張博文， 王海寧， 張迎賓

(1. 江西理工大學(xué)，.a 資源與環(huán)境工程學(xué)院； b.能源與機(jī)械工程學(xué)院，江西 贛州341000；2. 中國(guó)計(jì)量大學(xué)質(zhì)量與安全工程學(xué)院，杭州310018）

射流風(fēng)機(jī)作為特殊的一種軸流風(fēng)機(jī)[1]，因?yàn)槠洳贾渺`活、資金成本較少等優(yōu)點(diǎn)，在隧道實(shí)際通風(fēng)項(xiàng)目中，一直受到專家學(xué)者的青睞。 近幾十年來無論在理論還是模擬方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)射流風(fēng)機(jī)都有著大量的研究。 在理論方面，赫海仙[2]通過平板和風(fēng)機(jī)的實(shí)驗(yàn)，說明了風(fēng)機(jī)的安裝距離不同和風(fēng)機(jī)距離平板的間距能夠很大程度影響平板受到阻力和風(fēng)機(jī)的推力比。崔德振等[3]采用了實(shí)地測(cè)量和模型實(shí)驗(yàn)的研究方法，對(duì)比不同汽車模型在壓力差作用下形成風(fēng)量和風(fēng)速的變化情況， 同時(shí)驗(yàn)證了自模區(qū)的存在臨界雷諾數(shù)，為縱向射流風(fēng)機(jī)模型的設(shè)置提供了方法。 李曉菲等[4]通過理論分析，發(fā)現(xiàn)影響縱向最小間距的影響因素主要分為4 個(gè)方面，分別是葉輪直徑，射流出口風(fēng)速，風(fēng)機(jī)軸線之間的橫向間距以及風(fēng)機(jī)與拱頂?shù)慕咏?。邢利英等[5]驗(yàn)證了在射流風(fēng)機(jī)出口處增設(shè)收縮管的方法，從而提高隧道射流通風(fēng)效率，能夠很有效地改善隧道通風(fēng)效果，作為通風(fēng)優(yōu)化的基本研究方法，對(duì)實(shí)際問題進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試以及數(shù)值模擬，提出改進(jìn)方案并得到優(yōu)化效果的通風(fēng)優(yōu)化處理模式。 在數(shù)值模擬方面。 周家才等[6]編制了一套縱向通風(fēng)的程序模擬氣流，對(duì)車輛阻力、污染物的濃度分布，進(jìn)行了有效的分析，并且在實(shí)際中進(jìn)行了運(yùn)用。 韓國(guó)的Joon-Hyung 等[7]在三維PANS 和PBA 代理模型的基礎(chǔ)上提出了能夠優(yōu)化隧道射流風(fēng)機(jī)性能的程序。 國(guó)內(nèi)WANG F 等[8]模擬探究彎曲公路隧道中射流風(fēng)機(jī)的各個(gè)橫截面位置對(duì)氣流流場(chǎng)的影響，他們發(fā)現(xiàn)當(dāng)風(fēng)機(jī)和隧道頂棚的距離變化越來越大的時(shí)候射流速度越來越快，當(dāng)射流風(fēng)機(jī)和隧道壁的距離越來越近或者風(fēng)機(jī)之間的距離越來越近時(shí)，風(fēng)機(jī)需要更長(zhǎng)的距離來運(yùn)行。 吳珂等[9]模擬指出合理的洞口距可以避免進(jìn)口氣流和風(fēng)機(jī)出口氣流相互的影響，并且對(duì)射流通風(fēng)的效果有良好的促進(jìn)作用。

雖然射流風(fēng)機(jī)在現(xiàn)今的隧道通風(fēng)中研究較成熟，但隨著研究的不斷深入慢慢地也開始出現(xiàn)一些問題。例如， ①射流風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過程中存在能量利用率低、耗電量大、通風(fēng)效率不高，尤其在大濃度的區(qū)域處理尾氣不理想， 很多時(shí)候達(dá)不到所需要的風(fēng)流調(diào)控[10]。②射流風(fēng)機(jī)安裝的位置主要是在隧道的頂部，雖然很大程度增加了車輛的行駛空間，但是，在清理維護(hù)方面會(huì)存在車輛傷害， 對(duì)操作人員有著很大的危險(xiǎn)性。③在傳統(tǒng)射流風(fēng)機(jī)安裝過程時(shí)，風(fēng)機(jī)安裝高度對(duì)風(fēng)機(jī)的通風(fēng)效率有著很大影響，同時(shí)風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過程中長(zhǎng)時(shí)間承受風(fēng)機(jī)動(dòng)荷載，對(duì)風(fēng)機(jī)支架和減震裝置的安裝也有一定技術(shù)的要求等。

