1、隔板通风方式在隧道施工中的数值模拟分析摘要:隧道施工通风在整个隧道建设过程中发挥着至关重要的作用，有效地通风系统可以保证施工人员的生命安全、施工设备的正常运行；本文通过 FLUENT 数值模拟软件针对中隔板通风方式进行模拟计算，为现场通风方案的选择提供理论依据。通过模拟分析可知送风出口距离掌子面的距离不应大于 18m，且送风速度应该选取为 11m/s，此时通风效果最佳。 关键词：隧道施工；隔板送风；数值模拟；速度场 中图分类号：U45 文献标识码：A 文章编号： 近些年来，随着我国高速铁路、青藏铁路事业的快速发展，对铁路隧道的建设水平提出了越来越高的要求，而在隧道施工过程中，通风技术起到了至关
2、重要的作用；通风技术水平的落后逐渐成为影响隧道快速施工的“瓶颈” ；而及时有效地将工作面附近有毒气体排出成为摆在工程设计人员、施工管理人员和相关科研人员面前的一个急需解决的难题。 本文选取某铁路隧道的斜井部分通风过程为研究对象，根据施工设计图纸，应用其原始几何尺寸、设计参数等资料，经过合理的简化后并对边界条件进行设置，建立数值模拟的物理模型。通过运用 FLUENT 软件，采用标准 k 湍流模型，模拟斜井部分的施工通风速度场，以确定合理的斜井通风方案，结合施工现场情况，为施工过程中的通风方案选择提供理论依据。 1 物理模型的建立 根据施工设计图纸，使用 GAMBIT 软件建立斜井部分物理模型如图
3、 1所示， GAMBIT 是专用 CFD 前置处理器（几何体/网格生成） ，是 FLUENT公司自行研发的，用来进行前期处理，可通过其建立几何模型，并生成网格。图 1 中 L 为风管出口距离掌子面的距离，分别取50m，40m，30m，20m，15m，12m 进行计算；又图中R=260cm，a=520cm，b=400cm。由于工程采用的是压入式通风方式，为了提高送风量，但又考虑到风量增加必然导致管道的损失增加，为减少损失宜采用直径较大的通风管道。同时，通风管道的增大需要较大的隧道断面用以满足安装的要求，导致了工程量和投资的增大，为了权衡这两方面，本模型中采用中隔板方式进行送风，中隔板结构安装方式
4、如图 2所示，前者应用 PVC 复合布，风管采用热合工艺进行粘接，防止泄露；墙根采用 107 胶与粘子粉混合刷涂作密封，后者使用 PVC 板，则使用插接方法，用粘胶密封，墙根仍使用 107 胶与粘子粉混合或用玻璃胶作密封。 图 1 斜井部分物理模型 图 2 中隔板安装示意图 2 相关假设 数学模型的假设条件如下，首先将通风流体视为不可压缩流体1，可以忽略由流体的粘性力做功所引起的耗散热，同时，假定壁面绝热、等温通风；假定流场具有高湍流 Reynolds 数，这时的流体湍流粘性具有各方向同性的特点，湍流粘性系数可以作为标量进行处理；假定流动为稳态湍流，满足布斯克涅斯克（Boussinesq）的假
5、设。 3 所用数学模型 根据上面的假设，独头掘进巷道压入式受限附壁射流通风三维 k-双方程紊流流动的基本微分时，方程组可以使用统一的模型形式进行描述： 连续方程: (1) 动量方程： (2) 能量方程： (3) 浮力修正的 k 方程为： (4) 紊流脉动动能耗散率 方程： (5) 其中， (6) (7) 同时，在采用流体力学有限元计算软件 Fluent 进行计算时，其中代数方程的求解采用三对角矩阵法(TDMATriple diagonal matrix analysis)，通过计算直到各项迭代计算收敛。 4 初始条件设置 根据模拟的实体条件，设置压入式送风管出口为模型的入口边界条件，定义为速度
6、入口，设风管出口距离施工掌子面的距离为 L，设置风管出风口速度为 v0，速度均匀，v0 的大小根据送风口风量及风管的断面积确定；设置巷道出口为出口边界条件，设置为压力出口。在隧道的出口处边界，可以采用局部的单通道假定，即在出口断面上的网络节点的参数值对于出口边界内侧最邻近点的节点参数值无影响；同时定义巷道壁面和迎头面为固定边界。 入口条件：假定在初始时刻 t=0 时，隧道内部各处初始值为： P=P0=62900pa; u=u0，v=v0=0，w=w0=0； T=27； 根据施工现场的实际情况和设计条件，风管出口速度 v0 可以分别选取 11m/s，10m/s,8m/s,6m/s,4m/s 进行
