CN113482691A - 进风型单匝道公路隧道通风系统风量分配确定方法及装置 - Google Patents

进风型单匝道公路隧道通风系统风量分配确定方法及装置 Download PDF

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CN113482691A CN202110940075.8A CN202110940075A CN113482691A CN 113482691 A CN113482691 A CN 113482691A CN 202110940075 A CN202110940075 A CN 202110940075A CN 113482691 A CN113482691 A CN 113482691A
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Abstract

本发明涉及一种进风型单匝道公路隧道通风系统风量分配确定方法及装置，该方法通过引入分风比χ、断面面积比γ以及土建影响因素A、B、C、D，在已知工程参数的基础上，根据土建影响因数A、B、C、D的不同组合，可以快速计算得到在满足隧道通风节能设计的前提下，匝道与主隧道之间的风量分配，具有准确、简单、便捷的特点。本发明所述的用于确定进风型单匝道公路隧道通风系统风量分配的数据处理装置，由输入模块、计算模块以及输出模块组成，通过在输入模块中，输入对应的工程参数，即可计算输出相应的分风比χ，整个计算无需人工参与，节省了人力，提高了工作效率，降低了数据误差。

Description

进风型单匝道公路隧道通风系统风量分配确定方法及装置
技术领域
本发明涉及隧道通风节能领域，具体涉及一种可以快速确定满足通风设计需求的进风型单匝道公路隧道通风系统中匝道与主隧道之间风量分配的方法及装置。
背景技术
随着隧道建设技术不断提高、成熟以及运营的需要，隧道趋势是越修越长、越修越宽，技术越来越难。目前，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，诸如风量分配等一系列问题。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。
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。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，上述专利及其涉及实质性内容，主要研究风量分配装置以及控制系统反馈调节风量的控制方法等问题；但是，对于如何优化进风型单匝道公路隧道通风系统中，匝道与主隧道之间的风量分配，实现系统通风节能；以及分析研究工程参数，例如：匝道与主隧道之间的夹角设置以及匝道与主隧道之间断面面积比对系统通风总阻力或风机运行能耗的影响均未进行阐述和解决。
发明内容
基于现有匝道进风型单匝道公路隧道通风系统中，存在匝道与主隧道之间风量分配设置不合理以及系统运行能耗高的问题；本发明提供了一种可满足隧道通风节能设计需求的进风型单匝道公路隧道通风系统风量分配快速确定方法及装置。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种用于确定进风型单匝道公路隧道通风系统风量分配的方法，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，所述通风系统中匝道与主隧道之间的风量分配通过以下步骤确定：
S1，引入分风比χ以及断面面积比γ，计算公式分别为：
Figure BDA0003213194050000021
其中：Q2为匝道进风量，单位m3/s，Q3为主隧道需风量，单位m3/s，S2为匝道断面面积，单位m2；S3为主隧道断面面积，单位m2；
S2，引入土建影响因数A、B、C、D，计算公式分别为：
Figure BDA0003213194050000022
Figure BDA0003213194050000023
Figure BDA0003213194050000024
Figure BDA0003213194050000025
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°；Ka为摩擦阻力影响系数，无量纲常数；
S3，通过对土建影响因数A、B、C、D的限定，确定分风比χ，得到匝道与主隧道之间的风量分配；
a-1)当{D＞0}、{C＞0}、{A＝0、B＞0}且
Figure BDA0003213194050000031
时，有：
Figure BDA0003213194050000032
a-2)当{D＞0}、{C＞0}、{A＝0、B≤0}(或{A＜0、B2+4·A·Ka＜0})且
Figure BDA0003213194050000033
时，有：
Figure BDA0003213194050000034
a-3)当{D＞0}、{C＞0}、{A＞0、B2+4·A·Ka＞0}且
Figure BDA0003213194050000035
时，有：
Figure BDA0003213194050000036
a-4)当{D＞0}、{C＞0}、{A＜0、B2+4·A·Ka＞0}且
