CN113482690A - 匝道排风型单匝道公路隧道通风系统风量分配的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种匝道排风型单匝道公路隧道通风系统风量分配计算方法，该方法通过引入匝道与主隧道之间的分风比χ、断面面积比γ以及土建影响因素A、B，计算分风比χ存在的条件下，匝道排风型单匝道公路隧道通风系统总阻力P和直接从出口隧道排风的通风系统总阻力P′差值最小时，分风比χ的值，作为满足通风系统设计要求前提下，实现通风系统装机功耗最小时，匝道与主隧道之间的风量分配，既解决了现有利用匝道排风的单匝道公路隧道通风系统风量分配设置不合理、通风系统能耗高问题；同时，所述的风量分配计算方法可以直接量化匝道通风量与主隧道通风量之间的比值，具有简单、迅速、快捷的特点。

Description

匝道排风型单匝道公路隧道通风系统风量分配的计算方法

技术领域

本发明涉及隧道通风领域，具体涉及一种可以快速确定匝道排风型单匝道公路隧道通风系统中最佳节能工况下，匝道及主隧道风量分配的计算方法。

背景技术

近年来修建了不少长隧道、特长隧道以及隧道群，隧道占公路里程比重不断增大。随着隧道建设技术不断提高以及运营的需要，隧道趋势是越修越长、越修越宽，技术越来越难、越复杂。秦岭终南山隧道、厦门翔安隧道、青岛胶州湾隧道、上海长江隧桥等重点工程相继建成通车，且已成为城市道路的重要组成部分，并与城乡公路、城市轨道交通、城市道路等多种交通系统相互衔接、协调工作，突显了疏解交通压力，增强城乡交通畅通性、改善交通环境的作用。其中，城市隧道由于其交通功能需求，需修建大量的进出口匝道，以解决城区间的交通衔接功能，这样对于本来就已复杂的通风网络系统增加了不少挑战，同时也带来了诸如风量分配、风机设置、系统节能等一系列问题。

隧道通风系统一直是隧道运营期间的能耗大户。如何在保证所有行车区域的设计风量满足相关要求的前提下尽量减少通风系统装机功率一直是行业内研究的重点。

例如：曹会芹等申请了“隧道施工通风管道风量分配控制器”的发明专利，通过在三通接头底部设置有柱状凹槽，解决了现有隧道施工通风管道两侧工作面所需风量得不到合理分配造成通风时间延长且浪费能耗、延误工期的问题。慕志光等申请了“制冷设备及其风量分配板”的发明专利，简化了风道的结构，通往各制冷室的冷风都经由风量分配板进行统一分配，从而可以实现对各风道支路中风量的较精确控制。潘代威等申请了“一种地下矿山通风系统及风量分配方法”发明专利，解决地下矿山多中段同时采矿通风问题。李凤军申请了“一种风量分配系统”发明专利，通过控制系统采集数据，调节分配至各室内区域的风量大小，以调节各室内区域的空气质量，提高分配至各室内区域的风量利用率。姚志军等申请了“送风管的风量分配机构”的发明专利，可以根据需要调整导风板在主管体中的偏转角度，控制向不同出风口送出不同的风量，满足现场的实际需求，提高送风系统使用效率。

归纳起来，上述专利涉及的实质性内容，主要在于研究风量分配装置、控制系统反馈调节风量的控制方法等问题；但是，对于利用匝道排风的单匝道公路隧道通风系统中匝道与主隧道的风量分配、土建参数对风量分配的影响以及通风系统节能计算均未进行阐述和解决。

发明内容

为了实现在满足通风设计的前提下，尽可能降低隧道通风系统中的风机功耗，本发明提供了一种可以快速确定匝道排风型单匝道公路隧道通风系统中，通风系统所需通风机功率最小前提下，匝道及主隧道之间风量分配的计算方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种匝道排风型单匝道公路隧道通风系统风量分配计算方法，所述单匝道公路隧道通风系统包括主隧道以及与主隧道呈一定角度设置的匝道，所述主隧道包括进口隧道与出口隧道；主隧道与匝道之间的风量分配计算方法包括以下步骤：