據(jù)了解，一些井下大斷面且長(zhǎng)度大的巷道因?yàn)樾枰删蚝瓦\(yùn)輸，大型器械需要不斷進(jìn)出，同時(shí)還伴隨著炮煙的沖擊影響， 巷道內(nèi)的空氣質(zhì)量狀況與長(zhǎng)隧道相比有過之而無不及， 而硐室型風(fēng)流調(diào)控技術(shù)——空氣幕能有效地解決此類問題[11-13]。硐室型空氣幕顧名思義安裝在側(cè)壁的硐室內(nèi)的空氣幕， 由于安裝位置的特殊，不僅不影響車輛運(yùn)輸，而且還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)流的增阻、引射、隔斷的作用[14-15]。 現(xiàn)今，硐室型空氣幕在礦井的研究和應(yīng)用較多， 在隧道通風(fēng)中應(yīng)用尚未見報(bào)告， 但空氣幕的特性決定其具有很廣泛的運(yùn)用領(lǐng)域，因此，論文以甕福磷礦隧道通風(fēng)為研究背景，運(yùn)用FLUENT[16]進(jìn)行模擬和分析，對(duì)比模擬過程中空氣幕和射流風(fēng)機(jī)在隧道中風(fēng)量和風(fēng)速變化狀態(tài)，找到較優(yōu)組合，為今后空氣幕引射風(fēng)流在隧道中的可行性增加了籌碼。

1 實(shí)際隧道的通風(fēng)效果分析

1.1 甕福磷礦穿巖洞隧道概況

甕福磷礦穿巖洞隧道是一座雙向單洞隧道，隧道入口處于螞蟻墳地段， 坐標(biāo)為X：87668.514 m，Y：39795.449 m，Z：1364.24 m；出口處為原廠地段，坐標(biāo)為X：88394.867 m，Y：39232.036 m，Z：1327.48 m。 隧道全長(zhǎng)近919.8 m，縱坡4.0%，隧道路面橫坡定為2%。該隧道區(qū)域?qū)僦猩降貐^(qū)，山間溝谷地貌，總體地勢(shì)東高西低。 隧道所經(jīng)地段主要為中山山脊地帶，海拔高程在1100～1500 m 間，相對(duì)高差近400 m。隧道出、入口段均為山脊斜坡地段，地表自然坡度在25～30 ℃左右，同時(shí)隧道圍巖工程地質(zhì)條件較差。

該隧道按雙向二車道二級(jí)公路單洞隧道設(shè)計(jì)，隧道建筑限界按40 km/h 行車速度確定， 隧道內(nèi)輪廓采用三心圓形式，單洞建筑限界凈寬9.5 m、凈高5.0 m，行車道（含路緣帶）寬8.0 m，檢修道寬0.75 m。 單洞凈空面積正常路拱段為56.16 m2, 帶仰拱地段為69.56 m2。 同時(shí)，在左右兩側(cè)檢修道及余寬下設(shè)置一個(gè)尺寸為50 cm×50 cm 的電纜溝， 路面兩側(cè)各設(shè)置直徑為20 cm 的圓形開口型排水邊溝。

關(guān)于隧道通風(fēng)方面，考慮到解決隧道內(nèi)行車尾氣排出的通風(fēng)問題，甕福穿巖洞隧道在原有的通風(fēng)設(shè)計(jì)中，安裝了兩道射流風(fēng)機(jī)進(jìn)行縱向通風(fēng)，即在距離隧道進(jìn)、 出口近100 m 處分別在隧道頂部安裝了2 臺(tái)射流風(fēng)機(jī)并聯(lián)通風(fēng)，其中1 臺(tái)運(yùn)行，1 臺(tái)備用。

1.2 甕福磷礦穿巖洞隧道存在的通風(fēng)問題

考慮到隧道封閉性、狹長(zhǎng)性、四面不可及性等特點(diǎn)， 通過分析甕福磷礦穿巖隧道的通風(fēng)和運(yùn)營(yíng)狀況，得到主要的通風(fēng)問題如下：

1）甕福磷礦穿巖洞隧道是一座雙向單洞隧道，其內(nèi)部的風(fēng)流大小和方向會(huì)隨車流方向、車速、交通量的變化而變化，并且隧道內(nèi)空氣流動(dòng)的大小和方向還受隧道內(nèi)、外氣候條件的影響很大，這導(dǎo)致了隧道內(nèi)的自然風(fēng)向表現(xiàn)出極大的不確定性，自然風(fēng)不能有效排出行車產(chǎn)生的污濁空氣。

