CN111911218B - 尖顶方底隧道减少室外空气侵入量用自空气幕系统 - Google Patents

尖顶方底隧道减少室外空气侵入量用自空气幕系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及尖顶方底隧道减少室外空气侵入量用自空气幕系统，所述系统包括导入风板、风道主体底部弧面结构、风道主体顶部弧面结构和弧面导出风板；导入风板和风道主体底部弧面结构依次连接，为下部一体结构；风道主体顶部弧面结构和弧面导出风板依次连接，为上部一体结构。本发明中，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

尖顶方底隧道减少室外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，具体涉及一种尖顶方底隧道减少室外空气侵入量用自空气幕系统。
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。
想要减少寒区隧道洞口冷空气的侵入，同时又尽可能地减少能源消耗、保温及气流组织的建造和运营成本、消防事故发生的几率，既省钱又有效地解决寒区隧道冷风侵入问题，最直接的方法就是利用隧道内外由于压差以及活塞效应而产生的自然流动，通过合理的隧道风道设计，有效的利用自然流动，通过改变空气流动的方向使侵入隧道的冷空气流量无运营成本的减少。
发明内容
本发明的目的是提供一种尖顶方底隧道减少室外空气侵入量用自空气幕系统，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。
本发明所采用的技术方案为：
尖顶方底隧道减少室外空气侵入量用自空气幕系统，其特征在于：
所述系统包括导入风板、风道主体底部弧面结构、风道主体顶部弧面结构和弧面导出风板；
导入风板和风道主体底部弧面结构依次连接，为下部一体结构；
风道主体顶部弧面结构和弧面导出风板依次连接，为上部一体结构。
导入风板和风道主体底部弧面结构的一体结构中，导入风板与原本的隧道两侧壁面相连接，使入口区域封闭，导入风板为一种由导入风板起始线扫掠过导入风板引导线形成的三维面，该风板结构在径向上与尖顶隧道顶部结构相同，在横向上与导入风板起始线形式相同；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和弧面导出风板的一体结构中，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。
所述系统包括入口区域、主风道区域和出口区域；
导入风板与原本的隧道两侧壁面相连接构成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，函数形式相同；
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。
导入风板与原本的隧道两侧壁面相连接一同构成入口平面，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19.6％。
在主风道区域，在风道主体横向中点的底顶面高度比为0.448。
弧面导出风板的最高点高度与导出风口的长度比值为0.32。
所述导入风板的特征曲线拟合函数为：
(1)导入风板起始线拟合函数：
z＝ay+b，20≤y≤22，x＝5；其中，a＝0.5，b＝-6；
(2)导入风板引导线拟合函数：
z＝a·x+b，0≤x≤2.5，y＝22；其中，a＝0.4，b＝5；
z＝a·x+b，2.5＜x≤5，y＝22；其中，a＝-0.4，b＝7；
导入风板起始线与导入风板引导线的交点为(5，22，5)；
在坐标系中进行拟合，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左下角点；
所述风道主体底部弧面结构的特征曲线拟合函数为：
(1)风道主体底部弧面结构起始线拟合函数：
z＝p1+p2·y+p3·y·ln(y)+p4·y3+p5·ey，22≤y≤29，x＝5；
其中，p1＝-46.9444217832981；p2＝6.45303088563633；
p3＝-1.22147647231713；p4＝-0.000654031243478343；
p5＝8.24356872947433E-15；
(2)风道主体底部弧面结构引导线拟合函数：
z＝a·x+b，0≤x≤2.5，y＝29；其中，a＝0.4，b＝5；
z＝a·x+b，2.5＜x≤5，y＝29；其中，a＝-0.4，b＝7；
风道主体底部弧面结构起始线与风道主体底部弧面结构引导线的交点为(5，29，5)；
在坐标系中进行拟合，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左下角点。
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线拟合函数：
z＝p1+p2/y+p3/y2+p4/y3+p5/y4+p6/y5+p7/y6+p8/y7+p9/y8， 20≤y≤30，x＝5；
其中，p1＝-479.648717816996；p2＝46639.5067178148；