S1，根据风流交叉口局部阻力计算公式分别计算进口隧道至匝道通风系统中的局部阻力P_1～2以及进口隧道至出口隧道通风系统中的局部阻力P_1～3；

S2，分别计算所述单匝道公路隧道通风系统中，进口隧道沿程阻力P₁、匝道沿程阻力P₂以及出口隧道沿程阻力P₃；

S3，根据步骤S1、步骤S2计算单匝道公路隧道通风系统中总通风阻力P，并引入分风比χ，以及匝道与主隧道的断面积比γ，其中：所述分风比χ为匝道通风量Q₂与隧道需风量Q₃的比值；γ为匝道断面积S₂与主隧道断面积S₃的比值；

S4，计算无匝道设置的情况下，从出口隧道直接排风的隧道通风系统中的总阻力P’；

S5，计算分风比χ存在的条件下，ΔP＝P-P′＜0最小时，分风比χ的值，即：匝道排风型单匝道公路隧道通风系统总阻力P和直接从出口隧道排风的通风系统总阻力P′的差值小于零，引入土建影响因素A、B，其中：

其中：λ₁为主隧道沿程摩擦阻力系数，无量纲常数；λ₂为匝道沿程摩擦阻力系数，无量纲常数；L₁为主隧道中进口隧道长度，单位m；L₂为匝道长度，单位m；d₁为主隧道当量直径，单位m；d₂为匝道当量直径，单位m；θ为匝道与主隧道夹角，单位°；K_a为摩擦阻力影响系数，无量纲常数；ρ为空气密度，单位kg/m³；υ₃为出口隧道断面风速，单位为m/s；

当ΔP值最小时，分风比

根据分风比χ以及隧道需风量_Q3的值，确定匝道通风量Q₂。

进一步地，步骤S3中，引入分风比χ，以及匝道与主隧道的断面积比γ后，所述单匝道公路隧道通风系统中的总通风阻力P的计算公式如下：

步骤S4中，所述出口隧道直接排风的隧道通风系统中的总阻力P’的计算公式如下：

进一步地，步骤S5中，K_a的计算方法如下：

其中，公式(a)中，ρ为空气密度，单位kg/m³；λ为主隧道沿程摩擦阻力系数；

K_a的取值如下：当a值为0.002～0.005时，K_a取值为1；当a值为0.005～0.010时，K_a的取值范围为1.1～1.25；当a值为0.010～0.015时，K_a的取值范围为1.25～1.35；当a值为0.015～0.020时，K_a的取值范围为1.35～1.50；当a值为0.020～0.025时，K_a的取值范围为1.50～1.65；当a值为0.025～0.030时，K_a的取值范围为1.65～1.80。

本发明同现有技术相比具有以下优点及效果：

1、本发明通过引入分风比χ、匝道与主隧道的断面面积比γ以及土建影响因素A、B，计算分风比χ存在的条件下，

时，即：匝道排风型单匝道公路隧道通风系统总阻力P和直接从出口隧道排风的通风系统总阻力P′的差值小于零时的最小值，作为满足通风系统设计的要求下，实现通风系统装机功耗最小时，匝道与主隧道的风量分配，既解决了现有利用匝道排风的单匝道公路隧道通风系统风量分配设置不合理、通风系统能耗高问题；同时，所述的风量分配计算方法可以能直接量化匝道通风量与主隧道通风量的比值，具有简单、迅速、快捷的特点。

2、本发明根据推理得到的计算公式：

以及土建影响因素A、B，重点分析了在所述匝道排风型单匝道公路隧道通风系统中，匝道与主隧道夹角对风量分配(即分风比χ)以及通风系统总阻力P的影响，以及匝道与主隧道断面面积比γ的增大对风量分配(即分风比χ)以及通风系统总阻力P的影响，对于实现公路隧道通风系统高效节能运行，具有重要的工程指导意义。

3、综上，本发明所提供的利用匝道排风的单匝道公路隧道通风系统风量分配的计算方法，能直接量化匝道排风量和总风量的比值，迅速快捷确定主隧道和匝道风量分配，实现公路隧道通风系统高效节能运行。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所述匝道排风型单匝道公路隧道通风系统结构示意图。

