综合管廊电力舱温度场的数值模拟研究

李 哲 高 锴 张 晨 黎仁贺

（1中国市政工程华北设计研究总院有限公司 天津 300000 2天津大学环境科学与工程学院 天津 300000）

引言

随着我国社会经济的不断发展，城市化进程的不断推进，地下综合管廊作为一种综合市政工程正处于迅速发展时期[1]。2015年前，我国已建成的城市地下综合管廊不足100 km，截至2017年底，我国综合管廊开工已达4700 km，截至2018年4月，我国拟在建综合管廊里程已超7800 km[2]。

综合管廊为密闭的地下建筑，为了保障管线及控制设备在适宜的环境中正常运行，也为确保检修与巡视人员能够处于安全卫生的环境中，需要通过自然通风、机械通风等手段实现管廊通风换气，提高管廊环境空气质量。但是自然通风方式的效果受地面上环境的影响和限制，通风量较小，无法有效地控制管廊内气流组织，通风效果差、效率低。机械通风方式使人们能够有组织地对管廊进行送排风，有效地排出余热，避免事故的发生[3]。

目前在管廊通风系统的设计中，电力舱的通风量大多是根据《GB50838-2015城市综合管廊工程技术规范》中规定的换气次数和排出余热所需最大值确定[4]，较少考虑到通风区间向土壤中散热的影响；通风区间长度则是根据防火分区的要求确定为200m。综合管廊通风区间通风量和长度的设计问题上还没有比较完善的设计方法，已有众多研究学者从技术、经济和景观效果等角度分析得出，适当加长通风区间的长度具有一定的可行性和优势，有利于节约投资成本，减少对地面景观的影响，但针对不同通风区间长度的划分对管廊内温度变化的影响研究相对较少[5]。因此本次研究利用ANSYS FLUENT软件，针对综合管廊电力舱在机械通风方式下，研究不同通风区间所需的最小换气次数和舱内温度场的分布[6]。

1 模型的建立

1.1 物理模型

本次模拟选取天津市某综合管廊的电力舱作为研究对象，该电力舱通风区间的一个典型断面为6m2，宽为2m，高3m的矩形断面。舱室内的电缆为10kV电缆，分5层布置在电缆舱的一侧，每层4根，共20根。电力舱的典型断面图如下图1所示。

图1 电力舱典型断面图

图2 电力舱机械通风物理模型立体图

在此次模拟中，以1：1的比例对电缆舱进行建模，将电缆舱简化为宽X=2m，高为Z=3m，长度Y随工况变化的长方体，将每层电缆简化为5个宽为0.5m、长为管廊长度的长方形散热面。将进出风口简化为矩形平面，长为3m，宽为1m，分别设置在舱室的两端。简化后的电缆舱模型如图2所示。

1.2 数学模型

为使求解方便，忽略影响较小的次要因素，在对地下综合管廊进行通风散热计算模拟时，作出如下假设：地下综合管廊埋深较浅，壁面受气温影响较大，假设电缆舱的壁温为空气温度；管廊电力舱内部热源电缆均匀散热；管廊电力舱内的舱壁（混凝土）、电缆等材料均为各项同性均匀的材料；管廊内部空气流速较小，假设空气为不可压缩流体。

为了保证在室外通风计算温度的不利工况下，通风系统能够满足要求，本文以室外通风计算温度作为模拟的室外工况进行三维稳态计算。在该问题中，气体流动过程遵循的方程有：总的质量平衡方程、动量平衡方程和能量平衡方程。该问题的数学模型如下[7]：

（1）控制方程

式中，ρ— 空气密度，kg/m3；

τ— 时间，s；

vx，vy，vz— 流体在x，y，z方向上的速度分量，m/s；

μ— 空气的动力粘度，Pa·s；

Sx，Sy，Sz— 广义源项，在本次模拟问题中，均为0。

t— 流体温度，℃；

λ— 空气导热系数，W/m·K；

cp— 空气定压比热，J/kg·K；

Rr— 源项，即舱内电缆的散热量。

由于数值计算采用的是雷诺时均法，为了得到求解结果，在计算过程中还需使用湍流模型，本次使用的是Standard k-ε模型。

（2）边界条件

由于土壤传递热量的能力差，地下温度通常与当地的年平均气温相关性较大。综合管廊通常位于地下，其壁面温度也较低，但在夏季壁面温度必定低于地上空气温度[8]。考虑最不利工况，本次模拟工况为夏季工况，设该壁温为天津市夏季室外计算通风温度，29.9℃，即303.05K，即舱内壁面温度：Twall=303.05K。

舱内电缆的散热量为300W/m，由于上文将每层电缆简化为5个宽为0.5m、长为管廊长度的长方形散热面，计算得电缆表面热流密度：q=120W/m2。

入口边界条件：速度边界条件。

出口边界条件：自由出流。

在本次电缆舱通风模拟中，涉及到混凝土（舱壁）、电缆、空气这三种材料，其物性参数如表1所示[9]。

表1 材料物性参数表

其中，管廊混凝土壁面和电缆表面的粗糙度△=0.05mm。

软件采用有限体积法对控制方程进行离散，离散后的代数方程使用SIMPLE算法进行迭代计算，收敛准则为各物理量的残差值小于10-6。

1.3 网格划分

本文用ANSYS ICEM CFD软件对物理模型进行六面体结构化网格划分，由于靠近送排风口处受外部环境影响，风速变化较大，对靠近送排风的舱壁和电缆壁面位置的网格进行局部加密。电力舱机械通风的物理模型网格划分如图3所示。

