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  哈尔滨工程大学学报  2019, Vol. 40 Issue (7): 1304-1310  DOI: 10.11990/jheu.201804115
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引用本文  

朱忠荣, 李新哲, 陈述. 引水工程深埋长隧洞施工中通风特性数值模拟[J]. 哈尔滨工程大学学报, 2019, 40(7), 1304-1310. DOI: 10.11990/jheu.201804115.
ZHU Zhongrong, LI Xinzhe, CHEN Shu. Numerical simulation of ventilation characteristics in deep-buried long diversion tunnel[J]. Journal of Harbin Engineering University, 2019, 40(7), 1304-1310. DOI: 10.11990/jheu.201804115.

基金项目

国家自然科学基金项目(51609128)

通信作者

李新哲, E-mail:110190112@qq.com

作者简介

朱忠荣, 男, 副教授;
李新哲, 男, 副教授

文章历史

收稿日期:2018-04-30
网络出版日期:2019-05-15
引水工程深埋长隧洞施工中通风特性数值模拟
朱忠荣 , 李新哲 , 陈述     
三峡大学 水利与环境学院, 湖北 宜昌 443002
摘要:为了解决传统方法不能准确模拟隧洞中风流方向和温度分布的问题,本文提出一种引水工程深埋长隧洞施工中通风特性数值模拟方法。根据引水工程深埋长隧洞施工的工况建立三维模型,通过GAMBIT软件对基于该模型的隧道划分网格结构,分析该网格结构下的通风特点及方式;采用三维紊态RNG k-ε湍流模型对引水工程深埋长隧洞施工中的通风特性进行分析,对不同工况下的引水工程深埋长隧洞的通风情况进行数值模拟,得到最终通风特性数值方程,实现数值模拟。实验结果表明:该方法可以准确模拟隧洞中风流的方向和温度分布,其划分精度随网格数量大幅度增加,平均划分精度高达85%。能够为构建引水工程深埋长隧洞施工管理提供依据。
关键词引水工程    隧洞    通风特性    温度分布    数值模拟    有限元    湍流模型    深埋    长隧洞    
Numerical simulation of ventilation characteristics in deep-buried long diversion tunnel
ZHU Zhongrong , LI Xinzhe , CHEN Shu     
College of Hydraulic & Environmental Engineering, China Three Gorges University, Yichang 443002, China
Abstract: The traditional method cannot accurately simulate the direction of wind flow and temperature distribution in a tunnel; thus, a numerical method for simulating ventilation characteristics in the construction of a deep-buried long water-diversion tunnel is proposed in this paper. According to the condition of its construction, a three-dimensional model was established. The tunnel mesh structure based on the model was divided by the software GAMBIT, and the ventilation characteristics and modes under the mesh structures were analyzed. The ventilation characteristics of the deep-buried long water-diversion tunnel were analyzed using the three-dimensional turbulent RNG k-ε turbulence model. Additionally, these characteristics under different working conditions were analyzed. Thus, the numerical equation of the final ventilation characteristics was obtained, and the numerical simulation was realized. The experimental results show that the method can accurately simulate the direction and temperature distribution of wind flow in tunnels, and its partition accuracy increases considerably with the number of grids, with an average partition accuracy of 85%. Additionally, it can provide a basis for managing the construction projects of deep-buried long water-diversion tunnels.
Keywords: water-diversion project    tunnel    ventilation characteristics    temperature distribution    numerical simulation    finite element    turbulence model    deep-buried    long tunnel    

建筑技术的不断提高,增加了地下建筑的数量,如各种公共建筑物、引水隧洞等[1]。引水隧洞工程多数具有洞线长、大洞径、高埋深的特点,水文地质条件较为复杂[2]。由于引水工程深埋长隧洞施工过程中的施工环境较为复杂,通常采用具有高效经济手段的钻爆开挖方式[3-4]。钻爆开挖方法易生成大量的热量,深埋长隧洞的水平和垂直埋深较大具有储热特点,很难布置竖井、斜井,且距离洞口较远,增加了施工难度、通风强度和通风距离长度[5]。火灾情况下隧洞的通风散烟排尘是钻爆过程中较为重要的一个步骤,是确保隧洞施工安全的重要因素。采用当前方法模拟引水工程深埋长隧洞施工中的通风特性时,不能准确地模拟隧洞中风流的方向和温度的分布,特别是火灾情况下,更难准确模拟隧洞中风流的方向和温度分布情况,因此需要对长隧洞施工中通风特性数值模拟与分析方法进行研究[6-7]