图2为本发明实施例所述匝道与主隧道夹角θ与分风比χ之间的曲线关系。

图3为本发明实施例所述匝道与主隧道夹角θ与阻力差ΔP之间的曲线图。

图4为本发明实施例所述断面面积比γ与分风比χ之间的曲线图。

图5为本发明实施例所述断面面积比γ与阻力差ΔP之间的曲线图。

标号说明：1、进口隧道；2、匝道；3、出口隧道。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。

实施例1：如图1所示，一种匝道排风型单匝道公路隧道通风系统，包括主隧道以及与主隧道呈一定角度设置的匝道2，所述主隧道包括进口隧道1与出口隧道3。其中，进口隧道1的长度为L₁(m)，断面积为S₁(m²)，通风量为Q1(m³/s)，断面风速为υ₁(m/s)；匝道的长度为L₂(m)，断面积为S₂(m²)，通风量为Q₂(m³/s)，断面风速为υ₂(m/s)，匝道与主隧道的夹角为θ(°)；出口隧道3的长度为L₃(m)，断面积为S₁(m²)，通风量为Q₃(m³/s)，断面风速为υ₃(m/s)。

其中，如图1所示的匝道排风型单匝道公路隧道通风系统中，在满足通风设计，且通风系统所需通风机功率最小的前提下，匝道与主隧道之间的风量分配，可以通过以下计算方法快速确定，具体步骤如下：

S1，根据风流交叉口局部阻力计算公式分别计算进口隧道至匝道通风系统中的局部阻力P_1～2以及进口隧道至出口隧道通风系统中的局部阻力P_1～3

其中，P_1～2为1～2段局部阻力，单位：Pa；P_1～3为1～3段局部阻力，单位：Pa；ρ为空气密度，单位：kg/m³；K_a为隧道粗糙度影响系数，无量纲常数；

隧道粗糙度影响系数K_a的确定方法为：

(a)

其中：λ为隧道沿程摩擦阻力系数；

(b)隧道粗糙度影响系数K_a的取值按下表选择：

a

0.002～0.005

0.005～0.010

0.010～0.015

0.015～0.020

0.020～0.025

0.025～0.030

K<sub>a</sub>

1.0

1.1～1.25

1.25～1.35

1.35～1.50

1.50～1.65

1.65～1.80

S2，根据流体力学沿程阻力计算公式，分别计算所述单匝道公路隧道通风系统中，进口隧道沿程阻力P₁、匝道沿程阻力P₂以及出口隧道沿程阻力P₃：

其中，d₁为主隧道当量直径，单位：m；d₂为匝道当量直径，单位：m。

S3，根据步骤S1、步骤S2计算单匝道公路隧道通风系统中总通风阻力P，结合公式(1)～(5)，通风系统总阻力为：

P＝P_1～2+P_1～3+P₁+P₂+P₃ (6)

根据流量和速度的关系：

引入分风比χ，定义为匝道通风量Q₂与隧道需风量Q₃的比值：

引入匝道与主隧道断面积比γ，定义为匝道断面积S₂与主隧道断面积S₃的比值：

结合公式(7)～(11)，整理公式(3)～(6)有：

其中：λ₁为主隧道沿程摩擦阻力系数，无量纲常数；λ₂为匝道沿程摩擦阻力系数，无量纲常数。

S4，计算无匝道设置的情况下，从出口隧道直接排风的隧道通风系统中的总阻力P’：

若要求分风比χ存在，则有：

P_1～2≥0 (16)

P_1～3≥0 (17)

ΔP＝P-P′＜0 (18)

式(18)中，ΔP为匝道排风型单匝道公路隧道通风系统中总阻力P和直接从出口隧道排风的通风系统总阻力P′的差值，单位为：Pa。

由于cosθ≤1恒成立，因此公式(16)(17)恒成立。

S5，计算当ΔP值最小时，分风比χ的值，并根据分风比χ以及隧道需风量Q₃的值，确定匝道通风量Q₂；

引入土建影响因数A、B，其计算公式为：

A恒大于0；

公式(18)转换为：

对公式(19)联解，得到如下限定要求：

a-1)当B²-4·A·K_a≥0时，有：

a-2)当B²-4·A·K_a＜0时，以上不成立。

进一步地，当B²-4·A·K_a≥0时，为了得到ΔP的最小值，考虑一元二次方程的对称性，当

时，ΔP的值最小。

根据

可以计算得到匝道所需的通风量。

在本实施例1中，由于通风系统风机装机的作用就是为了克服隧道内的总阻力。因此，根据P＝ΔP+P’；由于P’恒定，当ΔP最小时，P最小，即：排风型单匝道公路隧道通风系统中总阻力最小；相应的，最小总阻力意味着通风系统装机功率最小，该单匝道公路隧道通风系统最节能。在此基础上，根据计算得到的分风比χ的值，可以快速地确定主隧道与匝道之间的最佳风量分配。