2） 穿巖洞隧道內(nèi)原安裝的兩道射流風(fēng)機(jī)相距較遠(yuǎn)，如圖1 所示，射流風(fēng)機(jī)接力效果減弱，加上自然風(fēng)壓在不同自然條件下對(duì)其產(chǎn)生的積極或者消極的影響，使得射流風(fēng)機(jī)引射風(fēng)流的作用大大削弱。 當(dāng)射流風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，隧道進(jìn)、出口附近的通風(fēng)效果較好，但在中部易出現(xiàn)污風(fēng)停滯， 污濁空氣難以及時(shí)排出隧道，導(dǎo)致汽車運(yùn)行的可見度降低，增加行車危險(xiǎn)度；當(dāng)射流風(fēng)機(jī)停止運(yùn)行時(shí)，隧道內(nèi)行車產(chǎn)生的污濁空氣主要靠自然通風(fēng)排出，由于自然風(fēng)壓的不穩(wěn)定，因而隧道內(nèi)的污濁空氣紊亂，且難以及時(shí)排出。

圖1 原射流風(fēng)機(jī)現(xiàn)有安裝示意Fig. 1 Existing installation diagram of original jet fan

3）在兩處各安裝2 臺(tái)射流風(fēng)機(jī)， 其中1 臺(tái)運(yùn)行，1 臺(tái)備用，不僅射流風(fēng)機(jī)數(shù)量偏少，而且排風(fēng)的接替能力偏弱。

4）由于隧道全長(zhǎng)約920 m，隧道內(nèi)雙向行車速度慢，交通風(fēng)相互影響，易導(dǎo)致風(fēng)流紊亂，汽車排放尾氣難以排出，尤其是在通車量較大的情況下，隧道內(nèi)空氣質(zhì)量差，且行車能見度較低，如圖2 所示，不僅影響了行車安全和行車效率，而且嚴(yán)重危害到汽車司機(jī)和行人的身體健康。

2 實(shí)際隧道的需風(fēng)量計(jì)算

2.1 公路隧道通風(fēng)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)JTGTD70.02.2014《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范》相關(guān)部分的說明，計(jì)算CO、煙霧和異味進(jìn)行稀釋所需的3 種需風(fēng)量中的最大值為隧道通風(fēng)的最終需風(fēng)量標(biāo)準(zhǔn)。 并且隧道通風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)要求如下：

圖2 隧道通風(fēng)現(xiàn)狀Fig. 2 Tunnel ventilation status map

1） 雙向交通的隧道設(shè)計(jì)風(fēng)速不應(yīng)大于8 m/s；單向隧道設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)不應(yīng)大于10 m/s， 特殊情況可取12 m/s；人車混合隧道風(fēng)速小于7 m/s。

2）人車混合隧道長(zhǎng)度小于1000 m，同時(shí)CO 設(shè)計(jì)濃度為150×10-6。

3）采用鈉燈光源時(shí)，行車速度在40 km/h 時(shí)，煙霧設(shè)計(jì)濃度：0.009 m-1，濃度大于0.012 m-1時(shí)，采取交通管制。

4）在隧道進(jìn)行縱向通風(fēng)換氣時(shí)，隧道內(nèi)換氣風(fēng)速不應(yīng)低于2.5 m/s。

2.2 甕福磷礦穿巖洞隧道需風(fēng)量計(jì)算

依據(jù)設(shè)計(jì)資料可知，穿巖洞隧道的設(shè)計(jì)行車速度為40 km/h， 則隧道全長(zhǎng)稀釋CO 的需風(fēng)量可根據(jù)式（1）和式（2）進(jìn)行計(jì)算，而煙霧和異味進(jìn)行稀釋所需的需風(fēng)量可根據(jù)式（3）、式（4）和式（5）進(jìn)行計(jì)算：

式（1）中：Qco為隧道全長(zhǎng)CO 排放量，m3/s；qco為CO基準(zhǔn)排放量，m3/（輛·km）；fa為考慮CO 的車況系數(shù)；fd為車密度系數(shù)；fh為考慮CO 的海拔高度系數(shù)；fm為考慮CO 的車型系數(shù)；fiv為考慮CO 的縱坡-車速系數(shù)；n為車型類別數(shù)；L 為隧道長(zhǎng)度，m；Nm為相應(yīng)車型的設(shè)計(jì)交通量，輛/h。

式（2）中：Qreq（CO）為隧道全長(zhǎng)稀釋CO 需風(fēng)量，m3/s；δ為CO 設(shè)計(jì)濃度，10-6；P0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，kN/m2；P 為隧道設(shè)計(jì)氣壓，kN/m2；T0為標(biāo)準(zhǔn)氣溫，K；T 為隧道夏季的設(shè)計(jì)溫度，K。