p3＝-1763878.43146576；p4＝32159747.4109172；
p5＝-252654944.2318；p6＝554947.327538201；
p7＝7764218353.15429；p8＝10430.9157119705；
p9＝0.0640280488878489；
(2)风道主体顶部弧面结构引导线拟合函数：
z＝a·x+b，0≤x≤2.5，y＝30；其中，a＝0.4，b＝5；
z＝a·x+b，2.5＜x≤5，y＝30；其中，a＝-0.4，b＝7；
风道主体顶部弧面结构起始线与风道主体顶部弧面结构引导线的交点为(5，30，5)；
在坐标系中进行拟合，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左下角点；
所述弧面导出风板的特征曲线拟合函数为：
(1)弧面导出风板起始线拟合函数：
y＝p1+p2·z2+p3·z4+p4·z6+p5·z8+p6·z10，4≤z≤5，x＝5；
其中，p1＝-93.681269296828；p2＝27.8282095057258；
p3＝-2.55022068765647；p4＝0.118916331482891；
p5＝-0.00280668173638191；p6＝2.66397422853041E-5
(2)弧面导出风板引导线拟合函数：
z＝a·x+b，0≤x≤2.5，y＝30；其中，a＝0.4，b＝5；
z＝a·x+b，2.5＜x≤5，y＝30；其中，a＝-0.4，b＝7；
风道主体顶部弧面结构起始线与风道主体顶部弧面结构引导线的交点为(5，30，5)；
在坐标系中进行拟合，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左下角点。
本发明具有以下优点：
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
图1为一种寒区尖顶方底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为一种寒区尖顶方底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为一种寒区尖顶方底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尖顶方底形隧道在同一横截面的截面速度分布云图；其中(a)为传统尖顶方底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为一种寒区尖顶方底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尖顶方底形隧道在同一横截面的截面压力分布云图；其中(a)为传统尖顶方底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为风道主体底部弧面结构；3为风道主体顶部弧面结构；4为弧面导出风板。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细的说明。
本发明涉及尖顶方底隧道减少室外空气侵入量用自空气幕系统，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。本发明是具有特定曲线形式的弧面风道，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。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，以下文本中简称为横向或径向。
所述系统包括导入风板1、风道主体底部弧面结构2、风道主体顶部弧面结构3 和弧面导出风板4；导入风板1和风道主体底部弧面结构2依次连接，为下部一体结构；风道主体顶部弧面结构3和弧面导出风板4依次连接，为上部一体结构。系统在隧道外的部分，两侧的围岩作为通道的侧壁。
导入风板1和风道主体底部弧面结构2的一体结构中，导入风板1与原本的隧道两侧壁面相连接，使入口区域封闭，导入风板1为一种由导入风板起始线扫掠过导入风板引导线形成的三维面，该风板结构在径向上与尖顶隧道顶部结构相同，在横向上与导入风板起始线形式相同；风道主体底部弧面结构2为弧线凸出的曲面。
风道主体顶部弧面结构3和弧面导出风板4的一体结构中，风道主体顶部弧面结构3为弧线凸出的曲面，弧面导出风板4为弧线凸出的曲面，且弧面导出风板4 的曲率大于风道主体底部弧面结构3的曲率。
需要特别说明的是，导入风板1、风道主体顶部弧面结构3、风道主体底部弧面结构2和弧面导出风板4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，本系统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。
所述系统包括入口区域、主风道区域和出口区域；导入风板1与原本的隧道两侧壁面相连接构成一个吸收隧道内空气进入的入口区域；导入风板1与风道主体底部弧面结构2的交接线与原隧道顶面曲线形式保持一致，函数形式相同；风道主体顶部弧面结构3和风道主体底部弧面结构2形成主风道区域；弧面导出风板4和虚拟导出风口平面形成出口区域，弧面导出风板4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。
