趙合全

(中鐵十四局集團(tuán)大盾構(gòu)工程有限公司 江蘇南京 211899)

1 引言

改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)地下工程發(fā)展迅速，無(wú)論是在水利水電工程，還是在礦井開(kāi)挖或隧道開(kāi)挖領(lǐng)域，其數(shù)量呈指數(shù)型增長(zhǎng)，涌現(xiàn)出越來(lái)越多的地下洞室群。而地下洞室群中地下廠房通風(fēng)是保障施工安全的主要技術(shù)手段之一[1－3]。地下洞室群具有縱橫交錯(cuò)，平、斜、豎相貫等特點(diǎn)，洞內(nèi)的施工通風(fēng)氣流是一種復(fù)雜的三維非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，流體的各種物理參數(shù)都隨時(shí)間和空間發(fā)生隨機(jī)變化，其施工通風(fēng)特性具復(fù)雜性和相異性。如何更好地真實(shí)模擬通風(fēng)方案及施工條件下的實(shí)際通風(fēng)效果以及優(yōu)化通風(fēng)設(shè)計(jì)是目前工程設(shè)計(jì)人員面臨的主要難題。

近年來(lái)，基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的施工通風(fēng)流場(chǎng)三維數(shù)值模擬逐漸運(yùn)用于地下洞室群施工期通風(fēng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，該方法能考慮實(shí)際通風(fēng)流場(chǎng)中存在射流、回流、紊流等區(qū)域的各向異性，模擬不同通風(fēng)方案。Musto[4]和Nan Chunzi[5]采用數(shù)值模擬方法研究了射流風(fēng)機(jī)參數(shù)對(duì)隧道通風(fēng)系統(tǒng)的影響。Isidro Diego[6]提出了一種利用CFD手段計(jì)算任意幾何形狀隧道內(nèi)空氣損失的方法并通過(guò)理論計(jì)算驗(yàn)證了該方法的準(zhǔn)確性和適用性。孫會(huì)想等[7]依托白鶴灘水電站工程，構(gòu)建了三維非穩(wěn)態(tài)湍流場(chǎng)模型，研究了復(fù)雜地下洞室群開(kāi)挖期通風(fēng)散煙特點(diǎn)和規(guī)律，提出一套高效節(jié)能的“進(jìn)＋排”通風(fēng)系統(tǒng)。高彥明等[8]優(yōu)化了現(xiàn)有自然通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模型，并利用優(yōu)化后的模型計(jì)算了大萬(wàn)山島海水抽水蓄能電站全年的自然通風(fēng)情況。施晨等[9]運(yùn)用CFD方法結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行模型驗(yàn)證之后，針對(duì)2種優(yōu)化方案進(jìn)行CFD數(shù)值計(jì)算選取優(yōu)化方案，并根據(jù)該方案進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。馬希平[10]運(yùn)用數(shù)值模擬方法，結(jié)合二郎山特長(zhǎng)隧道現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)，研究熱位差對(duì)斜井反井法施工通風(fēng)的影響。

目前的研究大部分都是針對(duì)其特定結(jié)構(gòu)洞室，對(duì)本廠房的通風(fēng)結(jié)構(gòu)不適用。因此，本文以某洞室群地下廠房區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象，對(duì)洞室群前期的通風(fēng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，使其保證后續(xù)施工中主廠房?jī)?nèi)的流場(chǎng)流動(dòng)性，并將此方案運(yùn)用于實(shí)際工程，最終確定其通風(fēng)可行性。

2 廠房前期通風(fēng)情況

某地下廠房前期采用雙向同時(shí)爆破的方式進(jìn)行開(kāi)挖，如圖1所示，在未貫通前通道1及通道2同時(shí)施工，均采用壓入式送風(fēng)的通風(fēng)方式。待廠房貫通后，原有的通風(fēng)方式已經(jīng)不能滿足正常的工作，因此需要對(duì)之前的通風(fēng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造。改造方案初步定為在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)上增加一通風(fēng)豎井，將一風(fēng)機(jī)置于主廠房入口送風(fēng)，一風(fēng)機(jī)置于豎井下端抽風(fēng)，形成壓入抽出式的混合型通風(fēng)方式。