式（3）中：QVI為隧道全長(zhǎng)煙霧排放量，m3/s；qVI為煙霧基準(zhǔn)排放量，m2/（輛·km）；fa（VI）為考慮CO 的車況系數(shù)；fh（VI）為考慮CO 的海拔高度系數(shù)；fm（VI）為考慮CO 的車型系數(shù)；fiv（VI）為考慮CO 的縱坡-車速系數(shù)；n 為車型類別數(shù)。

式（4）中：Qerq（VI）為隧道全長(zhǎng)稀釋煙霧的需風(fēng)量，m3/s；K 為煙霧設(shè)計(jì)濃度，m-1。

式（5）中：Qreq（火）為隧道全長(zhǎng)稀釋異味的需風(fēng)量，m3/s；vr為隧道中的平均風(fēng)速，m/s；Ar為隧道凈空斷面積，m2。

根據(jù)上述隧道通風(fēng)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)和隧道換氣最低風(fēng)速要求，得到甕福磷礦穿巖洞隧道的較優(yōu)平均風(fēng)速的范圍為（2.5~8 m/s）,代入式子（5）中得到全長(zhǎng)異味所需要的需風(fēng)量范圍為140.4~449.28 m3/s，對(duì)比CO、煙霧和異味3 種需風(fēng)量， 得到當(dāng)隧道需風(fēng)量在140.4 ~449.28 m3/s 范圍內(nèi)時(shí)， 甕福磷礦穿巖洞隧道的通風(fēng)要求達(dá)到隧道通風(fēng)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 甕福磷礦穿巖洞隧道初始風(fēng)速確定

為了確定在非風(fēng)機(jī)狀態(tài)下隧道中的風(fēng)速， 運(yùn)用ZRQF-D 系列智能式風(fēng)速儀[17]，采用側(cè)身測(cè)量法來對(duì)隧道內(nèi)的風(fēng)速進(jìn)行測(cè)定，測(cè)點(diǎn)主要布置在隧道兩側(cè)的進(jìn)風(fēng)口100 m 處、出風(fēng)口100 m 處及隧道中部，共計(jì)6 個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)布置示意如圖3 所示，測(cè)點(diǎn)1、測(cè)點(diǎn)2、測(cè)點(diǎn)3 的行車方向是測(cè)點(diǎn)1→測(cè)點(diǎn)3，測(cè)點(diǎn)4、測(cè)點(diǎn)5、測(cè)點(diǎn)6 行車方向是測(cè)點(diǎn)4→測(cè)點(diǎn)6。 測(cè)量結(jié)果見表1。

對(duì)表1 中甕福磷礦穿巖洞隧道現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸類和計(jì)算，得到在無風(fēng)機(jī)的狀態(tài)下，隧道內(nèi)自然風(fēng)向多為東北風(fēng)， 風(fēng)速多在0.3~0.6 m/s 之間變化， 考慮到更好地進(jìn)行2 種風(fēng)機(jī)組合的模擬對(duì)比，將隧道在無風(fēng)機(jī)狀態(tài)下風(fēng)速確定為0.5 m/s。

圖3 測(cè)點(diǎn)布置示意Fig. 3 Schematic diagram of measuring point arrangement

表1 各測(cè)點(diǎn)風(fēng)速、風(fēng)量測(cè)定統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistics table of wind speed and wind volume at each measurement point

通過上述甕福磷礦穿巖洞隧道通風(fēng)問題的分析，了解到原有隧道通風(fēng)系統(tǒng)在隧道中的產(chǎn)風(fēng)量嚴(yán)重不足， 達(dá)不到隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)， 為了更好地改善隧道現(xiàn)有的通風(fēng)狀況，同時(shí)探究空氣幕替代射流風(fēng)機(jī)加強(qiáng)隧道通風(fēng)的可行性，根據(jù)計(jì)算得到的甕福磷礦穿巖洞隧道通風(fēng)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)需風(fēng)量的范圍（140.4~449.28 m3/s）和平均速度的范圍（2.5~8 m/s），提出了2 種新的風(fēng)機(jī)組合優(yōu)化方式。一種是在原有的射流風(fēng)機(jī)中添加風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)，即風(fēng)機(jī)組合達(dá)到3 組兩兩并聯(lián)總數(shù)達(dá)到6 臺(tái)，另一種是以空氣幕的引射功能為主的3 組兩兩并聯(lián)空氣幕的組合方式。

