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原文传递曲线城市隧道运营通风特性研究

论文题名：	曲线城市隧道运营通风特性研究
关键词：	曲线隧道;隧道通风;计算流体动力学;弯曲局部损失;射流风机
摘要：	曲线隧道的结构形式相较于常规直线隧道更为灵活，对地形或周边路网的适应能力更强，因此，其在交通系统中所扮演的角色也更为重要。与山岭隧道相比，城市隧道弯曲段还具有曲率更大、长度更短等特点，其流动特征及阻力特性更为复杂。　　本文应用隧道工程、计算流体动力学及射流力学等多学科交叉手段，通过理论分析、数值模拟等方法，对弯曲流动的数值计算方法、弯曲结构内局部损失机制、曲线隧道内射流风机选型与布设进行了研究。主要成果如下: 　　(1)采用壁面函数法模拟近壁流动时，计算精度主要受边界层首层网格高度控制;边界层网格的增长率及层数的影响则相对次要。对于实际隧道壁面的相对粗糙高度，首层网格的无量纲高度y+取值范围在250～600时，其沿程阻力系数的误差最小（5％以内），可满足精度要求。Realizablek-ε或RNGk-ε模型配合非平衡壁函数适合用于开展弯曲隧道通风的模拟工作。　　(2)揭示弱曲率弯曲结构的局部损失机制:由于离心力的作用，气流在进入弯曲段时，沿主流方向上发生速度重分布，垂直主流方向上出现二次流。二次流的产生、增强、稳定和弱化是造成弯曲局部阻力系数沿程变化的主要原因。弯曲局部损失系数ξlocal受截面形状与雷诺数（当Re＞1.5×106时）的影响较为有限，而主要受相对弯曲半径R/d和弯曲长度Lc的共同影响。在大R/d隧道中，离心力作用减弱，进而使得速度重分布及二次流效应弱化，最终导致ξlocal减小。弯曲长度Lc主要通过影响流动的演化过程进而影响ξlocal:当弯曲长度较短（Lc＜100m）时，弯曲长度不足以使流动充分发展，此时平均弯曲局部损失系数ξlocal(x)随Lc的增大发生改变，故ξlocal随Lc的增大呈非线性增长;当弯曲段较长(Lc≥100m)时，流动在弯曲段内达到充分发展进入稳定阶段，ξlocal(x)不再随Lc的增大发生改变，故ξlocal随Lc的增大呈线性增长。基于隧道弯曲段内气流的演化机制，构建了ξlocal随R/d和Lc变化的分段关系，相较于已有研究具有更广泛的适用性。　　(3)明确隧道弯曲段射流风机选型及布设原则:当射流风机口径一定时，出口风速对升压系数的影响较为有限（5％以内），但增大出口风速会使风机轴功率显著升高。因此，综合考虑升压系数和轴功率，应尽量选择低风速的射流风机;大口径射流风机可有效提高升压系数，但会极大地增加风机轴功率。因此，采用增大射流风机轴心距拱顶距离的方法来提高升压系数更为经济;射流风机在弯曲段的布设位置越靠近弯曲段入口，升压系数越低，在小半径弯曲隧道中更为明显。因此，对于较大半径的隧道弯曲段，可将射流风机尽量靠后布设，而对于弯曲半径较小的短隧道，可考虑不在隧道弯曲段内布设射流风机。　　上述研究成果不仅是进行曲线隧道通风设计和火灾烟气控制的关键，也是螺旋隧道通风设计的理论基础，对推进隧道工程在复杂城市环境下的发展具有重要的现实意义。
作者：	侯云鸽
专业：	交通运输工程
导师：	吴珂
授予学位：	硕士
授予学位单位：	浙江大学
学位年度：	2021