城市单舱综合管廊最优通风量的数值模拟

刘士李, 王道静, 刘丽, 殷敏

(国网安徽省电力有限公司经济技术研究院, 安徽 合肥 230007)

0 引言

城市单舱综合管廊的工程建设相比于地面建设具有难度大、投资高的特点，而城市单舱综合管廊的通风系统作为综合管廊工程建设的主要部分，在建设规模上占据的比例比较大，一直以来都是减少投资审查的重点[1]。国外在城市单舱综合管廊最优通风量数值模拟的研究发展非常成熟，已经接近于完善，国外主要从1970年开始研究综合管廊最优通风量的数值模拟，欧洲一些国家以数值模拟理论为基础，通过流体动力学软件来分析模拟管廊的最优通风量，并广泛应用到工程建设的各个阶段[2]；国内针对最优通风量数值模拟软件的开发研究已有二十年左右的历史，数值计算与模拟伴随着计算机技术的应用得到广泛发展，许多学者的实验结果也验证了数值模拟的可靠性，通过对不同数值模拟方法进行比较，得到了综合管廊的最优通风量。

文献[3]分析了分支风量之间的相互关系，通过改进灵敏度矩阵，建立了通风网络故障范围库，利用全覆盖法布置了风速传感器及最优数量，通过数值模拟程序对风速传感器进行了验证，结果表明该方法是可行的，但是该方法不利于污染物气体排放；文献[4]根据地铁隧道电缆的特点，采用数值模拟的方式，对地铁隧道电缆的热解产物在不同的通风模式下的毒害性分析，数值模拟结果显示，该方法可以一定程度确保施工人员的安全，但是有毒物质没有排放到规定范围内，不利于统一管理。

基于以上背景，本文设计了一种城市单舱综合管廊最优通风量数值模拟方法，为城市单舱综合管廊提供安全保障。

1 城市单舱综合管廊最优通风量数值模拟方法设计

1.1 设置最优通风量数值模拟的边界条件

对城市单舱综合管廊最优通风量进行数值模拟之前，先对数值模拟软件初始化，将模拟参数导入到程序中，设置最优通风量数值模拟的边界条件，最优通风量数值模拟的边界条件包括综合管廊风口边界条件、墙面及近地面边界条件以及其他边界条件等[5]。

(1)综合管廊风口边界条件

综合管廊风口边界条件的设置采用综合管廊污染物浓度稀释法，根据污染物稀释结果，得到综合管廊风口的风速v、风向、湍流动能k等参数。选用速度出入口作为送风口和排风口，为综合管廊风口的边界条件提供速度值和方向、气流动能k、气流耗散率ε、气温以及污染物浓度等参数[6]。其中气流动能k和气流耗散率ε的计算式如式(1)—式(3)。

(1)

(2)

l=0.07L

(3)

式中，uavg表示综合管廊中空气的平均湍流速率;I表示气体湍流强度;C表示给定的经验理论值，通常设定为0.09;l表示气体的湍流长度;L表示综合管廊风口的关联尺寸。针对综合管廊处比较充分的气体湍流而言，L通常可以近似于水力直径。

为了使城市单舱综合管廊处于微负压状态，防止综合管廊内部污染物流入周围其他管廊内，综合管廊风口的送风量取排风量值的85%，将综合管廊送风口的风速设置为3.07 m/s，排风口的风速设置为2.87 m/s，以满足综合管廊内部人员的舒适性[7]。综合管廊风口温度取室外通风设计参数，如表1所示。

表1 室外通风设计参数

排风口位于综合管廊的侧面，设置综合管廊内部污染物的初始浓度为3 mg/m3，排风方向为水平向右，排风口处的风速风向为水平向左。

(2)墙面及近地面的边界条件

将综合管廊墙面和近地面的空气流动速度看作是零，与此对应的气流动能k和气流耗散率ε的值也是零，综合管廊内的气体压强值也为零，将综合管廊的墙体设置为绝热体，不让其与外界发生热传导和热交换。k-ε模型对于充分发展的气体湍流才有效，而壁面函数的引入是对近地面和墙壁区的半经验描述，但是考虑到近地面与墙壁区域的粘性影响，壁面函数可以将近地面和墙壁区与空气流体的核心区域联系起来，从而设定墙面及近地面的边界条件[8]。