导入风板1与原本的隧道两侧壁面相连接一同构成入口平面，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19.6％。在主风道区域，在风道主体横向中点的底顶面高度比为0.448。弧面导出风板4的最高点高度与导出风口的长度比值为0.32。
所述导入风板1的特征曲线拟合函数为：
(1)导入风板起始线拟合函数：
z＝ay+b，20≤y≤22，x＝5；其中，a＝0.5，b＝-6；
(2)导入风板引导线拟合函数：
z＝a·x+b，0≤x≤2.5，y＝22；其中，a＝0.4，b＝5；
z＝a·x+b，2.5＜x≤5，y＝22；其中，a＝-0.4，b＝7；
导入风板起始线与导入风板引导线的交点为(5，22，5)。
在坐标系中进行拟合，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左下角点；
风道主体底部弧面结构2的特征曲线拟合函数为：
(1)风道主体底部弧面结构起始线拟合函数：
z＝p1+p2·y+p3·y·ln(y)+p4·y3+p5·ey，22≤y≤29，x＝5；
其中，p1＝-46.9444217832981；p2＝6.45303088563633；
p3＝-1.22147647231713；p4＝-0.000654031243478343；
p5＝8.24356872947433E-15；
(2)风道主体底部弧面结构引导线拟合函数：
z＝a·x+b，0≤x≤2.5，y＝29；其中，a＝0.4，b＝5；
z＝a·x+b，2.5＜x≤5，y＝29；其中，a＝-0.4，b＝7；
风道主体底部弧面结构起始线与风道主体底部弧面结构引导线的交点为(5，29，5)；
在坐标系中进行拟合，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左下角点。
风道主体顶部弧面结构3的特征曲线拟合函数为：
(1)风道主体顶部弧面结构起始线拟合函数：
z＝p1+p2/y+p3/y2+p4/y3+p5/y4+p6/y5+p7/y6+p8/y7+p9/y8， 20≤y≤30，x＝5；
其中，p1＝-479.648717816996；p2＝46639.5067178148；
p3＝-1763878.43146576；p4＝32159747.4109172；
p5＝-252654944.2318；p6＝554947.327538201；
p7＝7764218353.15429；p8＝10430.9157119705；
p9＝0.0640280488878489；
(2)风道主体顶部弧面结构引导线拟合函数：
z＝a·x+b，0≤x≤2.5，y＝30；其中，a＝0.4，b＝5；
z＝a·x+b，2.5＜x≤5，y＝30；其中，a＝-0.4，b＝7；
风道主体顶部弧面结构起始线与风道主体顶部弧面结构引导线的交点为(5，30，5)；
在坐标系中进行拟合，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左下角点；
所述弧面导出风板4的特征曲线拟合函数为：
(1)弧面导出风板起始线拟合函数：
y＝p1+p2·z2+p3·z4+p4·z6+p5·z8+p6·z10，4≤z≤5，x＝5；
其中，p1＝-93.681269296828；p2＝27.8282095057258；
p3＝-2.55022068765647；p4＝0.118916331482891；
p5＝-0.00280668173638191；p6＝2.66397422853041E-5
(2)弧面导出风板引导线拟合函数：
z＝a·x+b，0≤x≤2.5，y＝30；其中，a＝0.4，b＝5；
z＝a·x+b，2.5＜x≤5，y＝30；其中，a＝-0.4，b＝7；
风道主体顶部弧面结构起始线与风道主体顶部弧面结构引导线的交点为(5，30，5)；
在坐标系中进行拟合，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左下角点。
本发明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。
实施例1
本实施例公开了一种寒区尖顶方底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；风道主体底部弧面结构2；风道主体顶部弧面结构3；弧面导出风板4；
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，另外导入风板与原本的隧道两侧壁面相连接，使入口区域封闭；导入风板为一种由导入风板起始线扫掠过导入风板引导线形成的三维面，该风板结构在径向上与尖顶隧道顶部结构相同，在横向上与导入风板起始线形式相同，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。
其中，导入风板与原本的隧道两侧壁面相连接构成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，函数形式相同。
