猫头岭高铁隧道通风设计.docx

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猫头岭高铁隧道通风设计

猫头岭高铁隧道通风设计

1、相关定义

1.1、通风网络图的基本概念

1、支路支路是表示两个通风节点之间的线段,线段的方向代表风流的方向。

支路赋的参数有:

风阻、风量、风压等,也可对通风网络中的支路赋以权值。

进风井口与回风井口之间的大气支路即虚拟支路,一般用虚线段表示。

2、节点节点是指通风网络中两条及两条以上风道支路的交点。

所有的节点都有编号,称为节点号,节点号不能重复。

通风网络图中用圆圈及编号来表示节点。

3、回路在通风网络图中由两条及两条以上的通风支路首尾相连而形成的闭合回路称为回路。

单一的回路称为网孔。

4、树树是包含通风网络图中的所有节点,但是任意的两个节点之间至少有一条支路与不形成回路的的支路构成的一种网络图;除树的网络图余下的支路构成的网络图称为余树。

如图3-1所示的实线图表示树,虚线部分表示为余树。

18长安大学硕士论文图3.1树和余树5、独立回路通风网路图中的树及其余树的一个支路形成的回路,称为独立回路。

如图3-1（a）中的树与余树枝支路5、2、3能够形成的三个独立回路分别为:

5-6-4、2-4-6-7-8-1和3-6-7-8-1。

1.2、CFD的概念

CFD是英文ComputationalFluidDynamics（计算流体动力学）的简称。

它以数值计算为基础,对流体流动,热量传递以及化学反应等现象进行分析模拟的一种仿真技术[62]。

它是建立在经典流体动力学与数值计算方法基础之上的一门新型独立学科。

CFD的基本思想可以归纳为:

把原来在时间域及空间域上连续的物理量的场,如速度场和压力场,用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替,通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组,然后求解代数方程组获得场变量的近似值[63][64][65][66][67][68][69]。

可以认为CFD是天津大学硕士学位论文第三章隧道通风空气动力学研究的理论基础-31-现代模拟仿真技术的一种,是进行”三传”（传热、传质、动量传递）及燃烧、多相流和化学反应研究的核心和重要技术,广泛应用于热能动力、航空航天、机械、土木水利、环境化工等诸多工程领域。

CFD技术的兴起推动了流体力学研究工作的发展。

自从1687年牛顿定律公布以来,直到20世纪50年代初,研究流体力学的主要方法是两种:

一是理论分析方法——利用简化的流动模型假设,给出所研究问题的解析解或简化方程。

另一是实验研究——以地面实验为研究手段;理论分析方法的优点在于所得结果具有普遍性,各种影响因素清晰可见,是指导实验研究和验证新的数值计算方法的理论基础。

但是,它往往要求对计算对象进行抽象和简化,才有可能得出理论解。

对于非线性情况,只有少数流动才能给出解析结果。

实验测量方法所得到的实验结果真实可信,它是理论分析和数值方法的基础其重要性不容低估。

然而,实验往往受到模型尺寸、流场扰动、人身安全和测量精度的限制,有时可能很难通过实验方法得到结果。

此外,实验还会遇到经费投入、人力和物力的巨大耗费及周期长等许多困难。

而CFD方法恰好克服了前面两种方法的弱点,在计算机上实现一个特定的计算,就好像在计算机上做一次物理实验。

例如,机翼的绕流,通过计算并将其结果在屏幕上显示,就可以看到流场的各种细节:

如激波的运动、强度,涡的生成与传播,流动的分离、表面的压力分布、受力大小及其随时间的变化等。

然而更重要的是计算流体力学采用它独有的新的研究方法——数值模拟方法来研究流体运动的物理特性,数值模拟可以形象地再现流动情景,与做实验几乎没有区别。

随着实际的需要,计算流体力学已发展成为流体动力学第三种研究方法。

它的兴起促进了实验研究和理论分析方法的发展,将实验研究和理论分析方法联系起来,为简化流动模型的建立提供了更多的依据,使很多简化方法得到了发展和完善。

随着计算机工业的迅速发展,计算速度的不断提高,CFD作为一门独立的学科在近三十年来已经成为流体力学与应用数学的热门研究内容,在传热与流体流动问题的研究中起着越来越重要的作用[70]。