圖1 某地下廠房前期施工布置

3 通風(fēng)優(yōu)化數(shù)值模型

3.1 數(shù)學(xué)模型選定

為了準(zhǔn)確描述洞室內(nèi)的氣體流動(dòng)，數(shù)學(xué)模型的建立需滿足以下假設(shè):

(1)氣體為非定常的粘性不可壓穩(wěn)態(tài)湍流流動(dòng)。

(2)不考慮洞室內(nèi)的機(jī)電設(shè)備散熱，計(jì)算域內(nèi)無(wú)內(nèi)熱源，不與外界發(fā)生熱量交換，忽略通風(fēng)氣體流動(dòng)過(guò)程中的溫度變化。

基于以上假設(shè)，氣體的流動(dòng)遵循質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量定理、能量守恒與轉(zhuǎn)換定律等定理，由此導(dǎo)出的控制方程如下:

式中:ρ為空氣密度；U＝(u，v，w)為氣體流速；p為氣流壓力:τ為粘性應(yīng)力:SM為動(dòng)量方程的廣義源項(xiàng)；T為溫度；k為空氣熱傳導(dǎo)率；SE為能量方程的源項(xiàng)。

地下洞室群內(nèi)的氣體流動(dòng)為典型的湍流流動(dòng)，其中RNGk-ε模型考慮到了湍流旋渦，而且在預(yù)測(cè)近壁面流動(dòng)和低雷諾數(shù)流動(dòng)方面具有很大的優(yōu)勢(shì)，在精度和效率方面表現(xiàn)良好。因此，本文采用RNGk-ε模型來(lái)模擬地下洞室群內(nèi)的通風(fēng)情況。湍流動(dòng)能k和湍流動(dòng)能耗散率ε由以下輸運(yùn)方程得到:

式中:μe＝μl＋μt為有效湍流粘度，μl為運(yùn)動(dòng)粘度系數(shù)，μt為湍流粘度系數(shù)；Gk為平均速度梯度產(chǎn)生的湍流動(dòng)能；Gb為浮力產(chǎn)生的湍流動(dòng)能；αk和αε分別為k和ε的反有效普朗特?cái)?shù)；Cε1和Cε2為常數(shù)，其值分別為1.42和1.68。

3.2 幾何模型建立

在改造通風(fēng)方案中，增加的排風(fēng)豎井作為污風(fēng)排出的主要通道，其布置位置對(duì)地下洞室群的整體通風(fēng)效果有重要影響。結(jié)合工程實(shí)際以及現(xiàn)場(chǎng)地形因素限制，提出豎井通道與通道2夾角為115°的方案，如圖2所示，并建立其幾何模型，如圖3所示。

圖2 豎井位置示意

圖3 幾何模型

3.3 邊界條件設(shè)定

根據(jù)洞室內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)情況及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)確定數(shù)值模擬主要設(shè)置參數(shù)。數(shù)值模型中邊界條件具體設(shè)置如表1所示。

表1 數(shù)值模擬邊界條件及參數(shù)設(shè)置

4 通風(fēng)優(yōu)化結(jié)構(gòu)模擬與實(shí)踐

4.1 通風(fēng)結(jié)果模擬分析

速度場(chǎng)分布是分析流體動(dòng)力學(xué)的關(guān)鍵特征之一。由于主廠房形狀不規(guī)則，且進(jìn)出口與多條支洞相連，洞內(nèi)通風(fēng)氣流形態(tài)復(fù)雜，因此在主廠房不同的位置建立截面研究?jī)?nèi)部流場(chǎng)。由圖4可以看出，由于風(fēng)機(jī)射流的存在以及主廠房形狀不規(guī)則，洞內(nèi)流場(chǎng)分布較為復(fù)雜，來(lái)自入口風(fēng)機(jī)的高速射流沿洞室底部向前流動(dòng)，射流邊界不斷擴(kuò)展；當(dāng)氣流到達(dá)主廠房洞壁后受到阻擋向上流動(dòng)，一部分由通風(fēng)兼安全洞排出，另一部分受頂部洞壁阻擋后向后流動(dòng)產(chǎn)生回流。由于上下兩股方向相反的氣流之間存在速度差，因此在洞室內(nèi)形成漩渦，在x＝0 m到x＝120 m范圍內(nèi)存在兩處較大范圍的漩渦，部分污染物會(huì)在渦流區(qū)域內(nèi)循環(huán)，需要較長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行稀釋和排放，對(duì)污風(fēng)的排出有不利影響。由圖5可以看到在排風(fēng)豎井下端平洞與通道2的分叉口區(qū)域的流場(chǎng)情況，其左側(cè)流場(chǎng)流速大于右側(cè)流場(chǎng)流速，可知豎井平洞左側(cè)流場(chǎng)抑制了右側(cè)流場(chǎng)的空氣從排風(fēng)豎井排出，因此從主廠房流入通道2的空氣也相應(yīng)會(huì)被抑制。

