公路隧道射流风机布置参数研究综述.pdf
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1、 暖通空调H V&A C 年第 卷第 期引用本文:马占海,徐莹,张锦秋,等公路隧道射流风机布置参数研究综述J暖通空调,():D O I:/j h v a c 科技综述公路隧道射流风机布置参数研究综述马占海徐莹张锦秋刘贤鹏马立刚(河北省高速公路延崇筹建处,张家口;河北工业大学,天津)摘要:纵向通风是公路隧道主要的通风方式.射流风机的布置参数直接影响公路隧道的通风效率.本文从通风射流发展特性和通风质量评价出发,调研了射流风机组纵向布置参数、横断面布置参数和曲线隧道风机安装重要参数的相关研究成果,主要包括:纵向控制间距、横向间距、安装高度、射流角度及曲线隧道中风机偏转和偏移角度的研究.总结了风机安装
2、参数对隧道通风效果的影响规律,并对风机安装参数的研究方向进行了展望,为公路隧道射流风机布置研究提供参考.关键词:公路隧道;纵向通风;射流风机;风机布置;通风效果R e v i e wo nl a y o u tp a r ame t e r so f j e t f a n s i nh i g h w a yt u n n e l sM aZ h a n h a i,X uY i n g,Z h a n gJ i n q i u,L i uX i a n p e n g,M aL i g a n g(H e b e iP r o v i n c eE x p r e s s w a yY a
3、 n c h o n gC o n s t r u c t i o nO f f i c e,Z h a n g j i a k o u;H e b e iU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y,T i a n j i n)A b s t r a c t:L o ngi t u d i n a lv e n t i l a t i o n i st h e m a i n v e n t i l a t i o n m o d e o f h igh w ayt u n n e l s T h el ayo u tpa r a m e t e r s
4、o fje tf a n sd i r e c t lya f f e c tt h ev e n t i l a t i o ne f f i c i e n cyo fh igh w ayt u n n e l s T h i spape rr e v i e w st h er e s e a r c ho nt h e l o ngi t u d i n a l l ayo u tpa r a m e t e r s,c r o s s s e c t i o n a l l ayo u tpa r a m e t e r s a n d i n s t a l l a t i o n
5、pa r a m e t e r so fje t f a n s i nc u r v et u n n e l sf r o mt h ea spe c t so fje td e v e l opm e n tc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h equ a l i tye v a l u a t i o no fje tv e n t i l a t i o nT h e m a i nr e s e a r c hpa r a m e t e r si n c l u d e:l o ngi t u d i n a lspa c i ng,h o
6、 r i z o n t a lspa c i ng,i n s t a l l a t i o nh e igh t,pi t c ha ngl eo fje t f a n s,a n dd e f l e c t i o nd i s t a n c ea n da ngl eo fje t f a n s i nc u r v e t u n n e l s T h e i n f l u e n c e r u l eo ff a ni n s t a l l a t i o npa r a m e t e r s o n t u n n e l v e n t i l a t i