7、数值模拟计算；同时，速度的最大值为 v0=11m/s 的设置符合铁路隧道施工规范的相关规定，即“施工送风速度一般小于 11m/s”；对于 L 的取值，根据铁路隧道施工规范的相关规定并依照现场施工经验，通常最长取值可以为 50m，同时考虑爆破时的冲力，为防止毁坏风管，L 的取值也不宜过小，故本文数值模拟过程中 L 分别选取 50m，40m，30m，20m，15m，12m 进行对比计算；同时根据当地海拔等实际情况，空气密度选取为 0.86kg/m3，动力粘度系数选取为 9.21810-6，相对大气压强为 6.49104pa。 出口边界处：， ，取相对压力 p=0, , 自由滑动。 5 网格划分 网
8、格划分在整个数值模拟过程中占着重要地位，网格划分的质量直接影响着数值计算的计算速度、精度以及收敛性2。本文通过使用GAMBIT 软件对已经建好的几何模型进行网格划分，整个模型的网格系统采用了结构化网格，即六面体网格，所有斜井部分计算模型的网格数量均在 180 万200 万左右， 网格划分后通过使用 EXAMINE MESH 命令对网格划分情况进行了检查。 6 模拟计算结果 通过上述条件设置后，应用 FLUENT 数值模拟软件，分别针对L=50m，40m，30m，20m，15m，12m；v=11m/s，10m/s,8m/s,6m/s,4m/s等 30 种工况条件进行模拟计算，计算结果如下： 图
9、3 L=12m,v=4m/s 时送风轴线上速度变化曲线图 图 4 L=12m,v=6m/s 时送风轴线上速度变化曲线图 图 5 L=12m,v=8m/s 时送风轴线上速度变化曲线图 图 6 L=12m,v=10m/s 时送风轴线上速度变化曲线图 图 7 L=12m,v=11m/s 时送风轴线上速度变化曲线图 图 8 L=15m,v=4m/s 时送风轴线上速度变化曲线图 图 9 L=15m,v=6m/s 时送风轴线上速度变化曲线图 图 10 L=15m,v=8m/s 时送风轴线上速度变化曲线图 图 11 L=15m,v=10m/s 时送风轴线上速度 变化曲线图 图 12 L=15m,v=11m/
10、s 时送风轴线上速度 变化曲线图 图 13 L=20m,v=4m/s 时 x 剖面速度云图 图 14 L=20m,v=6m/s 时 x 剖面速度云图 图 15 L=20m,v=8m/s 时 x 剖面速度云图 图 16 L=20m,v=10m/s 时 x 剖面速度云图 图 17 L=20m,v=11m/s 时 x 剖面速度云图 7 模拟结果分析 首先,根据射流的相关理论可知，在射流的运动过程中，射流不断卷吸了周围的空气，射流的范围逐渐扩大，但是由于隧道的边界限制了射流边界层的扩散，射流不再卷吸周围的空气，而是反过来向外析出空气；同时，射流的半径及流量也不是一直在增加的，而是增大到一定程度后就将逐
11、渐减小，当达到射流送风的喷射长度值时，射流末端的流场方向便会发生一定变化；一方面，是由于射流的主体流量减少到零和射流的末端压力值相对较低，原来射流主体空气的方向会出现回流；同时另一方面，隧道掌子面的气压由于射流的作用，压强增强，当主体空气射流出现回流时的主体射流区域内压强突然降低，而射流区域外的压强相对有所升高，这样就形成了漩涡。据此，在出现涡流时，工作面的粉尘与烟不但无法及时有效排出，还将在工作面附近形成漩涡，使得工作环境更加恶化，故在通风方案选择时应尽量避免这种情况的发生。 图 3 至图 7 所示为送风出口与掌子面距离等于 12m，通风管道出口风速分别为 4m/s，6m/s,8m/s,10
12、m/s,11m/s 时速度场云图以及速度沿程变化曲线图，从图中可以看出,在各种风速条件下，在送风轴线上沿射流方向速度值均逐渐衰减，在前 3 种风速条件下，施工工作面位置的风速最小值接近于 0，为满足铁路隧道施工规范中关于最低风速的规定，应该选择送风速度为 10m/s 和 11m/s 两种工况，此时掌子面处的风速分别为 0.6m/s、0.9m/s，能够满足工程要求，把工作面附近的有害物带出掌子面；同时，在这两种送风速度下，从速度分布云图中未看见较为明显的漩涡、回流等现象，所以在这两种情况下比较有利于保证施工掌子面和隧道内的环境卫生要求。 图 8 至图 12 所示为送风出口与掌子面距离等于 15m