文献[8]采用Fluent软件对温度场分布和风流速度场进行数值模拟,通过不同因素研究长隧洞的通风效果,得到隧道岩壁温度、风流温度、入风温度和风量的变化规律,该方法不能准确地模拟隧洞中风流的方向。文献[9]通过有限模拟方法构建引水工程深埋长隧洞模型,计算衬砌和围岩结构的温度场特性,分析不同测点温度场特性值,该方法误差较大。文献[10]对引水隧洞的风压进行计算,分析影响通风的因素,通过CFD软件模拟引水隧洞通风,得到风速与风流产生漩涡之间的关系,该方法风压误差较大。文献[11]利用N-S方程对特长公路隧道通风系统进行局部数值仿真模拟研究,该方法没有关注隧洞位置不对称的特点,也没有研究壁面粗糙度对空气流通的影响,因此模拟结果不准确。文献[12]采用三维数值模拟方法对不同火灾工况进行模拟,测试隧道的烟气温度分布情况,从而得出通风特性。该方法因以火灾情况为前提,得出的隧道通风特性缺乏普遍性。

为了解决上述方法中存在的问题,本文提出一种引水工程深埋长隧洞施工中通风特性数值模拟与分析方法。

1 隧洞通风数值计算

有限元软件ADINA最早出现在20世纪70年代,主要以有限元理论为基础,利用求解力学线性、非线性方程组,得出固体力学、结构力学、温度场问题最终的数值解[13]。本文主要使用该软件,在不同的施工状况下,特别是火灾情况下,对引水工程深埋长隧洞的通风情况进行数值模拟。一般来说,引水工程深埋长隧洞主要使用的是贴壁受限射流的压入式通风,但这样会令流场中出现滞流、回流和射流等情况。因此,本文使用三维紊态RNG k-ε湍流模型对其通风性进行整体分析。

1.1 构建火灾情况下隧洞施工的三维模型

在某引水工程深埋长隧洞施工工况的基础上,建立三维模型,如图 1所示。长隧洞中与外部大气相通的只有尾调排烟洞出口和交通洞进口,与5#施工支洞相接的交通洞为长隧洞的施工通道,独头挖进尾水隧洞[14]。在进厂交通洞口处放置正压风机,采用直径为1.5 m的软风管将风送到尾水洞掌子面;在尾水调压井处设置负压风机,通过尾调烟洞直接将污风排出。

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图 1 隧洞三维模型 Fig. 1 Three-dimensional model of tunnel
1.2 网格划分

为了获得最佳的网格模型,本文通过GAMBIT软件对网格进行划分,将模型分成很多小的单元,作为有限元分析前处理的重中之重,网格划分与计算目标的匹配程度、网格的质量好坏,决定了后期有限元计算的质量。网格划分的主要思想是,按照形状将需要求解的隧洞区域分成若干个子区域,得到子区域的混合网格。针对各个子区域在计算中使用混合结构面网格,均匀地对引水工程深埋长隧洞纵向进行拉伸,将所有子区域拼到一起,得到引水工程深埋长隧洞需要计算区域的网格,实际上,当处在相同的边界条件时,网格的尺寸越小,其划分出的密度也就越大,模拟所得到的最终结果也最接近实际情况。验证网格的独立性,选择符合条件的网格精细度,网格的总数约为58万,如下图 2所示。

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图 2 网格划分模型 Fig. 2 Grid partitioning model
1.3 施工通风特点和方式

引水工程深埋长隧洞施工通风具有如下特点:1)确保大通风量;2)通风难度大;3)大直径的风管存在漏风严重的情况;4)会造成地热高温情况。

针对管道压入式通风方式进行研究。在引水工程深埋长隧洞施工中,隧洞的管道压入式通风是指通过通风管将新鲜空气压入隧洞内的工作面,施工产生的污染空气沿隧洞排出。通风管与工作面之间的距离可根据有效范围的公式计算:

$ {l_1} = (4 \sim 5){A^{\frac{1}{2}}} $ (1)

式中:l1表示有效射程,m;A表示隧洞开挖断面积,m2

引水工程深埋长隧洞施工中通风特性数值模拟与分析的基本假定如下:

1) 在引水工程深埋长隧洞中流通空气的特性为不可压缩的三维粘性流体;

2) 气体流动在长隧洞中不生成热能耗散,不考虑长隧洞壁面的传热性;

3) 爆破后生成的有害气体在向长隧洞外扩散和稀释的过程与初始分布之间的关系较小,主要由初始有害气体量决定[15]。在通风前隧洞的掌子面和出风口之间布满了初始有害气体。