7、o n i s s u mm a r i z e d,a n d t h e r e s e a r c hd i r e c t i o no f f a n i n s t a l l a t i o npa r a m e t e r s i spr o spe c t e dt opr o v i d ear e f e r e n c ef o r t h ea r r a nge m e n to fje t f a n s i nh igh w ayt u n n e l s K eyw o r d s:h igh w ayt u n n e l;l o ngi t u d i
8、n a l v e n t i l a t i o n;je t f a n;f a nl ayo u t;v e n t i l a t i o ne f f e c t马占海,男,年生,大学,正高级工程师徐莹(通信作者)天津市北辰区西平道 号E m a i l:x x u y i n g c o m收稿日期:修回日期:引言随着我国公路交通网络的不断发展与完善,长隧道、特长隧道的建设和运营愈来愈多.隧道建设规模不断增大,使污染物更易积聚于隧道内,成为影响隧道安全运营的重要因素.因此,通风系统对降低隧道内污染物浓度、保障隧道安全运营十分重要.常见的隧道通风方式有自然通风、横向通风和纵向通风.横
9、向通风有全横向和半横向通风种形式.横向通风需要在隧道内设置道板、吊顶和风井,增加了隧道建设工程量;且通风阻力较大,增大了隧道运营成本.采用射流风机诱导的纵向通风可以有效利用隧道通行车辆产生的活塞风,具有工程造价低、设备简单、使用方便等优点.世界道路协会(P I A R C)调查发现,所调查的 条隧道中,超过 采用纵向通风方式.纵向通风已成为公路隧道的主要通风方式.纵向通风的通风效率取决于射流风机产生空气射流的诱导和升压效应.在实际隧道中,射流风机通常安装于隧道顶壁附近.由于科恩达效应(C o a n d ae f f e c t),导致空气射流吸附于隧道顶板,从而产生较大的壁面剪应力,造成动量
10、损失而影响射流风机的升压效应.因此,国内外学者对射流风机的最佳安装参数进行了研究,如射流风机俯仰角、偏转角,并取得了诸多研究成果.J T G/TD /公路隧道通风设计细则 规定了射流风机选型和布置部分参数,但 ()马占海,等:公路隧道射流风机布置参数研究综述 并未对参数的推导和影响规律作出解释.本文对公路隧道射流风机布置参数的相关研究进行了综述,从通风射流特性及通风质量评价参数出发,总结了直线与曲线公路隧道射流风机纵向和横断面布置重要参数及其影响规律.其中,风机射流俯仰角和偏转角研究的总结,丰富了J T G/T D /公路隧道通风设计细则 的相关内容,可为公路隧道纵向通风射流风机的布置提供参考
11、,有利于隧道运营通风的优化设计和能源节约.通风射流特性及通风质量评价 通风射流特性通风射流具有诱导特性和增压特性.隧道射流通风的诱导和升压作用使隧道内气流定向流动,实现隧道通风.射流风机发出的高速射流受前方隧道气流的阻力作用,致使部分气体沿隧道下部向后流动产生旋涡,射流微团产生的横向脉动与隧道气流进行能量交换,实现对隧道气流的“卷吸”.“卷吸”作用使射流影响范围扩大,流量增加;隧道低速气流的加入,使得射流速度减小,压力上升.直至射流充分发展前,整个隧道气流沿纵向呈现一种渐变 的、非 均 匀 的 逆 压 流 动.射 流 充 分 发 展后,伴随流消失,断面速度趋于均匀.图为隧道内射流风机启动后速度
12、流场分布图.风机启动 s后,在风机前下方出现明显涡流,如图 a所示;射流充分发展后,隧道内速度形成稳定定向流,如图 b所示.图风机启动后隧道内流场矢量图射流通风是射流动能转化为势能的过程.在风机工作面末端,断面速度分布均匀,湍动强度趋于稳定,射流风机组升压力最高.单台射流风机的升压力可表示为 pjvjAjAr(vrvj)()式中pj为单台射流风机的升压力,P a;为计算点的空气密度,k g/m;vj为射流风机的出风口速度,m/s;Aj为射流风机出风口面积,m;Ar为隧道净空断面积,m;vr为隧道设计风速,m/s;为射流风机位置摩擦阻力损失折减系数.通风质量评价为评价隧道通风质量,研究者提出了多