13、，通风管道出口风速分别为 4m/s，6m/s,8m/s,10m/s,11m/s 时速度场云图以及速度沿程变化曲线图，从图中可以看出在各种风速下，沿风管轴线方向上射流速度值均逐渐衰减，在 4m/s，6m/s 两种风速条件下，施工工作面位置的风速值很小，接近于 0.1，不满足铁路隧道施工规范中关于最低风速的规定，当风速为 8m/s 时，出现了非常明显的回流区，不利于有害物的排出。在送风出口速度为 11m/s 时施工面附近风速为 0.69m/s，同时考虑到此时没有出现较为明显的漩涡，有利于将施工面附近有毒有害气体顺利排出，所以 L=15m 时，v=11m/s 便于满足施工面附近的环境要求。 图 13
14、 至图 17 为送风出口与掌子面距离为 20m，通风管道出口风速分别为 4m/s，6m/s,8m/s,10m/s,11m/s 时速度场云图，同样根据上述分析方法可知，当 L=20m 时，在 5 种送风条件下，掌子面处的速度值均接近于 0，不符合铁路隧道施工规范中关于施工通风过程中掌子面处的风速不应小于 0.15m/s 的规定，当送风速度为 11m/s 时，其有效射程范围最远，大约为 18m，故为保证施工掌子面附近环境卫生要求，在斜井部分施工过程中，送风距离不应大于 18m。 8 结论： 综合上述分析情况可知，为使施工面附近达到理想的通风效果，送风出口距离掌子面的距离不应大于 18m，并且送风速
15、度应该选取为11m/s，此时也没有出现明显的漩涡回流等情况，故通风效果较好。 参考文献： 1 叶敏敏,李艳玲,莫征宇,杨兴国.大型地下洞室群施工通风的三维数值模拟.中国农村水利水电.2010(4):94-97. 2 刘蓓.拉日线铁路隧道运营通风研究.四川:西南交通大学,2005. 3 刘生,周飞,李鹏举.特长公路隧道独头掘进施工通风设计与数值模拟分析.探矿工程(岩土钻掘工程).2010,(30)3:74-77. 4 李玉柱,范明顺.流体力学.北京:高等教育出版社, 1998. 5 Li J.S.M.,Chow W.K. Numerical studies on performance eval
16、uation of tunnel ventilation safety systems.Tunnelling and Underground Space Technology.2003,18:435-452. 6 Baskaran A.,Kashef A.Investigation of air flow around buildings using computational fluid dynamics techniques.Engineering Structures.1996,18(11):861-875 The Numerical Simulation Analysis of Ven
17、tilation flow in the Tunnel Construction with Air Separator Yu Xiaobo Abstract Tunnel construction Ventilation plays a crucial role in the whole process of tunnel construction, the effective ventilation system can guarantee the safety of construction workers and the normal operation of construction
18、equipment; in this paper, the calculation of ventilation by FLUENT in numerical simulation provide theoretical basis for the selection of ventilation solutions. The simulation analysis shows that exports by air should not exceed 1.8m from the working face, and the air velocity should be selected for the 11m / s, then the best ventilation would be obtained. Key Words：Construction ventilation；Air separator；Numerical simulation；Velocity field