1.4 施工通风量

依据以上分析的隧道施工通风特点[15],在引水工程深埋长隧洞开挖时,施工面所需要的风量是依据4个方面计算的:隧洞中施工人员所需风量、排尘所需风量、爆破散烟所需风量和机械废弃所需风量[16-18],对这4个方面所需要的风量分别计算并取最大值即可得到施工面所需要的风量U

$ U = \max \left( {{U_1}, {U_2}, {U_3}, {U_4}} \right) $ (2)

式中:U1表示施工人员所需风量,m3/min;U2表示排尘所需风量,m3/min;U3表示爆破散烟所需风量,m3/min;U4表示排除深埋引水隧洞内柴油机械有害气体所需风量,m3/min。

1) 施工人员所需风量。

按照最多施工人数进行计算:

$ {U_1} = qmk $

式中:q表示隧洞内每人每分钟所需的空气量,m3/(min·人);m表示同时施工的最多人数;k表示风量备用系数,通常在1.1~1.2选取。

2) 排尘所需风量。

按照满足深埋引水隧洞内最小风速要求[19]所需风量进行计算:

$ {U_2} = 60{V_{\min }}{S_{\max }} $

式中:Vmin表示满足隧洞内通风要求的最小风速;Smax表示通风洞室的最大断面面积,m2

3) 爆破散烟所需风量。

结合深埋引水隧洞的施工特点[20],采用下面的公式计算爆破散烟所需风量:

$ {U_3} = \frac{{7.8}}{t}\sqrt[3]{{G{{\left( {B{L_0}} \right)}^2}}} $

式中:t表示爆破后的通风时间,min;G表示一次爆破所用的最大炸药量,kg;B表示隧洞内施工面的断面积,m2L0表示炮烟投掷长度,m。

4) 机械废气所需风量:

$ {U_4} = {H_s}{q_s}{\alpha _s} $

式中:HS表示机械总功率,kW;qS表示施工机械单位功率所需通风量,一般为2.8~8.1 m3/(kW·min);αS表示机械平均工作效率。

在对长距离隧洞施工通风进行设计时,通常采用焊接的方式将风管连接起来,这是因为通风距离和通风管路很长[21]。风管在通风时,风管的接头、缝合的针眼和风筒破裂处容易出现漏风的现象,因此在计算风压、选择风机时,需要进行漏风计算。

1.5 边界条件

通过速度边界条件对正、负压风机进行控制,根据设计方案,选用正、负压风机的流量分别为2 400、2 300 m3/min。根据压力出口边界条件对长隧洞的尾调排烟洞口和厂交洞口进行控制。主要对引水工程深埋长隧洞爆破产生的一氧化碳气体的扩散特性进行模拟。引水工程深埋长隧洞的通风壁管和洞壁都采用固壁条件[21-22]

1) 进口边界条件。

风管进口位于洞口风机处,进口边界采用风速分布均匀的假设。风管进口x方向的风速uin由风管截面面积A及风量B计算,yz方向上速度vinwin为零:

$ {u_{{\rm{in}}}} = \frac{B}{A} $ (3)
$ {v_{{\rm{in}}}} = 0 $ (4)
$ {w_{{\rm{in}}}} = 0 $ (5)

进口RNG k-ε的边界条件为:

湍流动能:

$ {k_{{\rm{in}}}} = {\alpha _{{\rm{in}}}}u_{{\rm{in}}}^2 $ (6)

湍流动能耗散率:

$ {\varepsilon _{{\rm{ in }}}} = {C_\mu }k_{{\rm{in}}}^{3/2}0.015{D_e} $ (7)

式中:Cμ表示实验常数,取0.075;αin取0.006;De表示风管当量直径。

2) 出口边界条件。

出口各变量假定在垂直出口边界方向梯度为零,即局部单向化。在出口处,设定压力为零(相对压力):

$ {P_{{\rm{ out }}}} = 0 $ (8)
1.6 施工通风风压

在长距离隧洞施工通风的过程中,隧洞壁面摩擦阻力和局部阻力会对风流产生一定的作用,如果想要将设计的通风风量送到洞内工作面,需要满足隧洞内通风风速的要求,通风机应该具有一定的风压[23],因此需要对通风风压进行计算。

摩擦阻力和局部阻力是风流受到的主要阻力,风机的设计风压应该大于风流所受的总阻力,即:

$ {h_{\rm{J}}} \ge {h_m} $ (9)
$ {h_m} = {h_c} + {h_x} $ (10)

