水平隧道临界风速研究

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1、水平隧道临界风速研宄摘要：本文结合国内某长大公路隧道设计，建立300m长的水平隧道空间模型，通过CFD模拟确定临界风速的影响因子及相应的准则关联式。关键词：水平隧道临界风速影响因子1引言纵向通风由于采用临界风速设计，具有鲜明的烟雾控制特点，在国内外隧道工程中的应用越来越广泛。Kennedy临界风速[1]（1）其中，vc为临界风速，m/s；Qc对流换热量，kW;g为重力加速度，m/s2；为断面当量直径，m;T是烟气温度，K;T0是周围空气温度，K;P0空气密度，kg/m3；cp空气比热，kj/kgK；kg坡度修正，取（平坡/上坡）或1+grade（下坡）。

2、Atkinson实验[2-4]Oka和Atkinson采用1/10缩尺模型，选择丙院燃烧源，研究水平隧道烟气运动，得到如下规律：其中：式中：kv与燃烧器类型有关，介于〜之间。显然，上述结论与Kennedy风速不一致。v^Ql/S规律仅适于小规模火灾；当火灾强度Q超过某一临界值，临界风速基本不变。2临界风速CFD模拟隧道概况隧道全长公里，双洞单向三车道隧道，衬砌内径，衬砌外径15m，当量直径=。控制方程的建立火灾是一个涉及紊流、燃烧、传热的多相流动过程。模选择浮力修正模型、六通量模型及EDM模型，建立控制方程组如下：(3)变量、输运系数、源项及参数见表1、

3、表2。表1控制方程及变量参数表uiUku/okeu/oeHP/ohmfup/ofu-Rfumoxy/oox-4Rful/(a+s)100表2模型基本常数边界条件的确定(1)进口边界：采用小紊动假设，通风系统入口的湍动能及能量耗散率确定如下：，⑷(2)壁面边界：壁面采用Launder和Spalding推荐的标准壁面函数[5],不计壁面与外界的换热。(3)出口边界：沿流动方向各流动参数导数为零。计算工况的确定临界风速的影响因素颇多，包括火灾强度、燃料类型、隧道坡度、断面形状、送风温度等。模拟重点分析送风温度及火灾强度的影响。为了便于分析，本文以控制上风方向火

4、源边缘(x=)烟气逆流消失为准，确定临界风速。同时定义如下特征界面：上风方向距火源1处X送风温度对临界风速的影响取HRR=5MW，通风速度v=/s，改变送风温度，隧道中心线不同位置速度分布见图1。显然，送风温度对火源周围及上风方向速度场的影响很小，可以忽略不计。即近似认为临界速度与送风温度无关。火灾强度对临界风速的影响CFD模拟结果取送风温度t=30°C,改变火灾强度及纵向风速，据此确定临界风速VC，变量无量纲化见表3。不同火灾强度下，临界速度分布比较见图2。显然，CFD模拟风速要大于Kennedy临界风速。当火灾强度较小时(Q彡30丽)，变化趋势一致，

5、两者之差vc-vc当火灾强度较大时(40MW

6、强度变化明显趋于缓慢。大尺度火灾试验比较本研宄由于多种原因，无法进行大尺度模型试验对结果进行验证。为此，本文选择英国健康与安全实验室（HSL）Buxton试验结果与CFD模拟进行比较。该试验选址在一个长366m的拱形矿井巷道，煤油池尺寸随火灾强度（〜20MW）变化不等，纵向风速控制在〜4m/s，主要参数见表4[6-7]。表4Buxton试验结果GeometryQ/kWQ*vc/m/sv*H===204204570606104012301290根据图3，CFD模拟结果与Buxton试验规律相似。即当Q*超过一定范围时，v*对Q*的变化不再敏感，变化趋于缓慢

7、。而这与Atkinson研究结论也较为吻合，进一步说明Kennedy临界风速的应用具有局限性，有待修改。本文将模拟结果整理成如下无量纲形式：3结论本文结合某长大公路隧道设计，通过CFD模拟分析送风温度、火灾强度对临界风速的影响，并与Kennedy临界风速及Buxton试验结果进行了比较。结果表明：(1)与火灾强度相比，送风温度对临界风速的影响很小，可以忽略不计。(2)当Q彡30丽时，临界风速对Q反应敏感，随着Q的增大显著增加；当40丽彡Q彡80MW，模拟风速变化明显趋于缓慢。(3)CFD模拟结果与Buxton试验、Atkinson研宄结论较为吻合，但与K

8、ennedy临界风速结果相差较大。参考文献[l]DanzierNH,Kenned