Figure BDA0003213194050000037
时，有：
Figure BDA0003213194050000038
a-5)当{D＞0}、{C＞0}、{A＜0、B2+4·A·Ka＞0}且
Figure BDA0003213194050000039
时，有：
Figure BDA00032131940500000310
b-1){D＞0}、{C＝0}、{A＝0、B＞0}且
Figure BDA00032131940500000311
时，有：
Figure BDA0003213194050000041
b-2)当{D＞0}、{C＝0}、{A＝0、B≤0}(或{A＜0、B2+4·A·Ka＜0})且
Figure BDA0003213194050000042
时，有：
Figure BDA0003213194050000043
b-3)当{D＞0}、{C＝0}、{A＞0、B2+4·A·Ka＞0}且
Figure BDA0003213194050000044
时，有：
Figure BDA0003213194050000045
b-4)当{D＞0}、{C＝0}、{A＜0、B2+4·A·Ka＞0}且
Figure BDA0003213194050000046
时，有：
Figure BDA0003213194050000047
b-5)当{D＞0}、{C＝0}、{A＜0、B2+4·A·Ka＞0}且
Figure BDA0003213194050000048
时，有：
Figure BDA0003213194050000049
c-1){D＞0}、{-4≤C＜0}、{A＝0、B＞0}且
Figure BDA00032131940500000410
时，有：
Figure BDA00032131940500000411
c-2){D＞0}、{-4≤C＜0}、{A＝0、B≤0}且
Figure BDA00032131940500000412
时，有：
Figure BDA0003213194050000051
c-3)当{D＞0}、{-4≤C＜0}、{A＞0、B2+4·A·Ka＞0}且
Figure BDA0003213194050000052
时，有：
Figure BDA0003213194050000053
c-4)当{D＞0}、{-4≤C＜0}、{A＜0、B2+4·A·Ka＞0}且
Figure BDA0003213194050000054
时，有：
Figure BDA0003213194050000055
c-5)当{D＞0}、{-4≤C＜0}、{A＜0、B2+4·A·Ka＞0}且
Figure BDA0003213194050000056
时，有：
Figure BDA00032131940500000511
d-1)当{D≤0}、{C＞0}、{A＝0、B＞0}且
Figure BDA0003213194050000057
时，有：
Figure BDA0003213194050000058
d-2)当{D≤0}、{C＞0}、{A＝0、B≤0}(或{A＜0、B2+4·A·Ka＜0})时，有：
Figure BDA0003213194050000059
d-3)当{D≤0}、{C＞0}、{A＞0、B2+4·A·Ka＞0}且
Figure BDA00032131940500000510
时，有：
Figure BDA0003213194050000061
d-4)当{D≤0}、{C＞0}、{A＜0、B2+4·A·Ka＞0}且
Figure BDA0003213194050000062
时，有：
Figure BDA0003213194050000063
d-5)当{D≤0}、{C＞0}、{A＜0、B2+4·A·Ka＞0}且
Figure BDA0003213194050000064
时，有：
Figure BDA0003213194050000065
e-1){D≤0}、{C＝0}、{A＝0、B＞0}且
Figure BDA0003213194050000066
时，有：
Figure BDA0003213194050000067
e-2)当{D≤0}、{C＝0}、{A＝0、B≤0}(或{A＜0、B2+4·A·Ka＜0})时，有：
0.25＜χ
e-3)当{D≤0}、{C＝0}、{A＞0、B2+4·A·Ka＞0}且
Figure BDA0003213194050000068
时，有：
Figure BDA0003213194050000069
e-4)当{D≤0}、{C＝0}、{A＜0、B2+4·A·Ka＞0}且
Figure BDA00032131940500000610
时，有：
Figure BDA0003213194050000071
e-5)当{D≤0}、{C＝0}、{A＜0、B2+4·A·Ka＞0}且
Figure BDA0003213194050000072
时，有：
Figure BDA0003213194050000073
f-1){D≤0}、{-4≤C＜0}、{A＝0、B＞0}且
Figure BDA0003213194050000074
时，有：
Figure BDA0003213194050000075
f-2){D≤0}、{-4≤C＜0}、{A＝0、B≤0}(或{A＜0、B2+4·A·Ka＜0})时，有：