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与原本的隧道两侧壁面相连接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，函数形式相同，导入风板1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，入口面积为5.38m2，原横截面面积为27.5m2，系统的入口面积比为：α＝5.38/27.5·100％＝19.6％，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。
主风道区域是由风道主体底部弧面2和风道主体顶部弧面3构成，风道主体分为上顶面和下底面。在本例中，风道主体底部弧面2在风道主体中点处的高度为0.896 米、风道主体顶部弧面3在风道主体中点处的高度为2米，风道主体的底顶面高度比为β＝0.896/2＝0.448，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0.448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4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＝0.32/1＝0.32。
将本发明与传统尖顶方底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中(a)为传统尖顶方底隧道在某一纵深处的速度云图，从传统尖顶方底隧道云图中可以看出，传统尖顶方底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。传统尖顶方底隧道整体速度分布较为规律，但整体速度偏大。从图4中(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尖顶方底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；风道主体底部弧面结构2；风道主体顶部弧面结构3；弧面导出风板4；
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，另外导入风板与原本的隧道两侧壁面相连接，使入口区域封闭；导入风板为一种由导入风板起始线扫掠过导入风板引导线形成的三维面，该风板结构在径向上与尖顶隧道顶部结构相同，在横向上与导入风板起始线形式相同，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)弧面导出风板起始线拟合函数：
y＝p1+p2·z2+p3·z4+p4·z6+p5·z8+p6·z10，4≤z≤5，x＝5；
其中，p1＝-93.681269296828；p2＝27.8282095057258；
p3＝-2.55022068765647；p4＝0.118916331482891；
p5＝-0.00280668173638191；p6＝2.66397422853041E-5
(2)弧面导出风板引导线拟合函数：
z＝a·x+b，0≤x≤2.5，y＝30；其中，a＝0.4，b＝5；
z＝a·x+b，2.5＜x≤5，y＝30；其中，a＝-0.4，b＝7；
风道主体顶部弧面结构起始线与风道主体顶部弧面结构引导线的交点为(5，30，5)；
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左下角点。
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。
将本发明与传统尖顶方底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尖顶方底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尖顶方底隧道质量流量降低了约22.88％，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尖顶方底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。主要包括导入风板1；风道主体底部弧面结构2；风道主体顶部弧面结构3；弧面导出风板4，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2的特征曲线拟合函数为：
(1)风道主体底部弧面结构起始线拟合函数：
z＝p1+p2·y+p3·y·ln(y)+p4·y3+p5·ey，22≤y≤29，x＝5；
其中，p1＝-46.9444217832981；p2＝6.45303088563633；
p3＝-1.22147647231713；p4＝-0.000654031243478343；
p5＝8.24356872947433E-15；
(2)风道主体底部弧面结构引导线拟合函数：
z＝a·x+b，0≤x≤2.5，y＝29；其中，a＝0.4，b＝5；
z＝a·x+b，2.5≤x≤5，y＝29；其中，a＝-0.4，b＝7；