本章首先就CFD的发展历程进行了简单的回顾,在此基础上,详细介绍了CFD计算方法和原理,以及网格的生成和后处理,以期能为后几章的CFD模拟研究提供必要的理论依据。

1.3、浓度的概念

系统中浓度的不均匀性是传质的动力,我们要研究传质的规律,必须先要建立浓度的概念。

在二元或多元混合物中,单位体积所含组分的量的多少,习惯上通常浓度。

在工程热力学中曾用质量的公斤数和摩尔数来计量物质的量,因此就有了质量浓度和摩尔浓度的概念[52]。

在单位容积中所含某组分的质量称为该成分的质量浓度,用符号Ci表示,单位是kg/m3。

设有A,B两种物质组成的二元混合物,则:

天津大学硕士学位论文第三章隧道通风空气动力学研究的理论基础-26-AACM=V（3-18a）BBCM=V（3-18b）式中,MA,MB-分别是组分A,B在容积V中的质量,kg。

空气中各种气体的浓度通常采用混合比单位表示法（包括体积混合比或质量混合比,一般较多的采用体积混合比表示）[53]。

用混合比单位可表示空气中某种成分的含量,这种表示法可不因空气温度和压力的变化而变化。

常见单位为ppm,表示百万分之一,即10-6。

单位体积内物质的质量数Y表示法在空气污染监测和控制方面常用的单位,通常用mg?

m?

3表示,即:

33Y（mg?

m?

）=空气污的染取物样重体量积（g（）m3）×10上述两种单位的换算,即表示为:

X（ppm）Vt（L）Y（mgm3）M=×?

?

（3-19）式中:

M-物质的分子量;Vt-标准大气压下（101325Pa）,温度t时气体的摩尔体积,L或m3。

表3-1列出气压为1013.25百帕时不同温度下气体的摩尔体积表3-1不同温度下气体的摩尔体积（气压101325Pa）t（℃）Vt（L）t（℃）Vt（L）0510152022.4022.8123.2223.6324.04253035404524.4524.8625.2725.6826.09

1.4、相关概念

室内某一点的采光系数为En/Ew的比值。

其中,En代表在全阴天空漫射光照射下,室内给定平面上的某一点由天空漫射光所产生的照度（lx）。

Ew代表在全阴天空漫射光照射下,与室内某一点照度同一时间、同一地点,在室外无遮挡水平面上由天空漫射光所产生的室外照度（lx）。

采光系数主要用于判断建筑采光设计把昼光引入室内的效率。

1.5、研究背景及相关概念界定

研究背景随着社会经济和城市建设的发展,人们对生活环境品质的要求也越来越高。

从早期单纯地追求室内环境的舒适性转而对室外环境舒适性的关注。

公交站台作为城市交通空间的重要区域,其不但是一个单纯的等候空间,同时也是维持一个城市正常运转的重要工具,成为社会各行各业、各个阶层的人员共同关注的焦点,其室外的热舒适性自然成为设计师和其中活动人员关注的焦点。

本课题的研究来源于全球对于生态和谐的城市环境建设的要求。

随着世界人口的急剧增长,能源危机益加重、环境问题更加凸显,可调配的资源日益紧缺。

1,社会背景:

人类和环境的关系已进入一个危机四伏,人们急切呼唤一个可持续发展的社会。

今天,建筑技术的不断发展,使得人们有可能将室内的建筑空间从大自然中孤立出来,通过空调系统和通风系统达成室内环境的热舒适。

然而,对于室外环境,人们是无法依赖于空调的使用来达成热舒适性的。

建筑遮阳作为炎热地区建筑节能的重要环节,在节约能源,降低空调能耗,协调采光以减少照明用能,保护生态环境,促进可持续发展等方面有着巨大的推动作用。

2,现实背景:

自古以来直到今天,室外的公共空间一直是人们交流的场所,步行的场所,生活的一部分。

公交车站台空间作为人们经常身处其中并频繁使用的外部空间,其在热舒适方面是否满足人们对于热环境的需求,是需要设计师仔细考虑的问题。

3,建筑背景:

从建筑的角度来看,今天受到广泛关注的生态建筑,很大程度要上需要建筑和建筑之外的环境进行物质和能量的交换,然而,如果建筑室外的环境状况堪忧,那么建筑也是不能”独善其身”的。

因此,建筑外部良好的小气候环境是能为建筑内部的良好室内环境做出贡献的。

4,生理舒适度要求:

据《人与住宅》一书资料显示,当室内温度达到28℃,相对湿度为70%情况下,只有当风速达到0.4m/s时,人的感觉才在舒适1的范围,也就是说适当的空气流动是室内热环境舒适性的必要条件。

1而冬季增加室内通风将保持室内干燥,使空气接触人体皮肤时减少蒸发散热也会增强舒适感。

5,地域背景:

厦门处于中国热工分区的夏热冬暖区,冬季,西伯利亚的寒流南下数日可抵达厦门泉州,导致降温;夏季,西太平洋的热带气旋进入闽南,可以为福建东南沿海带来充沛的降水。

因此对于车站站台的热环境研究对于站台热舒适性意义非常重大。

1.6、相关概念界定和研究的基础

1.2.1相关概念界定1.2.1相关概念界定《高层民用建筑设计防火规范》（GB-50045-95）总则中对高层建筑的定义为:

十层或十层以上的居住建筑（包括首层设置商业服务网点的住宅）。

其中广义的高层住宅建筑又分为一类高层住宅建筑和二类高层住宅建筑,根据《高层民用建筑设计防火规范》（GB-50045-95）分类标准:

居住类建筑中十九层及其十九层以上为一类高层建筑,十层至十八层的住宅为二类高层住宅。

笔者认为鉴于重庆地区的高层住宅建筑多以一类高层居多,文章主要以一类高层点式住宅建筑为研究对象,结合遮阳和通风系统探讨重庆地区点式高层住宅的设计策略。

1.7、隧道与立交间距的定义

隧道通常是指在既有的土石结构或建筑中开挖出来的工程建筑物,供交通立体化、穿山越岭、地下通道、越江、过海、管道运输、电缆地下化、水利工程等使用。

而公路隧道是专供汽车运输行驶的通道。

隧道的修建在改善高速公路技术状态、缩短运行距离、提高运输能力、减少事故等方面起到重要的作用。

因此隧道是高速公路必不可少的组成部分。

立体交叉（全称:

立体交叉桥梁）是在平面交叉不能解决道路交通拥挤、服务水平低的情况下,将两条或多条路线在不同平面上相互交叉连接的人工构造物。

它的优点是大大地提高了交叉口的通行能力;在保证交通安全的同时,提高行车速度,减少时间延误;具有设施功能和较强的管理功能。

根据匝道的布置方式和交通功能,立体交叉又分为互通式立交和分离式立交。

而高速公路上的常采用的立交形式为一般互通式和枢纽互通式立体交叉,它是允许合并设置收费站或在被交叉公路的匝道端采用平面交叉,这就是本文重点研究的对象。

隧道与立交的最小间距是在保证隧道与立交之间的行车安全、服务水平和运营效率的前提下车辆运行需求的距离极小值。

它是在特殊情况下（用地受限、特殊需要等）保证交通运行不至于恶化的最低要求。

本文根据国内标准、规范和设计惯例,定义隧道洞口与立交匝道口之间的距离,即隧道与立交净距和减速车道长度之和（隧道出入口至立交分流鼻端的距离）,隧道与互立交的间距如图2-1所示:

各组成部分说明如下:

①隧道和立交的构造长度、变速车道长度、匝道区长度均指相对应的主线长度,立交单侧构造长度为构造长度的一半;②根据工程设计的一般操作,变速车道的长度取规范所规定的最小值;③匝道区的长度是指以变速车道终点（或起点）为起点到立交的交叉点（主线和横向道路交叉）所对应主线的长度。

我国《公路通行能力手册》中指出,匝道连接处或交织区对直行交通的影响范围认为:

①进口匝道:

从匝道连接处起,其上游,下游的范围为进口匝道影响范围;②出口匝道:

从匝道连接处起,其上游,下游的范围为出口匝道影响范围;9③交织区合流点上游巧为交织区的起点,分流点向下游为交织区的终点。

减速车道长度匝道区长度隧道影响区立交转换区隧道与立交的间距图2-1隧道与立交间距示意图

1.8、MTU定义

MTU（MaximumTransmissionUnit）最大传输单元,是指一种通信协议的数据包在数据链路层上封装成帧时,所能通过的最大数据包的大小,以字节为单位。

在因特网协议中规定了MTU指的是数据包的有效载荷,而不包含帧头。

对于不同的网络协议,MTU的值是不同的,以太网规定MTU值为1500字节。

1.9、交通属性定义

1）建立仿真道路模型图5.7道路定义Fig5.7Definitionofroad主要定义路段长度、车道数、车道宽度、纵坡、平曲线等。

2）期望车速（初始车速定义）期望车速是车辆进入系统后如果没有其他车辆或交通规则的干扰时车辆可长时间维持的车速。

定义时依据依托工程的实际数据。

74图5.8期望车速和分布曲线Fig5.8Expectationsofthevehiclespeedandthedistributioncurve3）交通构成交通构成包括多种车辆类型及在输入交通流量中所占的比例,各种车的组成比例和车速分布如图6-3所示。

图5.9交通构成和车速分布Fig5.9Trafficconstitutionandthespeeddistribution4）驾驶行为的定义75图5.10驾驶行为定义Fig5.10Definitionfordrivingbehaviour驾驶行为的定义包括跟车行为、车道变换、横向行为、改变饱和流率等。

5）其余的交通流量、加减速特性、车辆尺寸等交通特征参数可根据实际需要设置。

2、相关背景

2.1、研究背景

我国是一个多山的国家,特别是在西部地区,地质条件复杂,制约了高速公路的发展。

截至2007年底,我国公路隧道总数已达1782座,总长度为704千米,是世界上公路隧道最多的国家。

当前,高速公路正在西部地区大量修建,为了缩短里程,降低坡度,改善线形,减少自然灾害影响,保护自然生态环境,高速公路的建设中出现了越来越多的长大隧道[1]。

随着长大公路隧道的建设,隧道运营安全问题一直备受关注。

隧道中的不安全事件应及早预测、鉴别、清除,以最大限度减轻可能造成的损失。

现有的公路隧道控制系统通常按照相对固定的方案运营,不能与隧道的具体运营环境、气候条件及交通流量等动态特性相适应。

同时,隧道控制系统采集的数据具有较强的非线性特点,控制方式具有明显的滞后性。

大量的检测数据因缺乏及时处理和分析而无法发挥其内在价值,浪费了大量数据资源。

针对上述情况,隧道控制系统需要改进,要综合考虑隧道的各种运行环境参数以及历史的传感器检测数据。

时间序列分析[4]指从大量具有时间特性的数据中发现有价值信息的算法及实现技术,是一个极具挑战性并有重要应用前景的研究领域。

利用时间序列预测技术,可以稳定可靠地分析传感器采集的历史数据,挖掘出公路隧道中一氧化碳浓度（CO）、能见度（VI）、车流量等数据的时序特点和规律,从而可以预测隧道环境的未来趋势,预先做出有效的控制策略,以达到保证隧道安全运营之目的。

开展基于时间序列预测的隧道通风控制技术研究,可以有效提高道路运营安全,有积极的现实意义和长远意义。

2.2、研究背景

露在颗粒物质中,对人体健康有着很大的影响[1,2],甚至导致各种疾病、死亡率增加[3,4]。

我国卫生标准规定,室内可吸入颗粒物日平均最高容许浓度为0.15mg/m3[5]。

然而,据监测,某大型购物中心13个室内采样点的室内可吸入颗粒浓度有9个超出国家日平均标准,有两个接近日平均标准[6]。

甚至,某些餐馆中的可吸入颗粒浓度超过1mg/m3[7]。

要从根本上改善室内空气的质量,必须对室内颗粒的扩散分布特性进行深入的研究。

而颗粒在空气中的扩散是一个非常复杂的过程,影响室内颗粒扩散分布的因素很多,分析这些因素的影响及其程度,从而掌握颗粒的扩散规律,对于准确预测颗粒浓度分布有着十分重要的意义。