圖4 主廠房速度矢量圖

圖5 分叉口區(qū)域速度矢量圖

針對(duì)上述通風(fēng)情況，為增大負(fù)壓風(fēng)機(jī)對(duì)主廠房空氣流動(dòng)的作用，通過(guò)增設(shè)擋風(fēng)隔板的方式來(lái)阻擋部分左側(cè)的空氣，改變隧道通風(fēng)走向來(lái)改善主廠房的通風(fēng)效果，擋風(fēng)隔板位置如圖3所示。圖6為增設(shè)擋風(fēng)隔板后主廠房?jī)?nèi)空氣流動(dòng)的變化，圖6與圖4相比，圖6中的漩渦范圍明顯變小，且流場(chǎng)分布更均勻。從圖7中可知，擋風(fēng)隔板的增加使得豎井平洞右側(cè)的空氣流速明顯增大，從而更有利于主廠房中的污風(fēng)排出，對(duì)改善主廠房通風(fēng)效果有一定作用。

圖6 主廠房速度矢量圖(優(yōu)化后)

圖7 分叉口區(qū)域速度矢量圖(優(yōu)化后)

為更加合理直觀地對(duì)比擋風(fēng)隔板增設(shè)前后洞室內(nèi)的氣流組織效果，引入速度非均勻系數(shù)對(duì)洞室內(nèi)工作區(qū)域速度分布的均勻程度進(jìn)行評(píng)價(jià)。速度不均勻系數(shù)由式(6)定義[11－12]:

式中:σv為速度的均方根偏差；為空氣的平均速度。

顯然，速度不均勻系數(shù)值越小，表明空氣分布越均勻。在距主廠房地面1.7 m處平面上選取500個(gè)等距測(cè)點(diǎn)，距主變洞地面1.7 m處平面上選取300個(gè)等距測(cè)點(diǎn)，調(diào)取各測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速值按式(6)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表2所示。

表2 主廠房?jī)?nèi)工作平面速度不均勻系數(shù)

由表2可以看出，當(dāng)洞內(nèi)空氣達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，增設(shè)擋風(fēng)隔板后主廠房工作平面的平均速度提高25.3%，而速度不均勻系數(shù)則降低了12.33%。

4.2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及模型驗(yàn)證

將豎井通風(fēng)以及增設(shè)擋風(fēng)隔板的通風(fēng)形式應(yīng)用于實(shí)際工程中，如圖8所示，并沿通道1→主廠房→通道2方向上進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試測(cè)量風(fēng)速，測(cè)量點(diǎn)位置在圖3中標(biāo)出。與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖9所示，風(fēng)速的數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果變化規(guī)律大致相同，平均相對(duì)誤差為8.7%，仿真值與實(shí)測(cè)值基本吻合，證明了本文建立的數(shù)值模型的正確性。

圖8 風(fēng)機(jī)增設(shè)及擋風(fēng)隔板增設(shè)

圖9 特征點(diǎn)風(fēng)速實(shí)測(cè)值與仿真值對(duì)比

5 結(jié)論

(1)本文以某洞室群工程地下廠房為例，對(duì)其施工前期的通風(fēng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，應(yīng)用FLUENT軟件對(duì)地下洞室群的通風(fēng)情況進(jìn)行了仿真研究。

(2)提出了增加豎井排風(fēng)及增加擋風(fēng)隔板的方式來(lái)改變通風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，采用混合式通風(fēng)方式使地下廠房形成下進(jìn)上出的通風(fēng)氣流。增設(shè)擋風(fēng)隔板后主廠房工作平面的平均速度提高25.3%，而速度不均勻系數(shù)則降低了12.33%。

(3)將改造方案運(yùn)用于實(shí)際工程，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試驗(yàn)證了仿真模型正確性，風(fēng)速的數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果變化規(guī)律大致相同，平均相對(duì)誤差為8.7%。