义为入口平面的面积与入口平面所在横截面原面积的比值，取值为16.2％。
更优选的，主风道区域，风道主体的底顶面高度比为0.5。
更优选的，弧面导出风板的最高点高度与导出风口的长度比值为0.3。
与现有技术比较，本发明的优点为：
本发明是利用一种风道结构通过改变隧道内空气自然流动的方向以达到减少侵入隧道的冷空气风量，在寒区隧道采用这种风道结构，在减少保温系统能源消耗、避免长时间高负荷运行的同时也可以大大减少隧道防冷风侵入的运营成本。另外本发明可以实现隧道风道自调节，经过数值模拟显示，隧道洞口比隧道内压力越大，即洞口处侵入风风速越大，越能起到减少空气侵入量。
(1)本发明的系统，使用简单的风道结构，通过对风道的形式、顶底面的凹凸比、曲线最高点的偏移度等设计，得到进风效果最好、出风速度最大、侵入冷风量最少的风道构造，系统结构简单，利用空气自身的流动特性，可靠性极高。
(2)本发明的系统，利用隧道内的自然空气流动形成有利于防止冷风侵入的出风风向，从而减少寒区隧道冷空气的侵入。
(3)本发明的系统，不需要外部输入能量(多指电能)且具有较好的阻隔作用，可以减少能源消耗。
(4)本发明的系统，使用简单的风道结构，风道曲线形式已知，便于建造，成本较低。
(5)本发明的系统，有较好的防止冷风侵入作用，避免了隧道保温系统高负荷运行，降低了发生意外危险的几率。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为一种寒区马蹄形公路隧道洞口段利用自然通风减少冷风侵入的隧道顶部空气幕系统的原理示意图；
图2为一种寒区马蹄形公路隧道洞口段利用自然通风减少冷风侵入的隧道顶部空气幕系统的三维布置图；
图3是对图2中风道各部分进行的进一步解释，说明了如何进行拟合，以及坐标系的情况；
图4为有一种寒区马蹄形公路隧道洞口段利用自然通风减少冷风侵入的隧道顶部空气幕系统和传统马蹄形隧道在同一横截面的截面速度分布云图；其中(a)为传统马蹄形隧道的截面速度分布云图，(b)为设置隧道顶部空气幕系统的截面速度分布云图。
图5有一种寒区马蹄形公路隧道洞口段利用自然通风减少冷风侵入的隧道顶部空气幕系统和传统马蹄形隧道在同一横截面的截面压力分布云图；其中(a)为传统马蹄形隧道的截面压力分布云图，(b)为设置隧道顶部空气幕系统的截面压力分布云图。
图6为隧道顶部自空气幕系统减少空气侵入量结果分析图；
图1中各标号表示：1为导入风板；2为导入底板；3为底部弧面结构；4为顶部弧面结构；5为弧面导出风板。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。在本公开中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下”通常是指以相应附图的图面为基准定义的，“内、外”是指相应部件轮廓的内和外。
由于没有能量输入，本发明对减少寒区隧道冷风侵入的作用有限，是一种性价比最高而不是效果最好的方法，因此可以分地区决定是否独立使用、多个并排使用还是与现有技术结合使用。例如在严寒地区可以通过对进风风道安装抽风机与主动保温措施相结合的方法；在较寒冷地区可以单独使用该空气幕系统。
本发明所述的空气幕，是利用条状喷口送出一定速度、一定温度和一定厚度的幕状气流，用于隔断另一气流。
在本发明中，将隧道长直方向称为隧道横向，将与隧道长直方向垂直的方向称为隧道径向平面，在本申请中简称为横向或径向。
本发明的弧面导出风板对导出风口吹出的空气进行整流，进一步使气流转向，减少外界空气侵入量。导出风口平面的法线方向与入口平面法线方向垂直。