通风技术是用于排除建筑物内部有害气体和颗粒物的常用方法。

不同的通风形式有着不同的气流组织,而颗粒在不同气流组织中的扩散和分布是不同的[8]。

健康是人类发展的永恒主题,模拟室内颗粒的扩散特性,对室内颗粒扩散分布进行系统、全面的了解,并结合通风空调技术来研究控制或减轻室内颗粒物的危害,建立健康舒适的室内空气环境是值得探讨的课题。

2.3、课题研究背景

新中国造纸工业经过建国60多年来的发展,历经了从无到有、从小到大、从粗放到精细、从落后的传统工艺到现代化先进制造业的变迁。

造纸总产量从建国初期的每年十几万吨发展到2008年的近八千万吨,产量质量稳步增长。

中国造纸产业在全世界排名从较落后的国度跃居当今的世界前茅[1-2,32]。

2008年据有关统计:

美国产量为7960万吨,而中国造纸业以当年总产量7980万吨超过美国,成为全世界造纸业第一产能大国,同时也是纸张消费第二大国[33]。

到2009年,中国造纸产量继续创造高速增长,全年纸和纸板产量9389万吨,同比增长12%,进一步保持了全世界造纸业产量第一的地位。

有关方面预测,我国产量持续增长而西方发达国家产量小幅萎缩的势头仍将维持相当长时间,在今后相当长时间里我国造纸行业仍将维持着全世界第一年产量的头衔。

眼下我国造纸业正从世界造纸产能大国向造纸业强国迈进。

目前,中国造纸工业正在初步形成一个较为完善的现代化工业体系,在满足国民经济发展、保证有效供给、出口创汇的同时在注重保护生态环境等方面取得了进步。

近年来美国、日本、中国的纸及纸板消费量水平增长情况如图1.1[34]美国纸及纸板消费量中国纸及纸板消费量10000日本纸及纸板消费量900080007000万吨60005000产量40003000200010000年份200120022003200420052006200720082009图1.1中国纸与纸板消费水平图1.1反映了近十年内中国、美国、日本三国纸与纸板消费水平走势图,从图1.1可以看出,中国的年造纸产量每年都在增长,2008年年产量为7980万吨,比2007年年产量7500万吨,增长了6.4%,2009年年产量9389万吨,比2008-1-年增长了17.36%,已经超过美国;美国与日本,其纸与纸板消费水平持续平稳状态,据调查[3],到2001年底中国国内共有4000多家造纸厂,其销售额达500万元以上的达到21.8%,而到2010年纸的总消费量将达到8000万吨[4]。

由于我国造纸业的快速增长和总体经济生活水平的提高,人们现在更加关注的是生活和工作环境。

良好的生活和工作环境将使人心情愉悦,工作效率提高。

研究表明:

在偏离热舒适区域的环境条件下从事体力劳动,小事故和缺勤的发生几率增加,产量下降。

造纸工艺和造纸车间的特点,决定了它除了一般空调工程的共性之外,还具有其自身的特点,①长度普遍在200米~400米,宽度在25米~40米,高度普遍在15米~25米,造纸厂房的高度高,造成车间内气流在高度方向上具有明显的分层现象,使得厂房环境不好控制;②施工中围护结构保温性能不到位:

为了降低围护结构的造价,采用较薄的轻质墙体材料,常常致使保温效果达不了标。

导致室内空气环境和制冷负荷受室外气候情况影响大;③造纸厂房发热量非常大,全年绝大多数气象条件下,热量都需要从室内散发到室外。

同时散湿量也非常大,很容易使围护结构内表面达到露点温度导致大量结露,特别是窗;④所要的通风量非常大,调查显示:

生产1吨轻量涂布纸需要38000m3新鲜空气[4]。

以上特点都给生产环境的传统设计方式的优化带来了严重的困难。

综上所述,我国的造纸行业近几年得到快速发展。

而造纸厂房内部的空气环境受厂房围护结构、纸机的布置、各工艺段的发热和散湿模式、通风空调设施的设置和运行等诸多因素共同影响。

因此,直接影响着操作人员舒适度、产品质量、设备寿命等的此类高大空间空气流通、散热、散湿过程相对于一般小空间建筑的模型更为复杂。

2.4、隧道项目背景

公路隧道一般指修筑在地下供汽车行驶的通道,同时也作为管线和行人等通道[41]。

公路隧道的环境往往比较复杂,特别是交通枢纽长隧道,其空间相对密闭,空气流动差,隧道光线昏暗,容易发生事故。

且一旦发生事故后果相对严重。

这是隧道运营和管理的重点难题,为确保安全,隧道监控系统应运而生。

隧道监控系统是通过探测并排除有毒气体,改善空气质量;检测车速,控制安全;监控车流量,改善交通;检测光照,控制亮度等等方式改善隧道内的交通和环境,提高行车安全性。

所以隧道监控系统是隧道的安全运营必不可少的工程设施[42]。

武汉水果湖隧道总长1735米,从东湖宾馆附近的东湖路进入湖底,在中国科学院武汉水生生物研究所门前出地,到湖北省审计厅正门终止,其湖中段长621米,是目前武汉最长的下穿隧道。

双向四车道,服务年限100年,安全等级为一级,设防地震烈度六级。

此隧道是该市公路网的重要组成部分,对于改善此段地区的交通具有重要意义。

隧道综合监控系统包括视频监控、交通控制、环境监测、通风监控、照明控制、水泵控制、紧急电话、火灾报警系统等。

2.5、工程背景

北京地铁五号线工程是北京地铁路线网中一条重要的南北向轨道交通线路,南起丰台区宋家庄停车场,向北进入地下顺蒲黄榆路,天坛东路,崇文门内、外大街,东单北大街,东四南、北大街,至雍和宫大街,经和平里西街,樱花园西街,惠新西街,下穿北四环路后出地面转为高架桥,继续向北,经北苑路,清河,下穿东北环线铁路和城市轻轨铁路后转为高架桥,继续向北沿汤立路至太平庄以北东三旗,进入太平庄停车场,线路全长27.6km。

其中宋家庄至干杨树站为地下线,在干杨树-大屯区间转为地上线,共有地下车站16座,地上车站6座。

地铁五号线综合运用了明挖、暗挖和盾构等施工方法。

车站以明挖法施工为主,不少车站两端双层部分明挖,中段为单层暗挖结构。

区间隧道以暗挖和盾构法施工为主。

五号线车站和隧道埋深都较浅,区间隧道埋深一般为10m~15m,车站埋深一般为3m~5m,部分明挖双层车站埋深仅约2m。

明挖和浅埋对于地铁地下结构抗震来说,都是非常不利的因素。

2.6、隧道工程背景及围岩分级

2.1隧道地质条件2.1隧道地质条件2.1.1自然地理概况2.1.1自然地理概况国家重点高速公路杭州至兰州线重庆奉节至云阳段土地垭隧道位处于云阳县龙洞乡朝阳村八社,地理坐标:

X=3430700~3430800m;Y=480980~482300m,有一条从红狮至龙洞乡的碎石公路途经此地,交通较方便。

3、研究意义

3.1、污水穿山隧道通风设计的目的和意义

隧道施工阶段,由于爆破、柴油机械设备等使用将产生大量的粉尘、氮氧化物和热量。

其中粉尘含量越高,其危害性就越大。

严重时,某些粉尘（如硫化物）或瓦斯隧道中的瓦斯气体在一定条件下会发生爆炸。

故对隧道施工阶段采用机械通风,以稀释工作地点的有害气体、粉尘的浓度及余热量,达到《隧道施工设计天津大学硕士学位论文第四章污水穿山隧道自然通风工程的实例分析-36-规范》所要求的空气条件,并保证隧洞施工安全有效地进行。

作为排泄污水结构,运营时期隧道内聚集大量的有害气体,主要有氨气、甲烷、硫化氢、一氧化碳、二氧化硫、氧化氮等。

其中氨气和硫化氢的