(3)其他边界条件

城市单舱综合管廊最优通风量的数值模拟中，将污染源设置在综合管廊的车道上，根据车道流线布置，将污染源简化为3.6 m的带状污染源，空气散发量的大小根据车道上不同路段的实际散发量来设定，而综合管廊出入口边界与外部气流直接相通，将综合管廊出入口选定为外部气压值的边界条件。

在初始化数值模拟软件的基础上，利用室外通风设计参数，设置了综合管廊风口的边界条件，结合墙面及近地面边界条件和其他边界条件的设定，完成最优通风量数值模拟边界条件的设置[9]。接下来通过消除余热、污染物放散量以及换气次数3个方面，来计算城市单舱综合管廊的最优通风量。

1.2 计算城市单舱综合管廊最优通风量

计算城市单舱综合管廊最优通风量的方式有很多，城市单舱综合管廊最优通风量的计算包括正常最优通风量计算和异常最优通风量计算。通过设计城市单舱综合管廊的模拟示意图，来计算城市单舱综合管廊的最优通风量[10]。城市单舱综合管廊模拟设计图如图1所示。

图1 城市单舱综合管廊模拟设计图

一般情况下，城市单舱综合管廊的正常通风量是根据综合管廊内部余热量或污染物气体的放散量来计算，通常取两者之间的最大值作为城市单舱综合管廊正常状态下的最优通风量，消除余热最优通风量的计算式和污染物气体放散量的最优通风量计算式如下。

(1)消除余热的最优通风量计算

假设城市单舱综合管廊在正常状态下，开通n条管廊，单条管廊的散热量为100kW，散热总量为Q=100×103n，可以计算得到消除余热的最优通风量为式(4)。

(4)

式中，a表示综合管廊内部的设计温度，单位℃；b表示四季通风计算温度，单位℃；C表示比热容;ρ表示综合管廊内部空气密度;Δt表示温度差。

(2)排除污染物气体放散量的最优通风量计算

同样假设城市单舱综合管廊处于正常状态下，计算最优通风量为式(5)

(5)

式中，L表示最优通风量，单位m3/h；W表示污染物气体的最大放散量，单位kg/h；LEL表示污染物气体的排放下限，单位mg/m3；K表示综合管廊的安全系数，最小取值为4；T表示综合管廊的环境温度，单位℃。

在计算消除余热和排除污染物气体放散量的最优通风量的基础上，采用全面通风的方式，计算综合管廊的进风量和排风量，使综合管廊内部的污染物浓度降至最低[11]。当综合管廊处于全面通风状态时，综合管廊内部的污染物气体浓度值基本保持不变，令综合管廊内部的污染物气体浓度为C，污染物气体量为G，综合管廊通风系统在开启dτ时间段内，最优通风量的有质量平衡方程如式(6)。

(6)

式中，G表示综合管廊内部污染物气体的散发量，单位mg/h；C0表示污染物气体的浓度，单位mg/m3；V表示污染物气体的体积。

当综合管廊通风系统开启t段时间之后，污染物气体浓度就会从室外的浓度C0转变成C，因此就形成了式(7)。

(7)

对式(7)求积分，可以得到式(8)。

(8)

当通风系统的开启时间趋近于无穷大时，综合管廊内部的污染物气体浓度就会越趋于稳定[12]，那么就可以计算城市单舱综合管廊的最优通风量为式(9)。

(9)

从式(9)可以看出，影响城市单舱综合管廊通风量的因素有很多，污染物气体浓度是影响最优通风量的直接因素，通风标准越苛刻，最优通风量就会越大。

以上模拟了城市单舱综合管廊的设计图，计算了消除余热和排除污染物气体放散量的最优通风量，在此基础上，采用全面通风的方式，计算了城市单舱综合管廊的最优通风量[13]，接下来通过建立综合管廊最优通风量数值模拟模型，来实现综合管廊最优通风量的数值模拟。