Figure BDA0003213194050000076
f-3)当{D≤0}、{-4≤C＜0}、{A＞0、B2+4·A·Ka＞0}且
Figure BDA0003213194050000077
时，有：
Figure BDA0003213194050000078
f-4)当{D≤0}、{-4≤C＜0}、{A＜0、B2+4·A·Ka＞0}且
Figure BDA0003213194050000079
时，有：
Figure BDA00032131940500000710
f-5)当{D≤0}、{-4≤C＜0}、{A＜0、B2+4·A·Ka＞0}且
Figure BDA00032131940500000711
时，有：
Figure BDA0003213194050000081
进一步地，步骤S4中，Ka的计算方法如下：
Figure BDA0003213194050000082
其中：上述公式中，ρ为空气密度，单位kg/m3；λ为主隧道沿程摩擦阻力系数；
Ka的取值如下：当a值为0.002～0.005时，Ka取值为1；当a值为0.005～0.010时，Ka的取值范围为1.1～1.25；当a值为0.010～0.015时，Ka的取值范围为1.25～1.35；当a值为0.015～0.020时，Ka的取值范围为1.35～1.50；当a值为0.020～0.025时，Ka的取值范围为1.50～1.65；当a值为0.025～0.030时，Ka的取值范围为1.65～1.80。
本发明还提供了一种用于确定匝道进风型单匝道公路隧道通风系统风量分配的数据处理装置，包括输入模块、计算模块以及输出模块；其中：所述输入模块用于输入如下参数：
进口隧道的长度L1、断面积为S1，当量直径d1；匝道的长度为L2、断面积为S2、当量直径d2，匝道与主隧道的夹角为θ；出口隧道的长度为L3、需风量为Q3；主隧道摩擦阻力影响系数Ka；λ1为主隧道沿程摩擦阻力系数；λ2为匝道沿程摩擦阻力系数；
计算模块根据输入模块中输入的工程参数，执行上述方法步骤S1至S2中的计算过程，并将计算结果与步骤S3中的限定条件进行自动匹配，最后将分风比χ的计算结果传至输出模块。
本发明同现有技术相比具有以下优点及效果：
1、本发明所述的进风型单匝道公路隧道通风系统风量分配确定方法中，根据现有已知的工程参数(包括：进口隧道的长度、断面面积、当量直径；匝道的长度、断面面积、当量直径；出口隧道的长度、需风量；匝道与主隧道之间的夹角等)，可以快速计算得到在满足隧道通风节能设计的前提下，匝道与主隧道之间实际风量分配，该风量分配参数对于单匝道公路隧道通风系统的节能运行，风机的选型以及安装数量的确定，具有一定的指导意义。
2、本发明所述的进风型单匝道公路隧道通风系统风量分配确定方法中，通过引入分风比χ、断面面积比γ以及土建影响因素A、B、C、D，将用于计算通风系统运行总阻力以及风流合流口局部阻力的计算公式进行简化，并通过对各种限定条件的组合设置，确定了在满足系统通风节能前提下，匝道与主隧道之间风量分配范围，具有快速、便捷、高效的特点。
3、根据本发明所提供的进风型单匝道公路隧道通风系统风量分配确定方法，还可得到以下结论(1)：当其余工程参数固定时，随着匝道与主隧道夹角θ的增大，分风比χ随之减小，阻力差ΔP逐渐增大，通风系统风机运行能耗逐渐增大；(2)随着匝道与主隧道断面面积比γ的增大，分风比χ随之增大，通风阻力差ΔP逐渐减小，通风系统风机运行能耗逐渐降低；上述结论，可用作指导建设节能型的利用匝道进风的单匝道公路隧道通风系统。
4、本发明还提供了一种专门用于确定进风型单匝道公路隧道通风系统中，匝道与主隧道之间风量分配的计算装置，通过在该计算装置的输入模块中，输入对应的工程参数，即可计算输出相应的分风比χ，整个计算无需人工参与，节省了人力，提供了工作效率，降低了数据误差。
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进风型单匝道公路隧道通风系统结构示意图。
图2为本发明实施例中匝道与主隧道夹角θ与分风比χ之间的曲线关系图。
图3为本发明实施例中匝道与主隧道夹角θ和阻力差ΔP的曲线关系图。
图4为本发明实施例中匝道与主隧道断面面积比γ与分风比χ之间的曲线关系图。
图5为本发明实施例中匝道与主隧道断面面积比γ与阻力差ΔP的曲线关系图。
图6为本发明实施例2所述数据处理装置的工作原理图。
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，一种进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，具体参数设置如下：
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)；
上述进风型单匝道公路隧道通风系统中，匝道2与主隧道之间的风量分配确定方法如下：
(1)根据风流合流口部局部阻力计算公式，有：
Figure BDA0003213194050000101
Figure BDA0003213194050000102
其中，P1～3为1～3段(进口隧道至出口隧道)局部阻力，单位Pa；P2～3为2～3段(匝道至出口隧道)局部阻力，单位Pa；ρ为空气密度，单位kg/m3；Ka为主隧道摩擦阻力影响系数，无量纲常数。
其中，摩擦阻力影响系数Ka的确定方法为：
