雪峰山隧道通风三维CFD局部仿真优化

雪峰山隧道通风三维CFD局部仿真优化
             李跃军1  罗卫华2  甘建国2  仇玉良3  章玉伟4
（1.湖南省交通科学研究院； 2. 邵怀高速公路建设开发有限公司； 3.长安大学）

摘要：介绍了三维CFD仿真软件，对不同的轴流风机与通风道连接形式， 风道内壁半径r与风道当量直径D比值及导流板设置进行了仿真计算分析，提出了通风系统局部优化建议。
关键词： 隧道通风  局部仿真  优化
0 三维CFD仿真软件简介
计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics)在近40年得到了迅猛发展。一方面是解决实际问题的需要；另一方面得益于计算机技术的飞跃发展和巨型计算机的出现。计算流体动力学是多种领域的交叉学科，它所涉及的学科有流体力学、偏微分方程的数学理论、计算几何、数值分析、计算科学等等。其基本思想是采用一定的计算方法（如差分方法等）求解流体力学N—S方程。基于计算流体动力学的基本思想，国际上出现了许多计算流体动力学通用软件，包括FLUENT、PHOENCIS 、CFX以及CFDesign等。课题组采用了国际上通用的计算流体动力学软件CFDesign对雪峰山特长公路隧道进行了仿真模拟分析计算。CFDesign是英国著名的BLUE BRIDGE NUMERICS 公司的主导产品。CFDesign软件主要是用来解决与热传导、流体运动相关的工程设计问题。
CFDesign3.1主要包含三个模块：CFDesign Modeler、CFDesign Solver和CFDisplay。 CFDesign具有解决与流体运动相关的以下一系列问题的功能和特征，包括：
A. 二维平面、轴对称和三维空间流体问题
B. 可压缩和不可压缩流体的计算问题包括次音速、接近音速和超音速流体运动的问题
C. 稳定状态和短暂状态流体运动问题包括边界条件随时间变化的流体问题
D. 紊流和层流问题
E. 可以采用笛卡尔坐标和圆柱坐标进行分析
F. 牛顿流和非牛顿流的分析
G. 外部流体和内部流体
任何一个软件在正式运用到实际科学研究前，必须对该软件可靠性进行严格的测试计算。课题组在采用CFDesign进行具体的公路隧道通风仿真模拟前，对CFDesign软件进行了大量的测试和验算。通过建立一定的计算模型，同时采用理论计算和CFDesign数值模拟的方法进行分析。结果证明采用CFDesign进行仿真计算是可行的，同时其计算结果也是可信的。其中，采用圆管段进行软件验算和测试的算例如下：
几何参数：

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由以上数据可以绘制如下散点图：

  
     综合比较以上计算结果，以及速度云图、速度矢量图和压强云图的直观分析，可以得出如下结论：
1) 总体上，通风道设置了内半径r后相对于没有设置内半径的通风道压力损失要小很多；
2) 从云图效果图分析，不设置导流板的通风道在送排风的过程中，均或多或少出现涡流或回流现象，这是通风设计所应尽量避免的；
3) 当r/D（通风道设置的内半径/通风道断面当量直径）为0.6时，压力损失值 最小，即压力损失值 随着r/D比值的增大而减小；
4) 在给定的通风道形式的基础上，建议r/D（通风道设置的内半径/通风道断面当量直径）应尽量取较大的值。
     
3  设置导流板通风道仿真计算
通过CFDesign仿真计算分析，可知通风道设计形式采用的r/D取值越大拐弯压力损失越小。通过对速度云图以及速度矢量图进行直观判断，可知在通风弯道内，特别是在拐弯附近处存在较强的涡流或回流现象，而这是通风设计所力求避免的。通过在通风道拐弯处设置导流板可以达到避免风道内涡流或回流的出现进而可以减少通风弯道内的局部压力损失。一般通风道中导流板的设计平面形状有以下两种形式：
Ⅰ：简化弯曲圆柱面形状的翼型导流板
Ⅱ：同心圆弧形状的薄圆形导流板
从理论上考虑到，翼型导流板的体积较大，因此其在通风道拐弯处的所占用的空间将是比较多的，而这种空间的占用，会减少流体运动断面的有效面积比，实际上成为一种阻力，将不利用于风流的流动。课题组在采用CFDesign仿真模拟时，只对Ⅱ型的导流板进行了仿真模拟计算。
根据现行《公路隧道通风照明设计规范》（TJT026.1-1999）的建议，可将导流板的设置分为：正常导流板设置、减少导流板设置和最少导流板设置等三种情况。
课题组对r/D＝0.3弯道设置正常导流板、减少导流板和最少导流板进行仿真计算分析，以确定通风道所需导流板的合理数目以及设置导流板后拐弯处压力损失系数。

3.1 设置正常导流板通风道仿真计算分析
根据现行《公路隧道通风照明设计规范》（TJT026.1-1999）中建议采用的计算公式：

详见附件