实施例2：如图1至5所示，下面是应用本发明所述计算方法的一个工程实施例：

如图1所示，以某单匝道公路隧道为例，进口隧道1的长度L₁＝980m，断面积为S₁＝96.35m²，当量直径9.88m；匝道2的长度为L₂＝530m，断面积为S₂＝50.2m²，当量直径7.39m，匝道2与主隧道的夹角为θ＝15°；出口隧道3的长度为L₃＝892m，主隧道需风量为Q₃＝770m³/s。主隧道和匝道沿程摩擦阻力系数均为λ₁、λ₂＝0.022。

分别计算：

1)匝道断面面积S₂与主隧道断面面积S₃的比值γ；

γ＝0.521

2)摩擦阻力影响系数：

(a)

(b)摩擦阻力影响系数K_a的取值按下表选择：

a

0.002～0.005

0.005～0.010

0.010～0.015

0.015～0.020

0.020～0.025

0.025～0.030

K<sub>a</sub>

1.0

1.1～1.25

1.25～1.35

1.35～1.50

1.50～1.65

1.65～1.80

求得：K_a＝1

(c)分别计算土建影响系数

B²-4·A·K_a＝14.45＞0

因此，

根据

Q₂＝770m³/s*0.32＝246.4m³/s，即：匝道通风量为246.4m³/s。

(1)进一步地，为了研究匝道与主隧道夹角θ对分风比χ的影响，分别选取θ＝{15，20，25，30，35，40，45，50}作为因变量，分别计算得到χ＝{0.32，0.31，0.31，0.30，0.3，0.28，不存在，不存在}。

参见图2，横坐标为匝道与主隧道夹角θ和单位°，纵坐标为分风比χ。从图2可以看出，随着匝道与主隧道夹角的增大，分风比随之减少。随着角度的增大会出现B²-4·A·K_a＜0的情况，此时分风比不存在。由此，可以得出：随着匝道与主隧道夹角θ的增大，在满足通风设计以通风系统装机功率最小的前提下，匝道通风量Q₂逐渐减小。

其次，将θ＝{15，20，25，30，35，40}；χ＝{0.32，0.31，0.31，0.30，0.3，0.28}，χ代入公式(19)，可以计算出匝道与主隧道夹角θ和总阻力差ΔP的曲线图。

参见图3，横坐标为匝道与主隧道夹角θ和单位°，纵坐标为总阻力差ΔP和单位Pa。从图3可以看出，随着匝道与主隧道夹角θ的增大，ΔP阻力差值逐渐增大，即：排风型单匝道公路隧道通风系统中，系统总阻力P逐渐增大。

(2)进一步地，为了研究匝道与主隧道断面面积比γ对分风比χ(分量分配)的影响，分别选取γ＝{0.3，0.35，0.4，0.45，0.5，0.55，0.6，0.65，0.7，0.75，0.8}作为因变量，分别计算χ＝{不存在，不存在，0.24，0.27，0.30，0.34，0.37，0.4，0.42，0.45，0.47}。参见图4，横坐标为匝道与主隧断面面积比γ，纵坐标为分风比χ。从附图4可以看出，随着匝道与主隧道断面面积比γ的增大，分风比随之增大。

其次，将上述χ的取值代入公式(19)，计算出匝道与主隧道断面面积γ和阻力差ΔP的曲线图，参见图5，横坐标为匝道与主隧断面面积比γ，纵坐标为阻力差ΔP和单位Pa。由图5可以看出，当匝道面积与主隧道断面面积比γ逐渐增大时，总阻力差ΔP逐渐减小，即排风型单匝道公路隧道通风系统阻力P减小。