3 計(jì)算模型建立及邊界條件設(shè)定

3.1 模型建立及網(wǎng)格劃分

根據(jù)甕福磷礦穿巖洞隧道實(shí)際長(zhǎng)度， 確定模型隧道總長(zhǎng)度為920 m，高度為H6=5 m，寬度為W6=9.5 m，隧道斷面的面積為69.56 m2。 空氣幕模型硐室高H3=H4=2 m， 長(zhǎng)度為8 m， 寬2 m， 空氣幕風(fēng)機(jī)直徑D=2R3=1.3 m，空氣幕長(zhǎng)為2 m，空氣幕出風(fēng)口與隧道成40°。射流風(fēng)機(jī)模型D6=D7=1.1 m，風(fēng)機(jī)長(zhǎng)度L=2 m，風(fēng)機(jī)間的橫向間距L10=3.6 m。 應(yīng)用GEOMETRY 建立的引射風(fēng)流空氣幕和射流風(fēng)機(jī)幾何模型如圖4 所示。

運(yùn)用ICEM 對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分[18]，為了確保精準(zhǔn)，在網(wǎng)格劃分期間風(fēng)機(jī)附近網(wǎng)格進(jìn)行加密，隧道出入口網(wǎng)格設(shè)置較為疏松，2 種風(fēng)機(jī)模型都采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，且質(zhì)量都達(dá)到模擬要求，空氣幕模型網(wǎng)格總數(shù)量為892264，射流風(fēng)機(jī)模型網(wǎng)格總數(shù)量為689654。如圖5 所示。

圖4 射流風(fēng)機(jī)和空氣幕在隧道中的幾何模型Fig. 4 Geometric model of jet fan and air curtain in tunnel

3.2 邊界條件設(shè)定

對(duì)隧道模型進(jìn)行FLUENT 模擬計(jì)算時(shí)， 主要是以RNG k-ε 的湍流模型為主， 離散項(xiàng)都采用二階迎風(fēng)格式，壓力速度耦合選用標(biāo)準(zhǔn)SIMPLE。

具體邊界條件設(shè)置如下：隧道進(jìn)出口選用壓力邊界條件，根據(jù)實(shí)際通風(fēng)效果評(píng)測(cè)結(jié)果表1，得到隧道在無風(fēng)機(jī)狀態(tài)下的風(fēng)速大概為0.5 m/s （空氣幕模型也一樣）。因此，通過換算得到隧道入口邊界條件設(shè)置壓力為9.5 Pa，出口與外界大氣相通設(shè)置為0 Pa。 其次， 風(fēng)機(jī)內(nèi)部壓力面， 設(shè)置為邊界條件FAN。 風(fēng)機(jī)WALL 采用默認(rèn)壁面光滑， 隧道壁面粗糙度設(shè)置為0.0025[19]。

射流風(fēng)機(jī)壓力面參數(shù)設(shè)置，射流風(fēng)機(jī)是一種通過推力和流量來判斷通風(fēng)性能的特殊軸流風(fēng)機(jī)，為了更好地進(jìn)行對(duì)比，需要進(jìn)行全壓換算，根據(jù)軸流風(fēng)機(jī)的全壓計(jì)算公式及：

圖5 射流風(fēng)機(jī)和空氣幕在隧道中的計(jì)算模型網(wǎng)格Fig. 5 Grid diagram of calculation model of jet fan and air curtain in tunnel

式（6）中：P 為全壓，Pa；Pd為動(dòng)壓，Pa；Pst為靜壓，Pa。

獲得射流風(fēng)機(jī)30 kW 的動(dòng)壓Pd=0.5dv2=603 Pa，d=1.2 表示空氣的密度，kg/m3。關(guān)于靜壓Pst，射流風(fēng)機(jī)的靜壓主要是用來克服進(jìn)口處的阻力和消聲器的阻力[20]，而射流風(fēng)機(jī)靜壓計(jì)算可以通過消聲器產(chǎn)品的規(guī)格和輪轂比來確定，但射流風(fēng)機(jī)的靜壓很小，很多時(shí)候靜壓和大氣接觸后就消失，相比較于以動(dòng)壓為主的射流風(fēng)機(jī)，靜壓很多時(shí)候影響意義不大。因此，為了模擬計(jì)算過程的方便，簡(jiǎn)化風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)模型的復(fù)雜性，文中以風(fēng)機(jī)靜壓無限小為前提條件， 設(shè)計(jì)射流風(fēng)機(jī)模型前后無管道， 風(fēng)機(jī)壁面光滑， 使得此時(shí)射流風(fēng)機(jī)P=Pd， 射流風(fēng)機(jī)達(dá)到最大的推力并且性能達(dá)到較優(yōu)狀態(tài)。

