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公路隧道复杂通风方式物模试验的适用性研究及其工程应用

任锐  
【摘要】:特长公路隧道的运营通风和火灾状态下的通风救援是国内外高度关注的问题,设计研究通常采用基于流体力学的数值仿真计算与物理模型试验。公路隧道通风物理模型试验,以流动相似理论为基础建立缩尺模型,通过试验获得隧道内风速场与压力场的分布规律。因其可以描述复杂通风方式下隧道内、风道内的复杂流动现象,弥补了数值方法中由流动方程的局限性引起的不足,成为论证和优化公路隧道通风方案的重要手段。然而,在复杂通风方式中,隧道内风流组织形式复杂,流动相似准则与自模区理论是否适用于公路隧道复杂通风方式的物理模型试验尚没有得到很好的试验验证。论文依托港珠澳大桥海底隧道与甘肃安远隧道通风的工程要求,首先在隧道通风物理模型试验适用性研究的基础上,对其工程应用进行了试验研究。 1.根据流动相似理论,以纳维-斯托克斯(Nacier-Stokes)方程为基础,推导隧道通风物理模型试验相似准则——雷诺相似准则。在雷诺相似准则条件下,依据尼古拉兹试验确定隧道通风物理模型自模区的试验方法,当隧道模型各通风段沿程阻力系数不再随模型内风速的变化而变化时,隧道模型进入自模区,隧道模型进入自模区的最小风速为该模型的临界风速。 2.针对隧道排风式半横向通风方式与隧道竖(斜)井送排组合纵向通风方式,分析不同隧道通风方式下隧道内风流组织形式,将模型相似比尺带入风流组织分析方程中进行推导,论证了当模型内流动进入自模区后,相似理论在公路隧道通风物理模型试验中是适用的。 3.以雷诺相似准则与模型自模区理论为基础,设计制作了模型率为1:9的排风式半横向通风方式物理模型试验系统与模型率为1:22.5竖(斜)井送排组合纵向通风方式物理模型试验系统;且通过试验确定了排风式半横向通风物理模型与竖(斜)井送排组合纵向通风方式物理模型进入自模区的临界风速分别为1.75m/s、2.6m/s。 4.依托秦岭终南山特长公路隧道现场测试试验,建立数值仿真模型,将数值仿真计算结果与现场测试结果对比,说明同一边界条件下,当数值仿真模型沿程阻力系数与隧道实际沿程阻力系数一致时,公路隧道通风数值仿真计算结果是可靠的。 5.在模型内流动进入自模区的前提下,测试排风式半横向通风方式物理模型与竖(斜)井送排组合纵向通风方式物理模型各测试段的等效沿程阻力系数,将模型各测试段等效沿程阻力系数与隧道实际沿程阻力系数对比,并将模型试验结果与原型数值仿真计算结果对比,论证了排风式半横向通风方式物理模型与竖(斜)井送排组合纵向通风方式理模型的适用性条件。 6.对隧道排风式半横向通风方式进行物理模型试验与数值仿真,研究了风孔开启数量及风孔开启位置对隧道内风速场、压力场分布的影响。通过将数值仿真结果、风流组织分析结果与物理模型试验结果对比分析,验证了数值仿真结果的可靠性与风流组织方程的合理性。 7.对竖(斜)井送排组合纵向通风方式进行物理模型试验与数值仿真,研究了短道在隧道中的相对位置、隧道长度以及送排风量比例等因素对短道流态的影响。通过将数值仿真结果、风流组织分析结果与物理模型试验结果对比分析,验证了数值仿真结果的可靠性与风流组织方程的合理性。


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