(a)
Figure BDA0003213194050000103
其中，λ为主隧道沿程摩擦阻力系数；
(b)摩擦阻力影响系数Ka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
(2)根据流体力学沿程阻力计算公式，有：
Figure BDA0003213194050000104
Figure BDA0003213194050000111
Figure BDA0003213194050000112
其中，P1为进口隧道沿程阻力，单位Pa；P2为匝道沿程阻力，单位Pa；P3为出口隧道沿程阻力，单位Pa；d1为主隧道当量直径，单位m；d2为匝道当量直径，单位m；
结合公式(1)～(5)得到，进风型单匝道公路隧道通风系统总阻力P：
P＝P1～3+P2～3+P1+P2+P3 (6)
根据流量和速度的关系，有：
Figure BDA0003213194050000113
Figure BDA0003213194050000114
Figure BDA0003213194050000115
引入匝道分风比χ，定义为匝道通风量Q2与出口隧道需风量Q3的比值：
Figure BDA0003213194050000116
引入匝道与主隧道断面面积比γ，定义为匝道断面面积S2与主隧道断面面积S3的比值：
Figure BDA0003213194050000117
结合公式(7)～(11)，整理公式(3)～(6)有：
Figure BDA0003213194050000118
Figure BDA0003213194050000121
Figure BDA0003213194050000122
从进口隧道直接进风的隧道总压力P’：
Figure BDA0003213194050000123
若要求分风比χ存在以及通风系统节能运行，需同时满足以下条件：
P1～3＞0 (16)
P2～3＞0 (17)
ΔP＝P-P′＜0 (18)
其中，公式(18)表示：为了实现通风系统节能运行，进风型单匝道公路隧道通风系统总阻力P应小于从进口隧道直接进风的隧道通风系统总压力P’。
进一步地，引入土建影响因数D，其计算公式为：
Figure BDA0003213194050000124
对公式(16)联解，得到如下限定要求：
限定1)当D＞0时，
Figure BDA0003213194050000125
限定2)当D≤0时，χ＞0。
引入土建影响因数C，其计算公式为：
Figure BDA0003213194050000126
公式(17)转换为：
Figure BDA0003213194050000131
对公式(19)联解，得到如下限定要求：
限定3)当C＞0时，
Figure BDA0003213194050000132
限定4)当C＝0时，χ＞0.25；
限定5)当-4≤C＜0时，
Figure BDA0003213194050000133
限定6)当C＜-4时，公式(19)不成立。
引入土建影响因数A、B，其计算公式为：
Figure BDA0003213194050000134
Figure BDA0003213194050000135
公式(18)转换为：
Figure BDA0003213194050000136
对公式(20)联解，得到如下限定要求：
限定7)当A＝0且B＞0时，
Figure BDA0003213194050000137
限定8)当A＝0且B≤0时，χ＞0；
限定9)当A＞0时，
Figure BDA0003213194050000138
限定10)当A＜0且B2+4·A·Ka≥0时，
Figure BDA0003213194050000139
或
Figure BDA00032131940500001310
限定11)当A＜0且B2+4·A·Ka＜0时，公式(20)恒成立。
由于[限定1)、限定2)]、[限定3)～限定6)]、[限定7)～限定11)]同时存在才能满足公式(16)～公式(18)，综合限定1)～限定11)条件有：
a-1)当{D＞0}、{C＞0}、{A＝0、B＞0}且
Figure BDA0003213194050000141
时，有：
Figure BDA0003213194050000142
a-2)当{D＞0}、{C＞0}、{A＝0、B≤0}(或{A＜0、B2+4·A·Ka＜0})且
Figure BDA0003213194050000143
时，有：
Figure BDA0003213194050000144
a-3)当{D＞0}、{C＞0}、{A＞0、B2+4·A·Ka＞0}且
Figure BDA0003213194050000145
时，有：
Figure BDA0003213194050000146
a-4)当{D＞0}、{C＞0}、{A＜0、B2+4·A·Ka＞0}且
Figure BDA0003213194050000147
时，有：
Figure BDA0003213194050000148
a-5)当{D＞0}、{C＞0}、{A＜0、B2+4·A·Ka＞0}且
Figure BDA0003213194050000149
时，有：
Figure BDA00032131940500001410
b-1){D＞0}、{C＝0}、{A＝0、B＞0}且