式中:hJ表示风机的设计风压,Pa/m;hm表示风流受到的总阻力,N;hc表示沿程摩擦阻力,N;hx表示局部阻力,N。

由于影响风流的各种局部原因引起局部性的压力损失,局部原因包括风道缩小,扩大和转弯等。局部阻力可以表示为:

$ p = {\xi _i}\frac{\rho }{2}V_e^2 $ (11)

式中:ξi表示局部损失系数;Ve表示根据施工所需风量计算的隧洞内风速,m/s;ρ表示隧洞内空气密度,g/L。

1.7 构建通风特性数值模拟方程

结合以上分析,将引水工程深埋长隧洞风流模型用在Navier-stokes方程中,通过RNG k-ε紊流模型封闭Navier-stokes方程组。

能量守恒方程、动量守恒方程、质量守恒方程如下:

$ {\mathop{\rm div}\nolimits} \left( {\rho {v_i}T} \right) = {\mathop{\rm div}\nolimits} (z \times {\mathop{\rm grad}\nolimits} T) + {Y_T} $ (12)
$ \frac{\partial }{{\partial {x_i}}}\left( {\rho {v_i}{v_j}} \right) = - \frac{{\partial P}}{{\partial {x_i}}} + \frac{\partial }{{\partial {x_i}}}\left[ {\mu \left( {\frac{{\partial {v_i}}}{{\partial {x_j}}} + \frac{{\partial {v_i}}}{{\partial {x_i}}}} \right)} \right] + {Y_i} $ (13)
$ {\mathop{\rm div}\nolimits} {x_i} = 0 $ (14)

式中:ρ代表的是空气密度,g/L;μ代表的是引水工程深埋长隧洞的层流粘度,Pa·s;vivj代表的是速度,其中ij为常数;T代表的是长隧洞中的温度,℃;z代表的是温度扩散系数;Yi代表的是动量守恒方程的源项;ST代表的是能量守恒方程的源项。

通过式(12)~(14)得到温度分布k方程、风速ε方程和浓度扩散方程:

$ {\mathop{\rm div}\nolimits} \left( {\rho {v_i}z} \right) = {\mathop{\rm div}\nolimits} \left\| {\mu + \frac{{\mu \mathit{\Gamma }}}{{{\sigma _k}}}| \times {\mathop{\rm grad}\nolimits} (\mathit{z})| + P - \rho \varepsilon } \right. $ (15)
$ \begin{array}{l} {\mathop{\rm div}\nolimits} \left( {\rho {v_i}\varepsilon } \right) = {\mathop{\rm div}\nolimits} \left\| {\mu + \frac{{\mu \mathit{\Gamma }}}{{{\sigma _\varepsilon }}}| \times {\mathop{\rm grad}\nolimits} (\varepsilon )| + } \right.\\ \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;{C_{1e}}\frac{\varepsilon }{z}P - {C_{2e}}\rho \frac{{{\varepsilon ^2}}}{z} \end{array} $ (16)
$ {\mathop{\rm dig}\nolimits} \left( {\rho {v_i}c} \right) = {\mathop{\rm div}\nolimits} (\mathit{\Gamma }{\mathop{\rm grad}\nolimits} c) + {R_c} $ (17)

式中:Γ代表的是浓度扩散系数;P代表的是引水工程深埋长隧洞中的空气压力,kPa;C1eC2eσεσk代表的是湍流项的经验常数;c代表的是长隧洞中空气的浓度,mg/L;Rc代表的是浓度扩散方程的源项。

2 实验结果与分析

为了验证引水工程深埋长隧洞施工中通风特性数值模拟与分析方法的有效性,进行了验证实验。由于火灾条件下对隧道的通风情况影响较大,因此实验以火灾条件为前提,测试隧道的通风特性。

2.1 确定临界风速

在现行规范中,规定隧洞发生火灾时的排风速度为2~3 m/s,在模拟引水工程深埋长隧洞施工中的通风特性时,分析不同纵向通风条件下的隧洞。

隧洞的几何尺寸和火灾规模是决定隧洞发生火灾时风速大小的主要因素。模拟不同通风条件下的隧洞,得到隧洞的临界风速约为2.5 m/s。图 3为烟气没有生成逆流层时隧洞顶部的速度分布图,图 4为烟气产生逆流层时隧洞顶部的速度分布图。临界风速会受隧洞坡度的影响,经模拟分析发现,在上行线和下行线隧洞中,此刻的风速可以防止引水工程深埋长隧洞中的烟气形成逆流层。

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图 3 风速为2.5 m/s火源位置隧洞顶部风速 Fig. 3 The top wind speed of the tunnel at the fire source location of 2.5 m/s
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图 4 风速为2 m/s火源位置隧洞顶部风速 Fig. 4 Wind speed at the top of a tunnel at a fire source location of 2 m/s
2.2 气流流动情况