z＝a·x+b，2.5＜x≤5，y＝29；其中，a＝-0.4，b＝7；
风道主体底部弧面结构起始线与风道主体底部弧面结构引导线的交点为(5，29，5)。
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左下角点。
所述风道主体顶部弧面结构3的特征曲线拟合函数为：
(1)风道主体顶部弧面结构起始线拟合函数：
z＝p1+p2/y+p3/y2+p4/y3+p5/y4+p6/y5+p7/y6+p8/y7+p9/y8， 20≤y≤30，x＝5；
其中，p1＝-479.648717816996；p2＝46639.5067178148；
p3＝-1763878.43146576；p4＝32159747.4109172；
p5＝-252654944.2318；p6＝554947.327538201；
p7＝7764218353.15429；p8＝10430.9157119705；
p9＝0.0640280488878489；
(2)风道主体顶部弧面结构引导线拟合函数：
z＝a·x+b，0≤x≤2.5，y＝30；其中，a＝0.4，b＝5；
z＝a·x+b，2.5＜x≤5，y＝30；其中，a＝-0.4，b＝7；
风道主体顶部弧面结构起始线与风道主体顶部弧面结构引导线的交点为(5，30，5)；
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左下角点。
风道底部弧面2和顶部弧面3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3相连接用于使出风顺畅的弧面导出风板4，所述弧面导出风板4对隧道顶部风道出流的空气进行整流，所述弧面导出风板4在如图3 所示的坐标系下的特征曲线拟合函数为：
(1)弧面导出风板起始线拟合函数：
y＝p1+p2·z2+p3·z4+p4·z6+p5·z8+p6·z10，4≤z≤5，x＝5；
其中，p1＝-93.681269296828；p2＝27.8282095057258；
p3＝-2.55022068765647；p4＝0.118916331482891；
p5＝-0.00280668173638191；p6＝2.66397422853041E-5
(2)弧面导出风板引导线拟合函数：
z＝a·x+b，0≤x≤2.5，y＝30；其中，a＝0.4，b＝5；
z＝a·x+b，2.5＜x≤5，y＝30；其中，a＝-0.4，b＝7；
风道主体顶部弧面结构起始线与风道主体顶部弧面结构引导线的交点为(5，30，5)；
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左下角点。
弧面导出风板4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2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。
所述导入风板1在如图3所示的坐标系下的特征曲线拟合函数为：
(1)导入风板起始线拟合函数：
z＝ay+b，20≤y≤22，x＝5；其中，a＝0.5，b＝-6；
(2)导入风板引导线拟合函数：
z＝a·x+b，0≤x≤2.5，y＝22；其中，a＝0.4，b＝5；
z＝a·x+b，2.5＜x≤5，y＝22；其中，a＝-0.4，b＝7；
导入风板起始线与导入风板引导线的交点为(5，22，5)。
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左下角点。
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，使得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，将本发明与传统尖顶方底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中(a)与图5中(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尖顶方底隧道更大，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。
本发明的内容不限于实施例所列举，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。

Claims (4)

1.尖顶方底隧道减少室外空气侵入量用自空气幕系统，其特征在于：
所述系统包括导入风板(1)、风道主体底部弧面结构(2)、风道主体顶部弧面结构(3)和弧面导出风板(4)；
所述系统包括入口区域、主风道区域和出口区域；
导入风板(1)与原本的隧道两侧壁面相连接构成一个吸收隧道内空气进入的入口区域；导入风板(1)与风道主体底部弧面结构(2)的交接线与原隧道顶面曲线形式保持一致，函数形式相同；
风道主体顶部弧面结构(3)和风道主体底部弧面结构(2)形成主风道区域；
弧面导出风板(4)和虚拟导出风口平面形成出口区域，弧面导出风板(4)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；