1.3 数值模拟综合管廊最优通风量

在数值模拟综合管廊最优通风量之前，需要引入数值模拟程序，将综合管廊最优通风量的边界条件、求解得到的最优通风量数值导入到数值模拟程序中，利用数值模拟程序求解，来求出数值模拟最优通风量。数值模拟程序的求解流程如图2所示。

图2 数值模拟程序的求解流程

根据数值模拟程序的求解流程，通过建立能量守恒方程，来求出数值模拟综合管廊的最优通风量[14]。k-ε模型中的k还可以通过式(10)来取值计算。

(10)

利用k-ε模型中的ε可以将粘度系数μt与k结合，即式(11)。

(11)

式中，Cμ表示经验常数。

为了得到综合管廊的温度分布和通风能力，利用数值模拟求解得到综合管廊的最优通风量守恒方程为式(12)。

(12)

基于以上求解过程，得到了综合管廊最优通风量的数值模拟流程，如图3所示。

图3 综合管廊最优通风量的数值模拟流程

综上所述，先初始化数值模拟软件，通过设置综合管廊风口边界条件、墙面及近地面边界条件以及其他边界条件，计算了城市单舱综合管廊最优通风量，利用数值模拟程序求解，实现了综合管廊最优通风量的数值模拟[15]。

2 实验对比分析

2.1 速度场的通风效果对比分析

城市单舱综合管廊的通风，要求通风系统必须具备全面均匀的布置，在最优通风量的数值模拟实验中，利用文献[1]数值模拟方法和文献[2]数值模拟方法作为实验对比对象，得到了速度场的分布结果，如图4所示。

从图4的实验结果可以看出，提出的数值模拟方法在速度场的分布比较均匀，而采用文献[1]和文献[2]的数值模拟方法，在速度场的数值分布不均，主要集中在一处。可见，城市单舱综合管廊内的空气流量均匀度明显好于文献[1]和文献[2]的数值模拟方法，使得综合管廊的排风口都可以充分发挥作用，排风口处每一股空气流之间没有混杂，该方法虽然不会将从排风口出来的污染物气体带到室外，但是将污染物气体进行了稀释，从而使排风口下面的气体浓度降低，效果明显优于文献[1]和文献[2]的方法，整体的稀释效果较好。

(a)提出的数值模拟方法

2.2 浓度场的通风效果对比分析

不同数值模拟方法下，浓度场的通风效果分布图如图5所示。

(a)提出的数值模拟方法

从图5的实验结果可以看出，文献[1]和文献[2]的数值模拟方法在浓度场的通风效果分布不均匀，主要集中在50-70 m3,而且整体数值都大于提出的数值模拟方法，不仅只有综合管廊的落客平台处浓度区域大，浓度数值也相对较高，而提出的数值模拟方法在浓度场的通风效果分布均匀，数值普遍较低，浓度数值大就不能满足人员对综合管廊的空气质量的要求，而提出的数值模拟方法可以将综合管廊内的分量送到需要的地方，具有很强的优越性。

2.3 压强场的通风效果对比分析

不同数值模拟方法下，压强场的通风效果分布图如图6所示。

(a)提出的数值模拟方法

从图6的实验结果可以看出，文献[1]和文献[2]的数值模拟方法在综合管廊压强场的通风效果分布不均匀，有的地方数值高，有的地方数值低，且高数值集中在一个区域，处于微负压状态，压强场的通风效果分布与速度场的分布结果基本是一致的，但是提出的数值模拟方法在压强场的通风效果分布是非常均匀的，这样就会导致综合管廊内的空气流动的扰动加强，有利于气体污染物的扩散，说明提出的数值模拟方法对综合管廊内部的气流有明显的扰动，具有良好的通风效果。

综合以上实验结果可以看出，无论是在综合管廊的速度场、浓度场还是压强场，提出的数值模拟方法都具有良好的通风效果。

3 总结

本文提出了城市单舱综合管廊最优通风量数值模拟研究。利用室外通风设计参数，设置了最优通风量数值模拟边界条件，通过模拟城市单舱综合管廊的设计图，计算了城市单舱综合管廊的最优通风量，结合综合管廊最优通风量数值模拟流程，实现了城市单舱综合管廊最优通风量的数值模拟。实验结果显示，提出的数值模拟方法具有良好的通风效果。