需要特别说明的是，导入风板、风道主体顶部弧面结构、风道主体底部弧面结构和弧面导出风板在径向上风板及风道边线的曲线函数形式保持一致，均与原本的隧道顶面形式保持一致或者按相应比例缩小放大。因此，本装置所有曲面都可以看作以一条曲线(或直线)为起始线，另一条曲线为引导线扫掠而成的曲面。
本发明中，所述导入风板为由一条有特定斜率的直线为起始线，以原隧道顶部曲线为引导线扫掠而成的板身为特定斜率平直面的三维曲面。其中，扫掠是曲面建模的常用术语，用于创建大面积的曲面，可用CAD软件完成，其结构既可生成曲面，也能生成实体。曲线沿空间路径扫掠而成，其中扫掠路径称为引导线(最多3根)，用于控制曲线的方位和尺寸。
在本发明中，考虑到隧道周围有围岩结构，因此主风道区域除了顶面和底面两侧具有面，但是这个面是原来围岩的面，考虑到围岩结构的粗糙度，进一步可对原本的围岩面进行光滑处理。
在本发明中，如图3，导入风板的特征曲线包括导入风板起始线和导入风板引导线，其中，导入风板起始线是导入风板起始曲线，导入风板引导线是导入风板引导曲线，通过以导入风板引导线扫掠而形成平直三维曲面的导入风板。同理，底部弧面结构的特征曲线是以底部弧面结构起始曲线为起始线，底部弧面结构引导曲线为引导线扫掠而成的曲面；顶部弧面结构的特征曲线是以顶部弧面结构起始曲线为起始线，顶部弧面结构引导曲线为引导线扫掠而成的曲面；弧面导出风板的特征曲线是以弧面导出风板起始曲线为起始线，弧面导出风板引导曲线为引导线扫掠而成的曲面。
本发明所述公路隧道：为公路马蹄形隧道，马蹄形隧道指隧道横截面为马蹄形状的隧道，这种隧道周边由圆弧组成：洞顶为半圆拱，两侧接曲率半径较大的边拱，这种隧道形式常用于公路隧道建设。
实施例1
本实施例公开了一种寒区马蹄形公路隧道洞口段利用自然通风减少冷风侵入的隧道顶部空气幕系统，该系统包括导入风板1、导入底板2、底部弧面结构3、顶部弧面结构4、弧面导出风板5；
其中，导入风板与风道主体底部弧面结构依次连接，为一体结构，另外导入风板与隧道壁面通过导入底板相连接，在入口处形成引导气流流入主体风道的四面封闭区域；导入风板为由一条有特定斜率的直线为起始线，以原隧道顶部曲线为引导线扫掠而成的板身为特定斜率平直面的三维曲面，底部弧面结构3为弧线凸出的曲面；
风道主体顶部弧面结构与弧面导出风板为一体结构；风道主体顶部弧面结构为弧线凸出的曲面，弧面导出风板为弧线凸出的曲面，且弧面导出风板的曲率大于风道主体底部弧面结构的曲率。
弧面导出风板对导出风口吹出的空气进行整流，进一步使气流转向，减少外界空气侵入量。导出风口平面的法线方向与入口平面法线方向垂直。
进一步，上述系统，形成入口区域、主风道区域和出口区域；
其中，导入风板、导入底板和原隧道顶面构成的一个吸收隧道内空气进入的入口区域；导入风板与风道主体底部弧面结构的交接线与原隧道顶面曲线形式保持一致，弧长相等。
风道主体顶部弧面结构和风道主体底部弧面结构形成主风道区域，装置细节见图2；
弧面导出风板和虚拟导出风口平面形成出口区域，弧面导出风板对导出风口吹出的空气进行整流，进一步使气流转向，减少外界空气侵入量。导出风口平面的法线方向与入口平面法线方向垂直。
入口区域是由导入风板1和导入底板2以及原本的隧道壁面构成的一个吸收隧道内空气进入的入口，导入风板与风道主体底部弧面结构的交接线与原隧道顶面曲线形式保持一致，弧长相等，导入底板2在原本的隧道两端进行固定，入口平面与隧道内空气流动方向垂直，入口区域面积比定义为入口平面的面积与原隧道横截面面积的比值。在本例中，隧道高7.7米，入口面积为10.7m2，原横截面面积为66.1m2，系统的入口面积比为：α＝10.7/66.1·100％＝16.2％，这个入口面积比是列车行驶影响和系统风量要求综合考虑的结果较好的面积比。