所以在模擬中可以理解為

式（7）中： P 為全壓，Pa；d=1.2 為空氣的密度，kg/m3；A為射流風(fēng)機(jī)的出口面積，m2。

空氣幕壓力面參數(shù)設(shè)置， 空氣幕中的風(fēng)機(jī)為傳統(tǒng)的軸流風(fēng)機(jī)，由于模擬需要，根據(jù)全壓特性曲線，對(duì)4 種功率的風(fēng)機(jī)進(jìn)行擬合，得到全壓和風(fēng)速方程式如表2 所列， 而各功率壓力面所對(duì)應(yīng)的壓力參數(shù)就是全壓風(fēng)速擬合方程[21]。

表2 各功率的風(fēng)壓擬合方程Table 2 Wind pressure fitting equation for each power

4 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與分析

4.1 總功率相同下射流風(fēng)機(jī)組合和空氣幕組合模擬研究

2 種風(fēng)機(jī)組合的單臺(tái)風(fēng)機(jī)功率選用30 kW，總功率維持在K空=K射=180 kW 相同情況下進(jìn)行對(duì)比，如圖6 表示單個(gè)風(fēng)機(jī)功率為30 kW 的2 種風(fēng)機(jī)組合在各自軸線高度上的隧道中線處沿隧道長(zhǎng)度方向的速度變化曲線。 圖7 表示2 種風(fēng)機(jī)組在隧道中產(chǎn)生的平均風(fēng)量。

圖6 風(fēng)機(jī)組在軸線高度上的速度變化曲線Fig. 6 The speed change curve of the wind turbine at the height of the axis

圖7 同功率風(fēng)機(jī)組合隧道中的平均風(fēng)量Fig. 7 Average air volume of fan combinations of the same power in the tunnel

由圖6 可知，2 種風(fēng)機(jī)組合在距離入口50 m 處，因受風(fēng)機(jī)組合的影響， 速度開始不斷增加， 當(dāng)?shù)竭_(dá)150 m 時(shí)速度達(dá)到平穩(wěn)且最大， 在入口200 m 處，由于距風(fēng)機(jī)口的距離變遠(yuǎn)， 風(fēng)速受風(fēng)機(jī)影響開始減弱，風(fēng)速也隨著距離的增加開始減小，一直減小到距入口300 m 的位置，此時(shí)風(fēng)速保持在平均風(fēng)速水平線上振動(dòng)，并且保持一定距離的平穩(wěn)，直到距入口350 m 風(fēng)速開始進(jìn)入新一輪的相同的變化，類似的變化一直持續(xù)到末端風(fēng)機(jī)組合的影響結(jié)束。 此外，通過2 種風(fēng)機(jī)組合的對(duì)比，還發(fā)現(xiàn)空氣幕風(fēng)機(jī)組合的最高風(fēng)速和最低風(fēng)速差約為0.6 m/s， 而射流風(fēng)機(jī)組最大風(fēng)速和最小風(fēng)速差約為0.7 m/s。 這說明2 種風(fēng)機(jī)組合速度變化狀況大致相同，都是先增加后減小，從最大與最小風(fēng)速差狀況下看，空氣幕組合風(fēng)速變化較為平穩(wěn)，且速度曲線整體都要高于6.18 m/s，而射流風(fēng)機(jī)組合風(fēng)速較為遜色，整體速度曲線高于5.95 m/s。其次，從圖7 可看出，無風(fēng)機(jī)狀態(tài)下隧道平均風(fēng)量為19.71 m3/s，空氣幕組合產(chǎn)生的隧道平均風(fēng)量為244.63 m3/s， 射流風(fēng)機(jī)組合產(chǎn)生的平均風(fēng)量為234.94 m3/s。 綜上圖6、圖7 得到，2 種風(fēng)機(jī)組合對(duì)隧道空氣質(zhì)量都有著顯著的提高，并且在同功率狀態(tài)下，空氣幕組合產(chǎn)生的風(fēng)量要高于射流風(fēng)機(jī)組合，因此如果把射流風(fēng)機(jī)組合的模擬結(jié)果當(dāng)成是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，空氣幕組合可以在相對(duì)于較低的總功率下完成這個(gè)通風(fēng)要求，從而達(dá)到節(jié)能減排的目的。

4.2 不同總功率下的風(fēng)機(jī)組合模擬研究

為了驗(yàn)證上述的假設(shè)，選用7 種最為接近180 kW射流風(fēng)機(jī)組合通風(fēng)效果，且低于180 kW 總功率的空氣幕組合與180 kW 射流風(fēng)機(jī)組合進(jìn)行對(duì)比，如表3所列，K1，K2，…，K6表示風(fēng)機(jī)型號(hào)，圖8 表示空氣幕各風(fēng)機(jī)功率編號(hào)平面圖。