13、种通风质量评价指标,如断面平均风速、风机升压折减系数、空气龄 .隧道射流通风中,因隧道断面面积较大,风速分布往往不均匀,通常采用断面平均速度分布对通风射流发展状态进行定量评价.风机升压折减系数是衡量风机升压能力的重要指标,部分文献称之为风机升压综合影响系数K,其表达式为(K)pa jpj()式中pa j为实际升压力,由实际测量或数值计算得到,P a.或K值越大,表明风机实际升压力值与理论值越接近,风机通风效果越好.王旭等人基于现场实测和数值计算,揭示了海底隧道腐蚀环境下风机升压力衰减机理并建立了风机升压力的计算方法.空气龄指空气进入空间后经历的时间,能够反映空间内的气体流动模式和通风效果.与之
14、相关的指标有换气率、换气指数等.风机组纵向布置参数 纵向控制间距理论计算射流的充分发展是射流风机实现高效通风的重要条件.若风机组纵向间距过小,隧道内尚未形成均匀流速,将会影响下一组射流风机的工作性能,.为提高隧道射流通风效率,保障射流充分发展与风机的正常工作,射流风机间应保持合理的纵向控制间距.孙三祥等人提出了风机组纵向控制间距的计算方法.依据射流通风系统的单元流动模式(如图所示),将风机组的纵向控制间距lm c表示为 暖通空调H V&A C 年第 卷第 期科技综述lm cljls tls uli nls t()式中lj为射流风机工作段长度,m;ls t为两工作段之间的稳定段长度,m;ls u
15、为吸入段长度,m;li n为诱导长度,m.图射流通风系统的单元流动模式依据吸风口的流场特性和试验结果,确定吸入段长度ls u D,稳定段长度ls tD(D为隧道断面当量直径).射流诱导长度li n是风机射流主要几何特性的定量描述,其回归方程为li n(m)D()式中为速度比,vr/vj;m为断面风机台数;为面积比,Aj/Ar.风机组的纵向控制间距可整理为lm c(m)D()纵向控制间距分析依据射流风机的流场特征,总结出射流充分发展的风机工作段末端呈现出以下特性:)断面气流速度分布均匀;)湍流强度趋于稳定;)风机工作段末端对应射流最高升压面.因此,射流风机最小纵向间距可通过隧道断面速度、湍流强度
16、和最高升压面位置确定.杨秀军等人基于射流力学有关原理得出:风机口径、射流风机轴线之间的距离及隧道设计风速影响射流风机组的纵向最小间距;射流风机口径越大,射流纵向充分发展的距离越大.同时,推导了风机组纵向控制间距计算方法;依据射流风机工作段末端特性,确定射流风机工作段的最小距离为 m,与理论计算解基本相同.李晓菲等人建立了横断面布置台射流风机的隧道C F D模型,依据射流风机工作段末端特性,确定了射流风机诱导段长度和风机纵向控制间距,并与式()理论解对比,验证了数值分析的准确性.此外,李晓菲等人采用升压综合影响系数K评估了不同射流风机纵向控制间距lm c的通风效果,如图所示.升压综合影响系数K值
17、愈接近,风机组实际升压力值与理论压力值愈接近,即风机组性能愈佳.由图可以看出,当风机纵向控制间距为 m时,隧道射流通风效果最好.随着风机纵向控制间距的增大,射流通风效果明显降低.图风机纵向控制间距lm c与升压综合影响系数K关系曲线 L i u等人通过搭建物理模型试验平台,模拟了汾水岭长隧道通风系统,结果表明,所提出的射流风机布置方案能满足短期设计风速需求.风机组横断面布置参数 风机横向间距为方便隧道射流风机的管理与维护,在隧道同一断面内通常布置台或多台射流风机.除风机组纵向控制间距外,射流的诱导和升压效应也受风机横向间距影响.风机出口处的射流相互卷吸和干扰,直至融合为一股射流,最终与隧道内气
18、流完全混合,形成稳定定向流.双股射流流动特征如图所示,射流融合前的发展区域为会聚区,初始融合点为自由滞点,射流融合后形成联合区,并稳定流动.图双股射流基本流动特征 风机组横向间距过小时,射流横向影响范围小,隧道气流未能通过射流微团产生的横向脉动进行动量与能量交换,不能有效诱导隧道气流;同时,自由滞点靠近风机出口,射流纵向影响范围小,射流风机升压力降低.风机组横向间距过大时,风机与隧道侧壁的距离接近,壁面摩擦阻力降低射流动能,射流不能会聚,隧道气流较难达到平稳,射流升压力减小.方勇等人通过C F D数值模拟计算得出,三车道公路隧道射流风机的横向间距为风机横断面直径的倍时,射流风机升压效果好,此时
