基于流体力学的三维数值模拟隧道通风影响因素研究综述

王阅章 李鸣 宿成智 张立爽 闫少泽

摘  要：随着近年来隧道工程得到不断的高速发展，在隧道开挖过程中的通风方案的优劣影响着整个隧道工程。流体力学软件的发展给如何对隧道通风方案进行优化带来了实际指导意义。本文针对各个学者利用流体力学计算软件进而研究出的影响隧道通风的一些因素的成果进行归纳总结，其研究结论对于隧道施工中通风方案的优化具有实际的工程意义。

关键词：隧道通风  流体力学  三维数值模拟  影响因素

中图分类号：TV554.15                       文獻标识码：A                    文章编号：1674-098X（2020）12（c）-0059-03

Abstract： With the rapid development of tunnel engineering in recent years， the quality of ventilation scheme during tunnel excavation affects the whole tunnel engineering. The development of fluid mechanics software provides practical guidance for the optimization of tunnel ventilation scheme. In this paper， the results of some factors affecting tunnel ventilation obtained by various scholars by using fluid mechanics calculation software are summarized， and the research conclusions are of practical engineering significance for ventilation scheme optimization in tunnel construction.

Key Words： Tunnel ventilation; Fluid mechanics; Three-dimensional numerical simulation; Influencing factor

在交通飞速发展的现代，隧道工程的发展也变得十分迅速。隧道作为一个相对比较封闭的环境其出入口相对比较少、通风照明的条件比较差，并且疏散路线比较长。随着开挖隧道的深度和长度的加大，开挖过程中瓦斯等有害气体的突出现象也十分普遍，因此对于隧道通风影响因素的研究迫在眉睫。随着信息技术的普及，计算流体力学（ Computa-tional Fluid Dynamics，CFD）、FLUENT等有限元软件在各种流体仿真模拟领域得到了广泛使用，国内外也有学者采用该方法在隧道施工通风中并且取得了不错的成果[1]。采用有效的三维数值模拟的方式可以模拟出隧道中瓦斯等有害气体发生突出的位置，并且通过在模型中不断调整通风方案也可以找到最优的通风方式。本文归纳了国内众多学者基于流体力学的三维数值模拟研究出的一些隧道通风影响因素。

1  流体力学数值模拟

数值模拟主要是指利用计算机来获得流体力学和弹塑性动力学模型等一维或三维的线性和非线性偏微分方程、常微分方程、积分方程、泛函方程以及代数方程的一个封闭方程组的数值解[2]。近年来世界上应用最广泛的流体力学三维数值模拟软件就是CFD（Computational Fluid Dynamic）。

现有的流体力学计算软件都经过了大量的工业测试，用户可以节省大量的代码编写时间去专注于所需要解决的物理现象，并且通用的流体计算软件的使用范围比较广泛，用户往往可以只采用一款流体力学计算软件就可以应用于绝大多数的物理现象。

目前国内隧道通风的研究绝大部分都是采用流体力学计算软件对隧道进行三维模拟后改变控制条件得出研究成果。大量学者[3-14]基于实际工程建立隧道通风模型并与实际工程数据进行比对验证了模型的准确性后，更加直观、精准地分析研究出了隧道工程中影响通风的一系列因素。

2  通风影响因素

2.1 风筒直径

王礼、吴超[3，4]等人采用定性定量的方式分析出如果条件允许应尽可能的选择大直径风筒来改善隧道的通风情况。但是风筒直径过大会使工程投资的费用增加，也会减缓施工进程;王凯[5]利用FLUENT对西曲矿8103掘进工作面粉尘测点布置巷道内粉尘进行模拟研究，采用（0.6m，0.7m，0.8m）三种不同直径的风筒进行对比验证得出直径为0.7m的风筒为粉尘浓度最小的最优选择。。李波[6]也通过控制风筒直径为变量，采用FLUENT建立隧道模型进行分析得出，如果采用直径比较大的风筒可以降低风阻同时也可以降低漏风率，但是会增加工程的投资费用。如果采用小直径的风筒，虽可以减少工程投资金额，但是会加大风筒的通风阻力从而增加风机的功耗，最后导致通风系统的工程费用增加。这说明风筒的选择不是一味追求大直径，而是要结合工程实际，考虑经济效益和实际通风量进行选择。

2.2 风筒悬挂位置

张云龙[7]等针对白杨林瓦斯隧道实际工况采用Gambit作为前处理建立隧道模型，研究得出当风管悬挂于单侧时，另一侧的风速明显大于其余区域的风速，这表明另一侧的通风效果较好。而在风管一侧产生了回流区进而大大地影响了其通风效果。刘敦文[8]等根据重庆某公路瓦斯工程实际尺寸利用Gambit建立了三维隧道模型，他们的研究表明风筒分别位于拱腰、拱顶、拱脚这三处不同的地方时，隧道掌子面的瓦斯浓度不同，当风筒悬挂于拱腰处时掌子面的瓦斯浓度明显低于拱顶于拱脚处的掌子面瓦斯浓度。同时由于风筒位置不同也会引起风流场受到改变从而改变了瓦斯的扩散范围。因为，在瓦斯隧道掌子面的作业过程中应将风筒设置在拱腰附近的范围内，可以有效的减少瓦斯的浓度进而提高工程进度。张恒[9]等利用ICEM对鹧鸪山瓦斯隧道进行数值模拟，旨在研究出不同风筒悬挂位置对隧道瓦斯浓度的影响并采用FLUENT进行求解，研究得出由于瓦斯的密度比空气的密度要小，瓦斯更易聚积在隧道的顶部，因而风管布置在较高的位置比布置在较低的位置其掌子面处的风速分布均匀并且更有利于瓦斯的稀释。