表3 7 種風(fēng)機(jī)組合的功率分配Table 3 Power distribution of 7 fan combinations

圖9 表示8 種不同功率風(fēng)機(jī)組在各自軸線高度上的隧道中線處沿隧道長(zhǎng)度方向的速度變化曲線，圖10 表示各個(gè)功率在隧道中產(chǎn)生的平均風(fēng)量。

圖8 空氣幕各風(fēng)機(jī)功率編號(hào)平面示意Fig. 8 Air curtain power number plan of each fan

圖9 不同功率風(fēng)機(jī)組在軸線高度上的速度變化曲線Fig. 9 Speed variation curve of different power fan combinations on axis height

圖10 各個(gè)功率在隧道中產(chǎn)生的平均風(fēng)量Fig. 10 Average air volume generated by each power in the tunnel

由圖9 可知， 其速度變化過程和圖6 所述一樣，觀察圖9 得到速度曲線中最為接近180 kW 射流風(fēng)機(jī)組合的是P3和P6空氣幕風(fēng)機(jī)功率組合，且P3相對(duì)于P6隧道風(fēng)速比較穩(wěn)定， 變化的頻率也與射流風(fēng)機(jī)組合重合度較高。 而P5和P7的速度曲線由于達(dá)不到射流風(fēng)機(jī)組合的要求，因此不滿足。 至于其他功率組合，雖然速度曲線都要大于射流風(fēng)機(jī)組合，但考慮最佳的節(jié)能原則， 其他幾種功率組合都要遜色于P3和P6。 除此之外， 還發(fā)現(xiàn)2 種較為特殊功率組合P3和P5， 即P5的風(fēng)機(jī)組合總功率明顯要高于P3的風(fēng)機(jī)組合，但P3速度曲線明顯要高于P5，這說明合理的功率分配能夠在減小總功率的條件下，有效地提高通風(fēng)效率。 從圖10 可以看出，P3功率組合產(chǎn)生風(fēng)量為234.93 m3/s 能夠節(jié)約34.5 kW 功率，P6功率組合產(chǎn)生風(fēng)量為236.55 m3/s 能夠節(jié)約26.5 kW 功率， 雖然2 種功率組合產(chǎn)生風(fēng)量近似相等， 但P3總功率明顯要小于P6，因此P3功率組合的節(jié)能減排優(yōu)于P6功率組合。 綜上所述，除了P7和P5兩種風(fēng)機(jī)功率組合，其他風(fēng)機(jī)組合速度曲線都能夠高于或者近似等于總功率P=180 kW 射流風(fēng)機(jī)組合的風(fēng)量和風(fēng)速要求，而在這些風(fēng)機(jī)組合中P3=145.5 kW 功率組合是滿足要求前提下，總功率最低的風(fēng)機(jī)組合。

4.3 總功率相同下不同風(fēng)機(jī)組合的模擬研究

為了進(jìn)一步進(jìn)行功率組合的優(yōu)化，選用上述所提到的P5和P3功率組合進(jìn)行研究。 由上可知，合理的功率分配能夠在減小總功率的條件下，有效地提高通風(fēng)效率，因此2 種功率組合在確定自身總功率不變的情況下， 分別選3 種不同的功率分配方式進(jìn)行對(duì)比，如表4 和表5 所示。

表4 P3 功率下3 種不同風(fēng)機(jī)功率風(fēng)機(jī)組合的分配Table 4 Allocation of three different fan power fan combinations at P3 power

表5 P5 功率下3 種不同風(fēng)機(jī)功率風(fēng)機(jī)組合的分配Table 5 Allocation of three different fan power fan combinations at P5 power

觀察表4 和表5 得到，P3條件下的第3 種風(fēng)機(jī)組合，由于單個(gè)風(fēng)機(jī)功率局限，分配總功率無法達(dá)到145.5 kW，所以做了一些相應(yīng)的調(diào)整，改變了單風(fēng)機(jī)功率， 使得總功率達(dá)到146 kW， 且滿足誤差允許范圍， 讓第3 種風(fēng)機(jī)組合總功率近似和其他兩種一樣。而P5條件下的第3 種風(fēng)機(jī)組合通過直接選擇關(guān)閉K6風(fēng)機(jī)，來達(dá)到滿足總功率150 kW 的目的。

圖11 P5 和P3 不同功率組合隧道中的風(fēng)量變化Fig. 11 Changes in air volume in tunnels with different power fan combinations of P5 and P3