19、风机距 ()马占海,等:公路隧道射流风机布置参数研究综述 离变化对升压力的影响较小.徐志胜等人通过比较风机不同横向间距的升压折减系数,确定风机最佳横向间距为D(见图),并通过比较不同风机横向间距下隧道内污染物质量分数分布,进一步验证了最佳横向间距布置下射流风机的通风效果.此外,卢毅等人基于数值计算结果,通过分析风机升压折减系数的变化,确定了太湖隧道的射流风机最优横向净间距为 D D.图升压折减系数分布曲线 风机安装高度射流风机的通风效果取决于射流在隧道内是否得到充分发展,足够的射流空间是射流充分发展的重要条件.J T G/TD /公路隧道通风设计细则 规定,风机安装高度不应侵入建筑限界,边沿与
20、隧道建筑限界净距离应不小于 c m.为进一步确定风机安装最佳高度,部分学者对风机不同安装高度下的射流通风效果进行了研究.赵黎等人依据明堂山隧道的结构参数,建立了 m长隧道的C F D模型,模拟计算了风机安装高度距建筑限界顶部、c m工况下风机的通风效果.不同风机安装高度下隧道的升压力见表.可以看出,随着风机距建筑限界顶部距离的增大,风机提供的升压力减小,升压综合影响系数K逐渐减小.表风机安装高度对升压力的影响 风机距建筑限界顶部距离/c mpa j/P apj/P aK 同时,随着风机距建筑限界顶部距离的增加,即风机安装高度的增加,出口射流受到隧道拱顶的限制,没有足够的扩展空间.高速气流冲击拱
21、顶和隧道壁面摩擦阻力共同作用导致射流动能大量损失,射流无法推进,风机出口附近风速减小,如图所示.卢毅等人建立了具有台横向布置风机的方形截面隧道模型,通过风机轴线速度变化和升压综图不同风机安装高度下出口处速度云图 合影响系数评估了风机安装高度对通风效果的影响.图为风机轴线速度分布图,图为风机升压力和升压综合影响系数曲线图.结果表明,风机距隧道顶壁距离越大,出口附近风速越大,风机升压力越大,升压综合影响系数越高.当风机距隧道顶壁距离为 D D时,风机升压综合影响系数为 .图风机轴线剖面速度变化云图 图风机距隧道顶壁不同距离时升压力和升压综合影响系数变化 风机射流角度射流风机通常安装于隧道顶部,为减
22、小风机出口处高速气流冲击隧道壁面的动能损耗,部分学者 暖通空调H V&A C 年第 卷第 期科技综述在直线隧道和香蕉型隧道射流风机 安装形式的基础上,开展了风机安装角度对隧道通风效果影响的研究,验证了风机射流角度的调整可以有效减弱科恩 达 效 应(C o a n d ae f f e c t)对 射 流 发 展 的 影响,从而显著降低通风系统的能耗.B e t t a等人采用C F D方法分析了不同风机俯仰角工况的通风效果.图为射流风机安装角度示意图.最佳俯仰角可以最大限度地减小流动附着引起的压力损失,提高通风效率,节约能源.图 为射流风机不同安装俯仰角下风机平面速度分布云图,可以看出,随着风
23、机安装俯仰角的增大,风机射流趋向于隧道底板.B e t t a等人比较了风机不同安装俯仰角下隧道顶壁和底板的剪应力,以及推力和推力变化率,确定 为最佳安装角度.对于交通阻塞工况,风机安装 最佳俯仰 角为 .图射流风机安装示意图 图 不同俯仰角下风机平面速度分布云图 吴珂等人基于F l u e n t数值计算软件,建立了横向布置台射流风机的隧道模型,分析了风机射流风速为 m/s时,不同安装角度下的风机升压综合影响系数(见表).可以看出:安装角度为 时,升压综合影响系数逐渐增大;当安装角度大于 时,升压综合影响系数逐渐减小.这是因为当安装角度为 时,射流微团与隧道壁面的摩擦阻力损失最小;而安装角度
24、大于 时,射流风机在出口处形成的旋涡不断增大,导致升压综合影响系数下降.因此,风机最佳安装角度为 .表不同安装角度下单台风机升压综合影响系数安装角度/()隧道出口风速vt/(m/s)沿程阻力损失p/P a模拟计算pa j/P a理论计算pj/P a升压综合影响系数K Z h a o等人通过平均空气龄和升压系数确定射流风机的最佳俯仰角.图 为射流风机不同俯仰角下,隧道侧壁纵断面空气龄等高线和流线分布.当射流风机安装俯仰角为 时,隧道净空空间的平均空气龄较小,升压折减系数最大.因此确定射流风机最佳安装俯仰角为 .曲线隧道风机安装参数与直线隧道不同,曲线隧道断面速度分布的不均匀性和隧道壁面的变化使射
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