综上，本发明提供的利用匝道排风的单匝道公路隧道通风系统风量分配的计算方法，能直接量化匝道排风量和主隧道总风量的比值，迅速快捷确定主隧道和匝道风量分配，实现公路隧道通风系统高效节能运行。

此外，本发明通过数据分析得到如下结论：所述匝道排风型单匝道公路隧道通风系统中，风量分配(即分风比χ)以及通风系统总阻力P与主隧道、匝道的土建参数(面积、长度)以及匝道与主隧道夹角的参数紧密相关。具体地，如图2至5所示：(a)随着匝道与主隧道夹角的增大，分风比随之减少，ΔP阻力差值逐渐增大，即：排风型单匝道公路隧道通风系统中，系统总阻力P逐渐增大；(b)随着匝道与主隧道断面面积比γ的增大，分风比随之增大，总阻力差ΔP逐渐减小，即排风型单匝道公路隧道通风系统阻力P减小。上述结论对于建立高效节能的排风型单匝道公路隧道通风系统具有重要的工程指导意义。

此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同。凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种匝道排风型单匝道公路隧道通风系统风量分配计算方法，所述单匝道公路隧道通风系统包括主隧道以及与主隧道呈一定角度设置的匝道，所述主隧道包括进口隧道与出口隧道；其特征在于，匝道与主隧道之间的风量分配计算方法包括以下步骤：

S1，根据风流交叉口局部阻力计算公式分别计算进口隧道至匝道通风系统中的局部阻力P_1～2以及进口隧道至出口隧道通风系统中的局部阻力P_1～3；

S2，分别计算所述单匝道公路隧道通风系统中，进口隧道沿程阻力P₁、匝道沿程阻力P₂以及出口隧道沿程阻力P₃；

S3，根据步骤S1、步骤S2计算单匝道公路隧道通风系统中的总通风阻力P，并引入分风比χ，以及匝道与主隧道的断面面积比γ，其中：所述分风比χ为匝道通风量Q₂与隧道需风量Q₃的比值；γ为匝道断面积S₂与主隧道断面积S₃的比值；

S4，计算无匝道设置的情况下，从出口隧道直接排风的隧道通风系统中的总阻力P’；

S5，计算分风比χ存在的条件下，ΔP＝P-P′＜0最小时，分风比χ的值，即：匝道排风型单匝道公路隧道通风系统总阻力P和直接从出口隧道排风的通风系统总阻力P′差值小于零，引入土建影响因素A、B，其中：

其中：λ₁为主隧道沿程摩擦阻力系数，无量纲常数；λ₂为匝道沿程摩擦阻力系数，无量纲常数；L₁为主隧道中进口隧道长度，单位m；L₂为匝道长度，单位m；d₁为主隧道当量直径，单位m；d₂为匝道当量直径，单位m；θ为匝道与主隧道夹角，单位°；K_a为摩擦阻力影响系数，无量纲常数；ρ为空气密度，单位kg/m³；υ₃为出口隧道断面风速，单位为m/s；

当ΔP值最小时，分风比

根据分风比χ以及隧道需风量Q₃的值，确定匝道通风量Q₂。

2.根据权利要求1所述的匝道排风型单匝道公路隧道通风系统风量分配计算方法，其特征在于，步骤S3中，引入分风比χ，以及匝道与主隧道的断面面积比γ后，所述单匝道公路隧道通风系统中的总通风阻力P计算公式如下：

步骤S4中，所述出口隧道直接排风的隧道通风系统中的总阻力P’的计算公式如下：

3.根据权利要求1所述的匝道排风型单匝道公路隧道通风系统风量分配计算方法，其特征在于，步骤S5中，K_a的计算方法如下：

其中，公式(a)中，ρ为空气密度，单位kg/m³；λ为主隧道沿程摩擦阻力系数；

K_a的取值如下：当a值为0.002～0.005时，K_a取值为1；当a值为0.005～0.010时，K_a的取值范围为1.1～1.25；当a值为0.010～0.015时，K_a的取值范围为1.25～1.35；当a值为0.015～0.020时，K_a的取值范围为1.35～1.50；当a值为0.020～0.025时，K_a的取值范围为1.50～1.65；当a值为0.025～0.030时，K_a的取值范围为1.65～1.80。

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