图3 模型网格立体图

2 数值模拟研究

2.1 工况设置

为了研究不同通风区间长度、不同换气次数对管廊内部空气温度分布的影响，本次模拟所进行的具体研究工况设置见表2。

表2 机械通风数值模拟研究工况表

2.2 管廊内温度场分布

下面以工况3为例来分析管廊内的温度场分布。图4为工况3沿管廊长度方向的温度分布，可以看出，由于电缆的沿途散热，沿管廊长度方向，温度逐渐升高。图5为工况3沿管廊长度方向不同位置的断面温度分布图，可以看出，在靠近散热源电缆处，由于电缆的热流密度较高，向周围传递热量较多，电缆周围空气温度较高，在电力舱宽度方向上，即X方向上，距离电缆越远，空气温度逐渐降低。

工况3对应的断面风速为0.67m/s，风速较低，电缆散热导致局部空气温度较高。随着断面风速的增大，电缆与空气的对流换热增强，横截断面的温度场分布发生变化。图6选取具有不同通风速度的工况3、工况7、工况10和工况15进行对比，各工况的断面风速依次递增。由图6可以看出，断面风速较小时，电缆周围及各层电缆之间温度最高，随着断面风速的增大，空气对电缆的对流冷却作用逐渐增强，空气温度最高点的分布发生变化，从电缆周围开始逐步转移至舱内中心，再移至靠近排风口处，电缆散热被有效排出。

图4 工况3沿管廊长度方向的温度分布图

图5 工况3管廊不同位置处的X-Z截面温度分布图

图6 典型工况距排风口1m处断面温度分布图

2.3 通风区间长度与换气次数对管廊内温度场分布的耦合影响

为了研究换气次数对综合管廊电力舱内温度分布的影响，在各工况中选取通风区间长度相同，换气次数不同的工况进行对比，所选取的通风区间长度分别为200m、400m、600m和1000m，得到各组工况中沿管廊长度方向上各截面的平均温度，具体数据如图7所示，可以看出：

（1）相同长度的通风区间，换气次数越大，距送风口水平距离相同的截面处，其平均温度越低。

（2）由于电缆的沿途散热，沿管道长度方向温度逐渐升高，但是升高趋势逐渐变缓。这是因为，随着温度的升高，舱内空气与舱内壁面的温差越大，舱壁对空气的冷却作用增强，因此电力舱内温度上升的梯度减小。

（3）每个工况下的管廊末端，空气温度的下降相对剧烈，这是由于本次模拟的物理模型中管廊末端设为舱内壁面，在管廊末端，壁面对空气的降温作用突出；并且当通风量增大，管廊末端空气温度下降更剧烈，可见风速的增大强化了空气与壁面的对流换热。

图7 不同换气次数下截面平均温度沿管廊长度方向变化值

根据《GB50838-2015城市综合管廊工程技术规范》和相关条例[10]，通风系统要及时排出管廊内各种管线的余热，控制管廊内的温度最高不超过40℃，管廊通风量应取排除余热所需通风量和正常通风换气次数的最大值，正常通风时的换气次数取2次/小时。通风量越大管廊内温度越低，但是通风量的增大会使管廊入口处与舱内通风阻力均增加[11]，风机能耗也随之增加，因此在满足通风要求的前提下应选择较小的风量。以此为依据，根据表2所列研究工况的数值模拟结果，通风区间长度从200m到1600m的13个工况中，不同通风区间长度下满足通风要求最小换气次数的工况分别为工况3、工况5、工况7、工况10、工况12和工况13。通风区间长度大于1600m后，排除余热所需的换气次数均小于2次/小时。不同区间长度所需的换气次数值如图8所示。

图8 不同通风区间长度所需换气次数和断面风速

从图8可以看出：管廊电力舱通风区间越长，在满足通风要求的前提下所需的换气次数越小。这主要是因为随着通风量的增大，舱内断面风速逐渐增加，空气与内壁的对流换热系数增大，单位通风量的换热能力增强，因此所需换气次数随着通风区间长度的增加逐渐减小。

结语

使用ANSYS FLUENT，模拟得出在不同通风区间长度、不同换气次数下，电力舱通风区间内的风速和温度分布，并对其进行分析得出如下结论：

（1）由于电缆的沿途散热，沿管廊长度方向，温度逐渐升高，在电力舱宽度方向上，随着距电缆的距离增加，空气温度逐渐降低。

（2）随着通风风速的增大，舱内壁面与空气的对流冷却作用逐渐增强，空气温度最高点的分布由电缆周围及各层电缆处逐步转移至舱内中心，再移至靠近排风口处，电缆散热被有效排出。

（3）综合考虑通风效果和能耗，通风系统应在满足通风要求的前提下尽量减小总风量，降低能耗。以此为依据，本文得出了不同通风区间长度所需的换气次数，数值显示，电力舱通风区间越长，该区间所需的换气次数越少。