主风道区域是由底部弧面3和顶部弧面4构成，风道主体分为上顶面和下底面。在本例中，底部弧面3在风道主体中点处的高度为0.896米、顶部弧面结构4在风道主体中点处的高度为1.803米，风道主体的底顶面高度比为β＝0.896/1.803＝0.5，对不同的高度比进行了数值模拟，以隧道内空气质量流量为评价指标。结果显示，高度比为0.5时，质量流量最小，效果最好。
出口区域由有特定曲线形式的导出风板5对出流空气进行整流，导出风板5凸起的最高点高度与导出风口的长度比值为γ＝0.3/1＝0.3。
图2中，风道主体长7米，取主体底面顶面高时以风道主体中心点为基准，将风道主体分为两个3.5米；另外风道入口的宽度是2米，风道出口的宽度是1米，同时，导入风板边线与原隧道弧线形式一致，但是距离缩进1米。
将本发明与传统马蹄形隧道在同一纵深处的速度分布进行了比较，如图4所示，图4(a)为传统长直隧道在某一纵深处的速度云图，从传统马蹄形隧道云图中可以看出，传统马蹄形隧道在中心处速度最大，因为流动边界层的存在，越靠近壁面速度越小，直至壁面处达到最小。传统马蹄形隧道整体速度分布较为规律，但整体速度偏大。从图4(b)的自风幕系统隧道云图中可以看出，在同一云图等级下，本发明的最大速度分布区域较传统更小且数值更低。
实施例2
本实施例公开了一种寒区马蹄形公路隧道洞口段利用自然通风减少冷风侵入的隧道顶部空气幕系统，主要包括导入风板1、导入底板2；风道主体底部弧面结构3；风道主体顶部弧面结构4；弧面导出风板5；
导入风板与风道主体底部弧面结构依次连接，为一体结构；另外导入风板与隧道壁面通过导入底板相连接，在入口处形成引导气流流入主体风道的四面封闭区域；
导入风板为由一条有特定斜率的直线为起始线，以原隧道顶部曲线为引导线扫掠而成的板身为特定斜率平直面的三维曲面。风道主体底部弧面结构为弧线凸出的曲面；
风道主体顶部弧面结构与弧面导出风板为一体结构；风道主体顶部弧面结构为弧线凸出的曲面，弧面导出风板为弧线凸出的曲面，且弧面导出风板的曲率大于风道主体底部弧面结构的曲率。
弧面导出风板对导出风口吹出的空气进行整流，进一步使气流转向，减少外界空气侵入量。导出风口平面的法线方向与入口平面法线方向垂直。
导出风板在图3所示的坐标系中进行拟合，所述弧面导出风板的特征曲线拟合函数为：
(1)弧面导出风板起始曲线拟合函数：
y＝p1+p2·x+p3·x2+p4·ex+p5/x，-1.2≤x≤-0.2，z＝3；
其中，p1＝27.5795；p2＝-3.8631；p3＝-2.1288；p4＝2.1301；p5＝0.0028；
(2)弧面导出风板引导曲线拟合函数：
z＝p1+p2·x+p3·ex+p4·e-x，-9.8≤x≤-0.2，y＝30；
其中，p1＝7.7017；p2＝-0.0009；p3＝-5.2322；p4＝-0.0002；
弧面导出风板起始曲线与弧面导出风板引导曲线的交点为(-0.2，30，3)。
在图3中所示的坐标系中进行拟合，沿隧道横向为y轴，将径向平面看作xoz平面，坐标原点为坐标原点为隧道洞口平面右下角点。
通过对风道内加设导流叶片，可以更进一步对风道内气流进行精细控制，分别可以加设在导入风道内以增加风道进风量、加设在主体风道内以减少涡流耗散、加设在导出风道处以控制出风角度。
在一条隧道内建造多个这种通过风道利用自然流动的空气幕系统，使用效果较单个有所加强。
将本发明与传统马蹄形隧道的隧道内空气质量流量进行了比较，如图6所示，从图中可以明显的看出在原本的传统马蹄形隧道顶部使用自风幕系统可以降低隧道内质量流量，简单计算可以算出有自风幕系统的隧道内质量流量较传统长直隧道质量流量降低了约26.22％，该数据表明该发明可以有效地减少侵入隧道的风量。
实施例3