Figure BDA0003213194050000151
时，有：
Figure BDA0003213194050000152
b-2)当{D＞0}、{C＝0}、{A＝0、B≤0}(或{A＜0、B2+4·A·Ka＜0})且
Figure BDA0003213194050000153
时，有：
Figure BDA0003213194050000154
b-3)当{D＞0}、{C＝0}、{A＞0、B2+4·A·Ka＞0}且
Figure BDA0003213194050000155
时，有：
Figure BDA0003213194050000156
b-4)当{D＞0}、{C＝0}、{A＜0、B2+4·A·Ka＞0}且
Figure BDA0003213194050000157
时，有：
Figure BDA0003213194050000158
b-5)当{D＞0}、{C＝0}、{A＜0、B2+4·A·Ka＞0}且
Figure BDA0003213194050000159
时，有：
Figure BDA00032131940500001510
c-1){D＞0}、{-4≤C＜0}、{A＝0、B＞0}且
Figure BDA00032131940500001511
时，有：
Figure BDA00032131940500001512
c-2){D＞0}、{-4≤C＜0}、{A＝0、B≤0}且
Figure BDA0003213194050000161
时，有：
Figure BDA0003213194050000162
c-3)当{D＞0}、{-4≤C＜0}、{A＞0、B2+4·A·Ka＞0}且
Figure BDA0003213194050000163
时，有：
Figure BDA0003213194050000164
c-4)当{D＞0}、{-4≤C＜0}、{A＜0、B2+4·A·Ka＞0}且
Figure BDA0003213194050000165
时，有：
Figure BDA0003213194050000166
c-5)当{D＞0}、{-4≤C＜0}、{A＜0、B2+4·A·Ka＞0}且
Figure BDA0003213194050000167
时，有：
Figure BDA0003213194050000168
d-1)当{D≤0}、{C＞0}、{A＝0、B＞0}且
Figure BDA0003213194050000169
时，有：
Figure BDA00032131940500001610
d-2)当{D≤0}、{C＞0}、{A＝0、B≤0}(或{A＜0、B2+4·A·Ka＜0})时，有：
Figure BDA00032131940500001611
d-3)当{D≤0}、{C＞0}、{A＞0、B2+4·A·Ka＞0}且
Figure BDA0003213194050000171
时，有：
Figure BDA0003213194050000172
d-4)当{D≤0}、{C＞0}、{A＜0、B2+4·A·Ka＞0}且
Figure BDA0003213194050000173
时，有：
Figure BDA0003213194050000174
d-5)当{D≤0}、{C＞0}、{A＜0、B2+4·A·Ka＞0}且
Figure BDA0003213194050000175
时，有：
Figure BDA0003213194050000176
e-1){D≤0}、{C＝0}、{A＝0、B＞0}且
Figure BDA0003213194050000177
时，有：
Figure BDA0003213194050000178
e-2)当{D≤0}、{C＝0}、{A＝0、B≤0}(或{A＜0、B2+4·A·Ka＜0})时，有：
0.25＜χ
e-3)当{D≤0}、{C＝0}、{A＞0、B2+4·A·Ka＞0}且
Figure BDA0003213194050000179
时，有：
Figure BDA00032131940500001710
e-4)当{D≤0}、{C＝0}、{A＜0、B2+4·A·Ka＞0}且
Figure BDA0003213194050000181
时，有：
Figure BDA0003213194050000182
e-5)当{D≤0}、{C＝0}、{A＜0、B2+4·A·Ka＞0}且
Figure BDA0003213194050000183
时，有：
Figure BDA0003213194050000184
f-1){D≤0}、{-4≤C＜0}、{A＝0、B＞0}且
Figure BDA0003213194050000185
时，有：
Figure BDA0003213194050000186
f-2){D≤0}、{-4≤C＜0}、{A＝0、B≤0}(或{A＜0、B2+4·A·Ka＜0})时，有：
Figure BDA0003213194050000187
f-3)当{D≤0}、{-4≤C＜0}、{A＞0、B2+4·A·Ka＞0}且
Figure BDA0003213194050000188
时，有：
Figure BDA0003213194050000189
f-4)当{D≤0}、{-4≤C＜0}、{A＜0、B2+4·A·Ka＞0}且
Figure BDA00032131940500001810