2.3 风筒口距掌子面的距离

根据压入式隧道通风的风流射流、回流的特性，将隧道通风的流场主要分为涡流区、涡流影响区和稳定区三个区域。风筒口距掌子面的不同距离会改变隧道中的风流流场，这会改变瓦斯在隧道中的“运移”过程，最终影响瓦斯在隧道中的浓度变化[5]。张云龙[6]等利用CFD模拟隧道并与现场数据比对得出风管末端距离掌子面越大在掌子面降低瓦斯浓度的效果越差，瓦斯的聚集现象就越明显。宋骏修[10]等对隧道通风中粉尘问题运用ANSYS ICEM CFD建立模型研究得出当风筒的位置布置得过大或过小时，粉尘沿隧道的浓度比较大，而当风管的距离布置适中时，隧道通风排尘效果比较好。刘春[11]等利用FLUENT软件建立数学模型并与实际工程数据比对后研究得出同一断面下的瓦斯浓度分布不均匀，隧道中导致回流区发生变化的范围与风筒到掌子面的距离成正相关，并且随着它们的距离加大，瓦斯浓度平稳的地方区域也跟着加大，并发现隧道中瓦斯在隧道中的浓度沿着隧道呈现出“下降-上升-平衡”的分布形式。邱童春[12]也利用FLUENT针对螺旋隧道施工建立模型研究得出风管口越接近掌子面，掌子面的瓦斯浓度就越低，但其周围区域的浓度值就会随之增大。因而风筒口到掌子面的距离应综合考虑。同时张恒[9]等也研究得出不同的风筒距掌子面的距离大大影响了掌子面周围区域的风速，如果风筒口离掌子面太近则会造成掌子面附近的风速有很大的差异;如果风筒口离掌子面太远则会在掌子面附近形成涡流区也会影响瓦斯的排出从而导致掌子面附近的瓦斯浓度升高。

2.4 通风风速

陈乾阳[13]等运用CFD模拟了某客运隧道专线对隧道内部在不同风速下的温度进行研究，模拟结果显示仅仅改变通风速度对隧道内的最大气温没有很多影响，在一定范围内增加隧道的通风速度只会导致隧道内部气温减小的面积越大。当风速超过一定限额之后，气温降低的范围增加幅度变小。邱童春[12]等人的研究则表明风管的通风风速越大，则风管末端瓦斯的浓度就越低。因此在不超过规范所规定的的风速前提下，在工程所能承担的经济范围内，风管的通风速度越大对于降低瓦斯浓度的效果越好，并且能过增大隧道一定的气温降低范围。

2.5 其他因素

除以上常见因素以外，还有研究人员也利用基于三维数值模拟软件从不同的角度来探索影响隧道通风的因素。何坤[14]等基于实际隧道工程利用FLUENT软件建立隧道模型研究了不同隧道掘进长度、断面的尺寸以及洞壁的粗糙高度对通风流场的影响，最后分析表明当隧道掘进长度小于一定范围时仅仅靠压入式通风也能满足最低通风要求;当隧道的掘进长度超过一定范围时，需要采取负压排风辅助通风。同时得出了结论，洞壁粗糙高度对隧道通风影响不大，实际通风中应该注重通风方案以及隧洞长度和断面大小等方面。同时，通风的风量也是影响隧道通风的一个关键因素[15-16]。

2.6 影响因素重要性对比

刘敦文、李波[6，8]对风筒悬挂位置、风筒口距掌子面的距离以及风筒直径的重要性进行正交实验，对比得出三者重要性的排名为风筒直径>风筒悬挂位置>风筒口距掌子面距离。故在考虑优化隧道通风工程时，应优先考虑最佳的风筒直径，再考虑其余两者因素。重要性的排名可以给实际工程中优化隧道通风项目提供参考，可以在同样的投资下获得更好的通风效果。

3  结语

通过以上学者关于影响隧道通风的因素的研究可以证明采用流体力学数字模拟计算软件可以有效、直观的得到数值结果，并且便于对于各个影响参数进行比对分析，从而提高对于隧道通风方案的优化效率进而节约工程成本、提高工程效率。通过流体力学三维数值模拟软件研究得出，在通风方案的设计当中应该注重通风量、通风风速、风筒口距掌子面的距离、风筒悬挂位置、风筒的直径、隧道掘进长度以及洞壁粗糙高度等因素进行综合考虑。在其余影响因素不变的情况下，在考虑对风筒直径、风筒悬挂位置、风筒口距掌子面的距离三者进行通风方案优化时，应把这三者中的风筒直径作为首要优化项其次考虑剩余二者，可以有效的提高工程投资收益。

参考文献

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