本实施例公开了一种寒区马蹄形公路隧道洞口段利用自然通风减少冷风侵入的隧道顶部空气幕系统，系统主体由一些具有特定曲线形式的弧面风道(风道由曲面构成，在原本的隧道顶部空间基于这些有特定曲线形式的曲面构成风道主体空间，其材料采用与隧道衬砌一致的混凝土结构，需要满足安全性、可靠性时，施工方式可进一步细化)，主要导入风板1、导入底板2、底部弧面结构3、顶部弧面结构4、弧面导出风板5，构成风道的每一个弧面都有特定的曲线弯曲形式，通过这些特定的曲线弯曲形式来优化风道弧面，使得风道可以低阻力地将从导入风板进入的空气转变方向，形成与隧道进风方向相反但有一定倾斜角度的定向空气幕(此时空气经过隧道顶部风道后方向被改变，由原本的沿隧道轴向变为与导出风板曲面法向方向垂直的方向，与隧道进风在隧道轴向上的分量方向相反)。
风道主体所述主体顶、底面在图3所示的坐标系中进行拟合。
所述风道主体底部弧面结构的特征曲线拟合函数为：
(1)风道主体底部弧面结构起始曲线拟合函数：
x＝p1+p2·y+p3·y1.5+p4·y3+p5·e-y，22≤y≤29，z＝3；
其中，p1＝-43.6865；p2＝4.0526；p3＝-0.3818；p4＝-0.0006；p5＝60538124.0363；
(2)风道主体底部弧面结构引导曲线拟合函数：
z＝p1+p2·x+p3·ex+p4·e-x，-9.8≤x≤-0.2，y＝29；
其中，p1＝7.7017；p2＝-0.0009；p3＝-5.2322；p4＝-0.0002；
风道主体底部弧面结构起始曲线与风道主体底部弧面结构引导曲线的交点为(-0.2，29，3)。
在图3中所示的坐标系中进行拟合，沿隧道横向为y轴，将径向平面看作xoz平面，坐标原点为坐标原点为隧道洞口平面右下角点。
所述风道主体顶部弧面结构的特征曲线拟合函数为：
(1)风道主体顶部弧面结构起始曲线拟合函数：
x＝p1+p2·y+p3·y2·ln(y)+p4·ln(y)+p5·e-y，20≤y≤30，z＝3；
其中，p1＝-34.4782；p2＝3.0762；p3＝-0.0159；p4＝-2.7336；p5＝4918965.9503；
(2)风道主体顶部弧面结构引导曲线拟合函数：
z＝p1+p2·x+p3·ex+p4·e-x，-9.8≤x≤-0.2，y＝30；
其中，p1＝7.7017；p2＝-0.0009；p3＝-5.2322；p4＝-0.0002；
风道主体顶部弧面结构起始曲线与风道主体顶部弧面结构引导曲线的交点为(-0.2，30，3)。
在图3中所示的坐标系中进行拟合，沿隧道横向为y轴，将径向平面看作xoz平面，坐标原点为坐标原点为隧道洞口平面右下角点。
风道底部弧面3和顶部弧面4构成了该自空气幕系统的主体部分，为空气流动提供了通道，并且为空气幕系统提供了空气来源。
还包括与风道主体顶部弧面4相连接用于使出风顺畅的弧面导出风板5，所述弧面导出风板5对隧道顶部风道出流的空气进行整流，所述弧面导出风板5在如图3所示的坐标系下的特征曲线拟合函数为：
(1)弧面导出风板起始曲线拟合函数：
y＝p1+p2·x+p3·x2+p4·ex+p5/x，-1.2≤x≤-0.2，z＝3；其中，p1＝27.5795；p2＝-3.8631；p3＝-2.1288；p4＝2.1301；p5＝0.0028；
(2)弧面导出风板引导曲线拟合函数：
z＝p1+p2·x+p3·ex+p4·e-x，-9.8≤x≤-0.2，y＝30；
其中，p1＝7.7017；p2＝-0.0009；p3＝-5.2322；p4＝-0.0002；
弧面导出风板起始曲线与弧面导出风板引导曲线的交点为(-0.2，30，3)。