时，有：
Figure BDA00032131940500001811
f-5)当{D≤0}、{-4≤C＜0}、{A＜0、B2+4·A·Ka＞0}且
Figure BDA0003213194050000191
时，有：
Figure BDA0003213194050000192
具体地，本实施例以实际工程应用为例，具体阐述匝道与主隧道之间的风量分配确定方法：
以某进风型单匝道公路隧道为例，进口隧道1的长度L1＝1925m，断面积为S1＝96.35m2，当量直径d1为9.88m；匝道2的长度为L2＝260m，断面积为S2＝50.2m2，当量直径7.39m，匝道与主隧道的夹角为θ＝15°；出口隧道3的长度为L3＝900m，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；空气密度ρ为1.2kg/m3。
分别计算：
1)断面面积比γ＝0.521
2)摩擦阻力影响系数：
(a)
Figure BDA0003213194050000193
(b)摩擦阻力影响系数Ka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
采用插值法，求得：Ka＝1
(c)分别计算土建影响系数
Figure BDA0003213194050000194
Figure BDA0003213194050000195
Figure BDA0003213194050000201
Figure BDA0003213194050000202
(d)将结果匹配至(c)系列限定中的各参数要求，{D＞0}、{-4≤C＜0}、{A＞0、B2+4·A·Ka＞0}，参照c-3)，分别计算：
Figure BDA0003213194050000203
0.29＜0.31；
有：0.29＜χ＜0.31；根据
Figure BDA0003213194050000204
Q3＝770m3/s；可以确定匝道通风量Q2的范围。
进一步地，在本实施例1中，还重点分析了匝道与主隧道夹角θ以及匝道与主隧道断面面积比γ，对分风比χ以及阻力差ΔP影响：
(1)匝道与主隧道夹角θ设置对分风比χ以及阻力差ΔP影响
分别选取θ＝{15，20，25，30，35，40，45，50，55，60，65，70，75，80，85，90}作为因变量，根据计算以上工程参数计算得到分风比χ：
χ＝{0.3，0.3，0.29，0.29，0.28，0.28，0.27，0.27，0.26，0.26，0.25，0.25，0.25，0.24，0.24，0.24}。
其中：匝道与主隧道夹角θ与分风比χ之间的曲线关系图，如图2所示：横坐标为匝道与主隧道夹角θ和单位°，纵坐标为分风比χ，从附图2可以看出，随着匝道与主隧道夹角θ的增大，分风比χ随之减小，匝道的需风量Q2逐渐减少。
将χ分别代入公式(14)和公式(15)，计算出匝道与主隧道夹角θ和阻力差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°，纵坐标为阻力差ΔP和单位Pa。由附图3可知，当匝道与主隧道夹角θ逐渐增大时，阻力差ΔP逐渐增大，根据ΔP+P’＝P，由于P’恒定，阻力差ΔP逐渐增大时，进风型单匝道公路隧道通风系统总阻力P逐渐增大，总阻力P逐渐增大，表示通风系统风机运行能耗逐渐增大。因此，在进风型单匝道公路隧道工程设计中，匝道与主隧道夹角θ设置，可以上述结论作为设计依据或考量依据。
(2)为了探明匝道与主隧道断面面积比γ对分风比χ以及阻力差ΔP的影响
分别选取γ＝{0.3，0.35，0.4，0.45，0.5，0.55，0.6，0.65，0.7，0.75，0.8，0.85，0.9，0.95，1}作为因变量，分别计算χ＝{不存在，不存在，不存在，不存在，0.29，0.31，0.31，0.32，0.32，0.32，0.32，0.32，0.32，0.32，0.32}。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。但是随着匝道与主隧道断面面积比的减小会出现
Figure BDA0003213194050000211
即：分风比χ不存在的情况，所以进风型单匝道公路隧道实际工程设计过程中，匝道断面面积的设置可以上述结论为作为设计依据，以确保隧道通风系统在设计风量满足相关要求的前提下实现节能运行。
进一步地，将χ分别代入公式(14)和公式(15)，计算出匝道与主隧断面面积比γ和阻力差ΔP的曲线图，参见图5，横坐标为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。根据附图5可知，随着匝道与主隧断面面积比γ逐渐增大，通风阻力差ΔP逐渐减小，根据ΔP+P’＝P，由于P’恒定，阻力差ΔP逐渐减小时，进风型单匝道公路隧道通风系统总阻力P逐渐减小，总阻力P逐渐减小，表示通风系统风机运行能耗逐渐降低，系统运行更加节能。
综上，应用本实施例所提供的进风型单匝道公路隧道通风系统风量分配的计算方法，能直接量化匝道进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；另一方面，利用匝道进风的单匝道公路隧道通风系统的风量分配以及通风系统运行总阻力P与主隧道、匝道的土建参数(面积、长度)和匝道与主隧道夹角的参数紧密相关。本实施例中得到的上述结论，可作为建设节能型单匝道公路隧道通风系统的理论依据。
