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祥和隧道不同气候因素自然风分布规律研究

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杨建华

摘要：杭绍台高速公路祥和隧道地处低山丘陵地区，属越岭隧道，由于洞口气候环境、海拔等自然因素差异，导致隧道各洞口存在一定的温度、气压差，从而在洞内形成不稳定的自然风。为考虑将自然风充分利用，实现隧道节能运营，结合祥和隧道，通过数值模拟的方法对不同气候工况下隧道内的自然风分布情况进行研究，以获得洞外气候因素对隧道内自然风的影响规律，为隧道的自然风利用提供理论基础。

Abstract： Xianghe tunnel of Hangzhou-Taizhou Expressway is located in the low mountain and hilly area， which belongs to the tunnel crossing the mountains. Due to the differences in the climatic environment， altitude and other natural factors at the entrance of the tunnel， there is a certain temperature and air pressure difference at each opening of the tunnel， thereby forming an unstable natural wind. In order to make full use of the natural wind and realize the energy-saving operation of the tunnel， combined with the Xianghe tunnel， the distribution of the natural wind in the tunnel under different climatic conditions is studied by numerical simulation， so as to obtain the influence law of the external climatic factors on the natural wind in the tunnel and provide theoretical basis for the use of the natural wind in the tunnel.

關键词：祥和隧道;自然风;数值模拟;气候变化

Key words： Xianghe tunnel;natural wind;numerical simulation;climate change

中图分类号：U453.5 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文献标识码：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章编号：1006-4311（2020）17-0212-04

1 ?工程概况

祥和公路隧道为分离式双洞隧道，隧道左右线长度分别为1792m和1654m，隧道无竖井。其地处杭绍台高速南部，属亚热带季风气候，四季分明，热量充足，可利用自然风充足，通过对自然风的利用，实现隧道节能，绿色运营。

祥和隧道设置为单向坡，隧道洞口高度差约为120m，由于各洞口环境差异和高度差异的影响，导致隧道洞口温度、气压存在一定的差异，从而在隧道洞内产生一定程度的自然风。

现行设计规范中通常将自然风看做通风阻力，近期研究表明，当设计风向和自然风方向一致时，不开启通风设备或开启少量风机即可满足通风需求，即将自然风当做隧道通风的通风助力，以大幅降低隧道通风成本。

为考虑隧道自然通风的可能性，采集祥和隧道两个洞口处的气候因素，包括温度、大气压强、风速、风向等，经过划分工况，通过数值模拟的方法，分析洞口处不同气候条件下隧道内自然风分布规律，为自然风的利用提供理论依据。

2 ?工况划分

对于祥和隧道，地表自然风是引起隧道两洞口超静压差、形成自然通风的直接原因之一，因此研究隧道自然通风必须了解掌握当地地表自然风产生和分布的规律。而隧道内外的自然条件控制着隧道内外自然通风风量的大小和作用方向，因此，对祥和隧道东西两洞口处的气候数据进行采集是有必要的。

2.1 数据采集

对祥和隧道洞口区域气象资料进行采集，据此划分气候工况。

采集数据见表1。

2.2 季节工况划分

由表2可知，一年十二个月的大气压力、风速都比较接近，而温度差异较大，按照温度进行划分研究，可分为三种季节工况，见表2。

2.3 风速风向工况划分

当地的风向是自然风工况划分的重要参考依据，依照当地风玫瑰图是参考当地风向风速的主要方法。风玫瑰图一般可反应2个重要信息：风向，风频。本次工况划分根据风枚图选取出现频率较高的东南、西北风向，和相对洞口风向极端值南北风向。风速的选取则是根据祥和隧道洞口处的数据，取其均值和极端情况下的2.0m/s、2.5m/s和1.2m/s。祥和隧道地区风玫瑰图如图1。