在图3中所示的坐标系中进行拟合，沿隧道横向为y轴，将径向平面看作xoz平面，坐标原点为坐标原点为隧道洞口平面右下角点。弧面导出风板5使空气流动具有方向性，且使风道出流的空气有特定方向，与隧道内侵入的空气方向相反从而起到减少隧道内的冷空气侵入量。
还包括与风道主体底部弧面3连接用于引导隧道内空气进入风道的导入风板1，其也具有特定的曲线形式，所述导入风板1与风道主体底部弧面3相连接，也在图3所示的坐标系中进行拟合。在如图3所示的坐标系下所述导入风板的特征曲线拟合函数为：
(1)导入风板起始曲线拟合函数：
y＝a·x+b，-1.2≤x≤-0.2，z＝3；其中，a＝2，b＝22.4；
(2)导入风板引导曲线拟合函数：
z＝p1+p2·x+p3·ex+p4·e-x，-9.8≤x≤-0.2，y＝22；
其中，p1＝7.7017；p2＝-0.0009；p3＝-5.2322；p4＝-0.0002；
导入风板起始曲线与导入风板引导曲线的交点为(-0.2，22，3)。
在图3中所示的坐标系中进行拟合，沿隧道横向为y轴，将径向平面看作xoz平面，坐标原点为隧道洞口平面右下角点。
导入风板1对于整个自风幕系统极为重要，它可以使更多的隧道内空气进入风道主体，而不是单纯使空气在壁面依靠压力进入风道。
通过对导出风板的曲面形式优化，使空气在经过风道主体后不会直直地撞在壁面上改变方向，大大减少了在转变空气流向过程中空气动力势能的消耗。
以本实施例为例，设置隧道入口压力的相对压力为100Pa，隧道内部相对压力为0Pa，将本发明与传统长直隧道在同一纵深处的压力分布进行比较，如图5所示，将图5(a)与图5(b)进行比较可以看出，在同一云图等级下，本发明的隧道内压力比传统长直隧道更大，因此隧道内外压差更小，从而减少因为风压而侵入隧道的风量。
以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式和实施例，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所发明的内容。

Claims (5)

1.一种公路隧道减少空气侵入量用自空气幕系统，其特征在于，包括导入风板、导入底板、顶部弧面结构、底部弧面结构和弧面导出风板；
其中，导入风板与底部弧面结构连接为一体结构，并且导入风板与公路隧道壁面通过导入底板相连接；
所述顶部弧面结构与弧面导出风板为一体结构，顶部弧面结构为弧线凸出的曲面，弧面导出风板为弧线凸出的曲面，且弧面导出风板的曲率大于底部弧面结构的曲率；
所述底部弧面结构为弧线凸出的曲面；
上述系统，形成入口区域、主风道区域和出口区域；
其中，导入风板、导入底板和原公路隧道顶面构成的一个吸收隧道内空气进入的入口区域；导入风板与底部弧面结构的交接线与原公路隧道顶面曲线形式一致，弧长相等；
所述顶部弧面结构和底部弧面结构形成主风道区域；
所述弧面导出风板形成虚拟的导出风口平面，弧面导出风板与虚拟的导出风口平面共同形成出口区域，弧面导出风板对虚拟的导出风口平面吹出的空气进行整流，使气流转向；导出风口平面的法线方向与入口平面法线方向垂直；
本系统中，导入风板的特征曲线是以导入风板起始曲线为起始线，导入风板引导曲线为引导线扫掠而成的平直三维曲面，其中，公路隧道横向为y轴，将公路隧道径向平面作为xoz平面，坐标原点位于公路隧道洞口平面右下角，所述导入风板的特征曲线拟合函数为：
(1)导入风板起始曲线拟合函数：
y＝2x+22.4，-1.2≤x≤-0.2；
(2)导入风板引导曲线拟合函数：
z＝p1+p2·x+p3·ex+p4·e-x，-9.8≤x≤-0.2；
其中，p1＝7.7017；p2＝-0.0009；p3＝-5.2322；p4＝-0.0002；