隧洞发生火灾时,开启横通道连接2条独立运行的隧洞,如图 5所示。2条引水隧洞原始的通风系统受到来自横通道内风流的影响。隧洞中通风阻力会受到火风压和火灾节流效应的影响,导致隧道中的风速减小或增大。

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图 5 受横通道内风流影响的模型示意 Fig. 5 Model schematic diagram of the influence of wind flow in a transverse passage

图 5中的位置4和位置7为引水工程深埋长隧洞中的横通道,由火灾隧洞流向安全隧洞的风流为正,相反为负。表 1为5种不同工况下隧洞中各个位置的平均速度。

表 1 隧洞中不同位置的风速 Table 1 Wind velocities at different locations in tunnels

分析表 1中的数据可知,位置3的断面在隧洞中的平均风速都高于2.5 m/s,说明隧洞的通风方案都没生成烟气逆流层,5种不同工况下的风速都达到了引水工程深埋长隧洞火灾的通风设计要求。分析横通道气流在不同通风组合条件下的方向可知,距离火源点较远的横通道中的风流为正向,距离火源点较近的横通道中的风流方向不稳定,得到数值模拟结果符合模型实验的结果。

在实际发生火灾的引水工程深埋长隧洞中,火灾烟雾受纵向通风增大影响的主要表现为:加大了隧洞中热量的释放,提高了空气带走隧洞中烟雾的速度。在工况1和工况4的风速条件下,通过隧洞火区时的风流气流速度较小,降低了火势向下游扩散的趋势,为救援工作提供了条件。

2.3 不同密度网格划分模拟

网格质量是影响数值模拟结果的重要因素,为了说明网格独立性,验证本文方法的网格划分精度,对不同密度网格划分方案的模拟结果进行对比测试,对比结果如图 6所示。

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图 6 不同密度网格划分方案的模拟结果对比 Fig. 6 Comparison of simulation results for different density meshing schemes

根据图 6可知,3种不同密度网格划分方案,其网格划分精度均随着网格数量的增加而大幅度增大。正六边形网格划分方案的划分精度增大幅度较大,平均划分精度约为30%;参数化网格划分方案的划分精度增大幅度不大,平均划分精度约为50%;本文有限元网格划分方案的划分精度随网格数量大幅度增加,平均划分精度约为85%。对比结果可知,本文方法的网格划分方案模拟结果最好,划分精度最高,说明网格质量最好,网格独立性好,由此可确保隧洞通风数值模拟结果的准确性。

2.4 隧洞温度分布

分析图 7可知,在距火源100 m时,单隧洞顶正中的温度随着隧洞中通风风速的增加,使烟雾在引水工程深埋长隧洞中的散布速度不断提高,加大了气流带走的隧洞火区中的热量,降低了烟雾在隧洞中的温度,通风风速为1 m/s时,温度高达890 ℃;通风风速为2 m/s时,温度达到了600 ℃;通风风速为2.5 m/s,温度为500 ℃;通风风速为3 m/s时,温度为400 ℃。数据结果说明:单隧洞顶正中的温度,会随着风速的增加而降低。由于风流的影响,在火区下游隧洞中的断面在较短的时间内充满了烟雾。因为高温气流的冷却和冷热空气的对流,烟雾的温度随着与隧洞火区距离的增大而减小。

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图 7 隧洞温度分布 Fig. 7 Temperature distribution of tunnel

根据隧洞拱顶部温度纵向分布结果可知,在距离火源70 m时,工况1的温度为480 ℃,工况2的温度为440 ℃,工况3的温度为370 ℃,工况4的温度为390 ℃,工况5的温度为490 ℃。结果表明,工况1和工况5情况下,隧洞拱顶部温度较高,工况3和工况4的隧洞拱顶部温度相对较低,而随着距离火源的远近程度,温度逐渐下降,但下降幅度极小。

3 结论

1) 在不同风速条件下,距离火区较远的上游横通道的风流是由非火区隧洞流向火区隧洞的。

2) 距离火区较近的横通道中的风流方向是不固定的。

3) 在隧洞发生火灾时,距离火区较近的横通道风流是不固定的,在横通道内设置流风机对风流进行调节,控制风流的大小,保证火灾生成的烟气逆流不会对引水工程深埋长隧洞造成危害。

接下来将对所研究模型进行简化处理,为了使该方法减少施工设计所需时间,还可以对通风实践工作进行指导,从而实现综合效益的最大化和资源配置的最优化。

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