导入风板(1)和风道主体底部弧面结构(2)依次连接，为下部一体结构；导入风板(1)和风道主体底部弧面结构(2)的一体结构中，导入风板(1)与原本的隧道两侧壁面相连接，使入口区域封闭，导入风板(1)为一种由导入风板起始线扫掠过导入风板引导线形成的三维面，该风板结构在径向上与尖顶隧道顶部结构相同，在横向上与导入风板起始线形式相同；风道主体底部弧面结构(2)为弧线凸出的曲面；所述导入风板(1)的特征曲线拟合函数为：
(1)导入风板起始线拟合函数：
z＝ay+b，20≤y≤22，x＝5；其中，a＝0.5，b＝-6；
(2)导入风板引导线拟合函数：
z＝a·x+b，0≤x≤2.5，y＝22；其中，a＝0.4，b＝5；
z＝a·x+b，2.5＜x≤5，y＝22；其中，a＝-0.4，b＝7；
导入风板起始线与导入风板引导线的交点为(5，22，5)；
在坐标系中进行拟合，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左下角点；
所述风道主体底部弧面结构(2)的特征曲线拟合函数为：
(1)风道主体底部弧面结构起始线拟合函数：
z＝p1+p2·y+p3·y·ln(y)+p4·y3+p5·ey，22≤y≤29，x＝5；
其中，p1＝-46.9444217832981；p2＝6.45303088563633；
p3＝-1.22147647231713；p4＝-0.000654031243478343；
p5＝8.24356872947433E-15；
(2)风道主体底部弧面结构引导线拟合函数：
z＝a·x+b，0≤x≤2.5，y＝29；其中，a＝0.4，b＝5；
z＝a·x+b，2.5＜x≤5，y＝29；其中，a＝-0.4，b＝7；
风道主体底部弧面结构起始线与风道主体底部弧面结构引导线的交点为(5，29，5)；
在坐标系中进行拟合，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左下角点；风道主体顶部弧面结构(3)和弧面导出风板(4)依次连接，为上部一体结构；风道主体顶部弧面结构(3)和弧面导出风板(4)的一体结构中，风道主体顶部弧面结构(3)为弧线凸出的曲面，弧面导出风板(4)为弧线凸出的曲面，且弧面导出风板(4)的曲率大于风道主体顶部弧面结构(3)的曲率；
所述风道主体顶部弧面结构(3)的特征曲线拟合函数为：
(1)风道主体顶部弧面结构起始线拟合函数：
z＝p1+p2/y+p3/y2+p4/y3+p5/y4+p6/y5+p7/y6+p8/y7+p9/y8，20≤y≤30，x＝5；
其中，p1＝-479.648717816996；p2＝46639.5067178148；
p3＝-1763878.43146576；p4＝32159747.4109172；
p5＝-252654944.2318；p6＝554947.327538201；
p7＝7764218353.15429；p8＝10430.9157119705；
p9＝0.0640280488878489；
(2)风道主体顶部弧面结构引导线拟合函数：
z＝a·x+b，0≤x≤2.5，y＝30；其中，a＝0.4，b＝5；
z＝a·x+b，2.5＜x≤5，y＝30；其中，a＝-0.4，b＝7；
风道主体顶部弧面结构起始线与风道主体顶部弧面结构引导线的交点为(5，30，5)；
在坐标系中进行拟合，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左下角点；
所述弧面导出风板(4)的特征曲线拟合函数为：
(1)弧面导出风板起始线拟合函数：
y＝p1+p2·z2+p3·z4+p4·z6+p5·z8+p6·z10，4≤z≤5，x＝5；
其中，p1＝-93.681269296828；p2＝27.8282095057258；
p3＝-2.55022068765647；p4＝0.118916331482891；
p5＝-0.00280668173638191；p6＝2.66397422853041E-5
(2)弧面导出风板引导线拟合函数：
z＝a·x+b，0≤x≤2.5，y＝30；其中，a＝0.4，b＝5；
z＝a·x+b，2.5＜x≤5，y＝30；其中，a＝-0.4，b＝7；
风道主体顶部弧面结构起始线与风道主体顶部弧面结构引导线的交点为(5，30，5)；
在坐标系中进行拟合，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左下角点。
2.根据权利要求1所述的尖顶方底隧道减少室外空气侵入量用自空气幕系统，其特征在于：
导入风板(1)与原本的隧道两侧壁面相连接一同构成入口平面，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19.6％。
3.根据权利要求2所述的尖顶方底隧道减少室外空气侵入量用自空气幕系统，其特征在于：
在主风道区域，在风道主体横向中点的底顶面高度比为0.448。
4.根据权利要求3所述的尖顶方底隧道减少室外空气侵入量用自空气幕系统，其特征在于：
弧面导出风板(4)的最高点高度与导出风口的长度比值为0.32。
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