实施例2：如图6所示，一种用于确定匝道进风型单匝道公路隧道通风系统风量分配的数据处理装置，包括输入模块、计算模块以及输出模块；其中：所述输入模块用于输入如下参数：
进口隧道1的长度L1、断面积为S1，当量直径d1；匝道2的长度为L2、断面积为S2、当量直径d2，匝道与主隧道的夹角为θ；出口隧道3的长度为L3、需风量为Q3；主隧道摩擦阻力影响系数Ka；λ1为主隧道沿程摩擦阻力系数；λ2为匝道沿程摩擦阻力系数；
计算模块根据输入模块中输入的工程参数，执行实施例1中，步骤S1至S2中的计算过程，并将计算结果与步骤S3中的限定条件进行自动匹配，最后将分风比χ的计算结果传至输出模块。
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)

1.一种用于确定进风型单匝道公路隧道通风系统风量分配的方法，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，所述通风系统中匝道与主隧道之间的风量分配通过以下步骤确定：
S1，引入分风比χ以及断面面积比γ，计算公式分别为：
Figure FDA0003213194040000011
其中：Q2为匝道进风量，单位m3/s，Q3为主隧道需风量，单位m3/s，S2为匝道断面面积，单位m2；S3为主隧道断面面积，单位m2；
S2，引入土建影响因数A、B、C、D，计算公式分别为：
Figure FDA0003213194040000012
Figure FDA0003213194040000013
Figure FDA0003213194040000014
Figure FDA0003213194040000015
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°；Ka为摩擦阻力影响系数，无量纲常数；
S3，通过对土建影响因数A、B、C、D的限定，确定分风比χ，得到匝道与主隧道之间的风量分配；
a-1)当{D＞0}、{C＞0}、{A＝0、B＞0}且
Figure FDA0003213194040000016
时，有：
Figure FDA0003213194040000021
a-2)当{D＞0}、{C＞0}、{A＝0、B≤0}(或{A＜0、B2+4·A·Ka＜0})且
Figure FDA0003213194040000022
时，有：
Figure FDA0003213194040000023
a-3)当{D＞0}、{C＞0}、{A＞0、B2+4·A·Ka＞0}且
Figure FDA0003213194040000024
时，有：
Figure FDA0003213194040000025
a-4)当{D＞0}、{C＞0}、{A＜0、B2+4·A·Ka＞0}且
Figure FDA0003213194040000026
时，有：
Figure FDA0003213194040000027
a-5)当{D＞0}、{C＞0}、{A＜0、B2+4·A·Ka＞0}且
Figure FDA0003213194040000028
时，有：
Figure FDA0003213194040000029
b-1){D＞0}、{C＝0}、{A＝0、B＞0}且
Figure FDA00032131940400000210
时，有：
Figure FDA00032131940400000211
b-2)当{D＞0}、{C＝0}、{A＝0、B≤0}(或{A＜0、B2+4·A·Ka＜0})且
Figure FDA00032131940400000212
时，有：
Figure FDA0003213194040000031
b-3)当{D＞0}、{C＝0}、{A＞0、B2+4·A·Ka＞0}且
Figure FDA0003213194040000032
时，有：
Figure FDA0003213194040000033
b-4)当{D＞0}、{C＝0}、{A＜0、B2+4·A·Ka＞0}且
Figure FDA0003213194040000034
时，有：
Figure FDA0003213194040000035
b-5)当{D＞0}、{C＝0}、{A＜0、B2+4·A·Ka＞0}且
Figure FDA0003213194040000036
时，有：
Figure FDA0003213194040000037
c-1){D＞0}、{-4≤C＜0}、{A＝0、B＞0}且
Figure FDA0003213194040000038
时，有：
Figure FDA0003213194040000039
c-2){D＞0}、{-4≤C＜0}、{A＝0、B≤0}且
Figure FDA00032131940400000310
时，有：
Figure FDA00032131940400000311
c-3)当{D＞0}、{-4≤C＜0}、{A＞0、B2+4·A·Ka＞0}且
Figure FDA00032131940400000312
时，有：
Figure FDA0003213194040000041
c-4)当{D＞0}、{-4≤C＜0}、{A＜0、B2+4·A·Ka＞0}且