圖11（a）和圖11（b）表示的是總功率P3=145.5 kW和總功率P5=150 kW 3 種風(fēng)機(jī)功率組合在隧道中產(chǎn)生的風(fēng)量。 由圖11 可知， 在P3和P5的總功率條件下，第1 種風(fēng)機(jī)組合是通過讓同功率風(fēng)機(jī)并聯(lián)的形式組合而成，隧道風(fēng)量產(chǎn)生分別為P31=234.96 m3/s，P51=232.75 m3/s。 而第2 組風(fēng)機(jī)組合主要是單臺(tái)同功率風(fēng)機(jī)串聯(lián)的組合形式， 其中產(chǎn)生的隧道風(fēng)量為P52=231.61 m3/s，P53=234.25 m3/s。 第3 組風(fēng)機(jī)組合是通過降低風(fēng)機(jī)組合中固定的1 臺(tái)或者是2 臺(tái)風(fēng)機(jī)功率來滿足P3和P5總功率要求的風(fēng)機(jī)組合形式，產(chǎn)生的隧道風(fēng)量為P53=223.56 m3/s，P33=232.45 m3/s。 這說明總功率相同，同功率風(fēng)機(jī)兩兩并聯(lián)的風(fēng)機(jī)組合產(chǎn)生的風(fēng)量較多，采用這樣的方法，能夠一定程度的節(jié)約總功率消耗。 圖11（c）為P5和P33 種組合隧道中產(chǎn)生風(fēng)量進(jìn)行對(duì)比，由圖11 可知，風(fēng)量曲線為兩條遞減的線段。 這表明P5和P3在進(jìn)行的3 種同功率下不同風(fēng)機(jī)功率組合分配時(shí)， 第一種的風(fēng)機(jī)組合形式較為優(yōu)秀，接著是第2 組，最后是第3 組。與此同時(shí)，還觀察到曲線前半部分第1 組到第2 組的線段斜率較為的平滑，這表示2 組風(fēng)量差距不大，P3的第1、 第2 組風(fēng)機(jī)組合，風(fēng)量差為0.71 m3/s，P5的第1、第2 組的風(fēng)量差為1.14 m3/s。 而兩線段后半部分第2 組到第3 組風(fēng)機(jī)組合的曲線的斜率觀察相對(duì)較大，并且P3第2 組到第3 組線段的斜率比P5的更低。 這說明通過單一風(fēng)機(jī)功率減小雖然可以達(dá)到總功率降低的目的， 但嚴(yán)重的影響風(fēng)機(jī)組合的通風(fēng)效率。綜上分析可知，同功率風(fēng)機(jī)并聯(lián)的組合形式， 即P3和P5的第1 種風(fēng)機(jī)組合為該功率條件下較優(yōu)的組合分配方式， 此外總功率在進(jìn)行分配時(shí)，讓較多的風(fēng)機(jī)參與功率的分配，這樣不僅能夠有效的降低功耗， 而且還能極大地提高通風(fēng)效率。

5 結(jié) 論

1）射流風(fēng)機(jī)組合和空氣幕風(fēng)機(jī)組合在同個(gè)位置以6 臺(tái)30 kW 風(fēng)機(jī)兩兩并聯(lián)進(jìn)行模擬， 且2 種組合都能夠達(dá)到甕福磷礦穿巖洞隧道所需的通風(fēng)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn):需風(fēng)量的范圍（140.4~449.28 m3/s）和平均風(fēng)速范圍（2.5~8 m/s）。 同時(shí)還發(fā)現(xiàn)空氣幕組合通風(fēng)效果要優(yōu)于射流風(fēng)機(jī)的組合， 空氣幕組合隧道中風(fēng)量為244.63 m3/s， 射流風(fēng)機(jī)組合隧道中的234.96 m3/s，兩者相差了9.67 m3/s。

2）空氣幕組合可以在總功率較低情況下替代射流風(fēng)機(jī)組，通過列舉7 種最為接近180 kW 射流風(fēng)機(jī)組合通風(fēng)效果， 且低于180 kW 總功率的空氣幕組合，對(duì)比在隧道中運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的風(fēng)量和風(fēng)速，得到表3 中的P3=145.5 kW 組合較優(yōu)，P3組合在近似滿足總功率180 kW 的射流風(fēng)機(jī)組風(fēng)量要求的情況下，功率節(jié)約可達(dá)到34.5 kW。

3）對(duì)較優(yōu)空氣幕組合P3進(jìn)行組合中風(fēng)機(jī)分配優(yōu)化，得到在總功率相同的空氣幕組合分配條件下，同功率的風(fēng)機(jī)兩兩并聯(lián)的設(shè)置形式通風(fēng)效果較優(yōu)。 另外，在功率分配時(shí)，應(yīng)該盡量讓較多的風(fēng)機(jī)參與分配，這樣可以有效地降低總功率，并且提高風(fēng)機(jī)通風(fēng)的效率。