其中，导入风板起始曲线与导入风板引导曲线的交点为(-0.2，22，3)；
本系统中，底部弧面结构的特征曲线以底部弧面结构起始曲线为起始线，底部弧面结构引导曲线为引导线，扫掠形成曲面，沿公路隧道横向为y轴，将公路隧道径向平面看作xoz平面，坐标原点位于公路隧道洞口平面右下角，所述底部弧面结构的特征曲线拟合函数为：
(1)底部弧面结构起始曲线拟合函数：
x＝p1+p2·y+p3·y1.5+p4·y3+p5·e-y，22≤y≤29；
其中，p1＝-43.6865；p2＝4.0526；p3＝-0.3818；p4＝-0.0006；p5＝60538124.0363；
(2)底部弧面结构引导曲线拟合函数：
z＝p1+p2·x+p3·ex+p4·e-x，-9.8≤x≤-0.2；
其中，p1＝7.7017；p2＝-0.0009；p3＝-5.2322；p4＝-0.0002；
底部弧面结构起始曲线与底部弧面结构引导曲线的交点为(-0.2，29，3)；
本系统中，顶部弧面结构的特征曲线以顶部弧面结构起始曲线为起始线，顶部弧面结构引导曲线为引导线，扫掠形成曲面，沿公路隧道横向为y轴，将公路隧道径向平面看作xoz平面，坐标原点位于公路隧道洞口平面右下角，所述顶部弧面结构的特征曲线拟合函数为：
(1)顶部弧面结构起始曲线拟合函数：
x＝p1+p2·y+p3·y2·ln(y)+p4·ln(y)+p5·e-y，20≤y≤30；
其中，p1＝-34.4782；p2＝3.0762；p3＝-0.0159；p4＝-2.7336；p5＝4918965.9503；
(2)顶部弧面结构引导曲线拟合函数：
z＝p1+p2·x+p3·ex+p4·e-x，-9.8≤x≤-0.2；
其中，p1＝7.7017；p2＝-0.0009；p3＝-5.2322；p4＝-0.0002；
其中，顶部弧面结构起始曲线与顶部弧面结构引导曲线的交点为(-0.2，30，3)；
本系统中，弧面导出风板的特征曲线以弧面导出风板起始曲线为起始线，弧面导出风板引导曲线为引导线，扫掠形成曲面，沿公路隧道横向为y轴，将公路隧道径向平面看作xoz平面，坐标原点位于公路隧道洞口平面右下角，所述弧面导出风板的特征曲线拟合函数为：
(1)弧面导出风板起始曲线拟合函数：
y＝p1+p2·x+p3·x2+p4·ex+p5/x，-1.2≤x≤-0.2；
其中，p1＝27.5795；p2＝-3.8631；p3＝-2.1288；p4＝2.1301；p5＝0.0028；
(2)弧面导出风板引导曲线拟合函数：
z＝p1+p2·x+p3·ex+p4·e-x，-9.8≤x≤-0.2；
其中，p1＝7.7017；p2＝-0.0009；p3＝-5.2322；p4＝-0.0002；
弧面导出风板起始曲线与弧面导出风板引导曲线的交点为(-0.2，30，3)。
2.如权利要求1所述公路隧道减少空气侵入量用自空气幕系统，其特征在于，沿公路隧道横向为y轴，将公路隧道横向平面看作xoy平面，坐标原点为公路隧道洞口平面右下角点，所述导入底板为导入风板起始曲线与公路隧道平面在xoy平面上形成的直角三角形。
3.如权利要求1所述公路隧道减少空气侵入量用自空气幕系统，其特征在于，所述入口区域与公路隧道内空气流动方向垂直；入口区域面积比定义为入口平面的面积与入口平面所在横截面原面积的比值，取值为16.2％。
4.如权利要求1所述公路隧道减少空气侵入量用自空气幕系统，其特征在于，主风道区域横向中点的底顶面高度比为0.5。
5.如权利要求1所述公路隧道减少空气侵入量用自空气幕系统，其特征在于，所述弧面导出风板的最高点高度与导出风口的长度比值为0.3。
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