Figure FDA0003213194040000042
时，有：
Figure FDA0003213194040000043
c-5)当{D＞0}、{-4≤C＜0}、{A＜0、B2+4·A·Ka＞0}且
Figure FDA0003213194040000044
时，有：
Figure FDA0003213194040000045
d-1)当{D≤0}、{C＞0}、{A＝0、B＞0}且
Figure FDA0003213194040000046
时，有：
Figure FDA0003213194040000047
d-2)当{D≤0}、{C＞0}、{A＝0、B≤0}(或{A＜0、B2+4·A·Ka＜0})时，有：
Figure FDA0003213194040000048
d-3)当{D≤0}、{C＞0}、{A＞0、B2+4·A·Ka＞0}且
Figure FDA0003213194040000049
时，有：
Figure FDA00032131940400000410
d-4)当{D≤0}、{C＞0}、{A＜0、B2+4·A·Ka＞0}且
Figure FDA00032131940400000411
时，有：
Figure FDA0003213194040000051
d-5)当{D≤0}、{C＞0}、{A＜0、B2+4·A·Ka＞0}且
Figure FDA0003213194040000052
时，有：
Figure FDA0003213194040000053
e-1){D≤0}、{C＝0}、{A＝0、B＞0}且
Figure FDA0003213194040000054
时，有：
Figure FDA0003213194040000055
e-2)当{D≤0}、{C＝0}、{A＝0、B≤0}(或{A＜0、B2+4·A·Ka＜0})时，有：
0.25＜χ
e-3)当{D≤0}、{C＝0}、{A＞0、B2+4·A·Ka＞0}且
Figure FDA0003213194040000056
时，有：
Figure FDA0003213194040000057
e-4)当{D≤0}、{C＝0}、{A＜0、B2+4·A·Ka＞0}且
Figure FDA0003213194040000058
时，有：
Figure FDA0003213194040000059
e-5)当{D≤0}、{C＝0}、{A＜0、B2+4·A·Ka＞0}且
Figure FDA00032131940400000510
时，有：
Figure FDA0003213194040000061
f-1){D≤0}、{-4≤C＜0}、{A＝0、B＞0}且
Figure FDA0003213194040000062
时，有：
Figure FDA0003213194040000063
f-2){D≤0}、{-4≤C＜0}、{A＝0、B≤0}(或{A＜0、B2+4·A·Ka＜0})时，有：
Figure FDA0003213194040000064
f-3)当{D≤0}、{-4≤C＜0}、{A＞0、B2+4·A·Ka＞0}且
Figure FDA0003213194040000065
时，有：
Figure FDA0003213194040000066
f-4)当{D≤0}、{-4≤C＜0}、{A＜0、B2+4·A·Ka＞0}且
Figure FDA0003213194040000067
时，有：
Figure FDA0003213194040000068
f-5)当{D≤0}、{-4≤C＜0}、{A＜0、B2+4·A·Ka＞0}且
Figure FDA0003213194040000069
时，有：
Figure FDA00032131940400000610
2.根据权利要求1所述的用于确定进风型单匝道公路隧道通风系统风量分配的方法，其特征在于，步骤S4中，Ka的计算方法如下：
Figure FDA00032131940400000611
其中：上述公式中，ρ为空气密度，单位kg/m3；λ为主隧道沿程摩擦阻力系数；
Ka的取值如下：当a值为0.002～0.005时，Ka取值为1；当a值为0.005～0.010时，Ka的取值范围为1.1～1.25；当a值为0.010～0.015时，Ka的取值范围为1.25～1.35；当a值为0.015～0.020时，Ka的取值范围为1.35～1.50；当a值为0.020～0.025时，Ka的取值范围为1.50～1.65；当a值为0.025～0.030时，Ka的取值范围为1.65～1.80。
3.一种用于确定进风型单匝道公路隧道通风系统风量分配的数据处理装置，其特征在于，所述数据处理装置装置包括输入模块、计算模块以及输出模块；其中：所述输入模块用于输入如下参数：
进口隧道的长度L1、断面积为S1，当量直径d1；匝道的长度为L2、断面积为S2、当量直径d2，匝道与主隧道的夹角为θ；出口隧道的长度为L3、需风量为Q3；主隧道摩擦阻力影响系数Ka，λ1为主隧道沿程摩擦阻力系数；λ2为匝道沿程摩擦阻力系数；
计算模块根据输入模块中输入的工程参数，执行权利要求1中，步骤S1至S2中的计算过程，并将计算结果与步骤S3中的限定条件进行自动匹配，最后将分风比χ的计算结果传至输出模块。
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