因此结合以上几种工况，祥和隧道总体工况划分如表3所示。

3 ?数值模拟分析

为了对隧道内自然风加以利用，就必须研究自然风在隧道内的分布规律以及提供的自然风量大小。以划分的气候工况为基础，通过仿真的方法分析在不同的工况下隧道内自然风分布规律，得到不同环境温度下自然风量大小，为自然风的利用提供基础。

3.1 模型构建及网格划分

对祥和隧道进行建模，在该模型下，网格大小设置为0.4m，采用结构网格，网格图如图2所示。

3.2 控制条件

隧道模型为自然通风静态模型，做了压力仿真，验证无压力差下隧道内风速以及压力分布。前期理论分析可知，在隧道出入口无压力差时，隧道内风速为0，压力差为0。以此为先决条件，将速度与压力的仿真云图输出。

3.2.1 压力边界

压力进口的边界条件需要定义进口的温度、压力、动能耗散率及紊流动能等。在流体仿真分析时，可以根据不同的仿真模式定义对应的边界条件。

3.2.2 空气密度

在对流体进行空气密度定义的过程时应遵守以下设置原则：可压缩的流体直接定义为理想气体状态方程。

3.2.3 定义求解器

定义求解器为3D，稳态，开启能量方程，选用标准k-？着方程以及标准壁面函数，添加 DO 辐射模型，松弛因子选用默认值，压力和速度耦合求解，SIMPLE算法，动量和能量方程选择二阶迎风差分格式;采用压力入口边界，压力出口边界，环境为常态。

定义求解器：在构建模型时选择构建三维模型，所以选择3D求解器。稳态计算是指流场中流体各参数不随时间变化，到达相对稳定的状态;瞬态计算是指流场中某一时刻的运动状态。在倾斜式太阳能棚热数值模拟中，得到的是在给定初始状态下流体达到稳定状态时的结果，所以选用稳态计算。

在计算控制中，松弛因子的输入值如表4所示。

3.3 自然风作用规律分析

仿真方案：模拟分析祥和隧道在36种气候工况下在不考虑横通道状态时（全部默认为横通道关闭）隧道内部的空气流动规律及风速、风量大小。在统计数据时，均匀选取隧道内16个截面作为自然风速检测面，加上隧道出入口，共计18个数据统计点，分析隧道内部不同位置的自然风速分布规律。

3.3.1 风向工况对洞内自然风作用规律

图3 所示为工况1-1-1下隧道局部自然风速度分布。由图3可以看出，工况1-1-1时，隧道内部自然风小于外部自然风，由于山体的阻碍，来自东南方向的自然风只有少部分能吹到隧道内部，故洞口处自然风较隧道内部大，可适当减少隧道洞口处的风机布设。

由仿真结果，对祥和隧道工况1-1-1、1-1-2、1-1-3、1-1-4沿程风速统计如图4所示。

由图4可以看出，同等温度、风速工况下，洞口外部自然风向为东风时隧道内自然风速度最大，东南风次之，北风和西北风洞内自然风最小（约为洞外自然风速的二十分之一）。

3.3.2 风速工况对洞内自然风作用规律

对祥和隧道工况1-1-1、1-2-1、1-3-1沿程风速统计如图5所示。

由图5可以看出，同等温度、风向工况下，洞内自然风速和洞外自然风速呈正相关，其他气候条件相同时，隧道内自然风速随外部环境风速增大增大。

3.3.3 温度工况对洞内自然风作用规律

由图6可以看出，同等风速、风向工况下，洞内自然风速和洞外温度呈正相关其他气候条件相同，隧道内自然风速随外部温度增大而增大。

4 ?结论

针对祥和隧道各种工况下的自然风进行数值模拟，通过分析经过检测断面的速度，分析交通流量不同工况下隧道内自然风速。在统计数据时，均匀选取隧道内十八个界面作为自然风速检测面。

可见不同工况下外部气候环境对自然风的影响是有区别的，通过计算隧道内自然风可以计算其等效机械通风量，减少隧道机械通风所需风量，在一定程度上减轻隧道通风所带来的经济负担。

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