雪峰山隧道通风模型工况实验研究.docx
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雪峰山隧道通风模型工况实验研究
雪峰山隧道通风模型工况实验研究
林建1喻波2李跃军1涂耘3
（1.湖南省交通科学研究院；2.邵怀高速公路建设开发有限公司；3.重庆交通科研设计院）
摘要：
介绍了雪峰山隧道通风模型工况实验，研究了远期工况和近期工况下隧道各段的风速、压力和各井送排风速变化，分析了送风量、排风量与短道段串回流风量相关性，提出远期工况和近期工况下的隧道通风规律和结论。
关键词：
隧道通风通风模型工况实验
1模型实验系统
根据模型设计原则所确定的各物理量的相似比尺详见表1-1。
表1-1物理量的相似比尺
比尺名称
线性比尺λl
面积比尺λA
速度比尺λv
压力比尺λp
模型：
原型
1：
10
1：
102
1：
1
1：
1
原型与模型的隧道主体几何尺寸详见表1-2
表1-2原型与模型的主体几个尺寸
名称
原型
模型
长度（m）
6942.6
82.28
断面高度（m）
6.98
0.70
断面宽度（m）
10.72
1.07
断面面积（m2）
61.582
0.62
当量直径（m）
8.076
0.81
隧道模型全长82.28m，沿隧道纵向连接风道共布置了20个量测断面，63个测速、测压点。
其中重点是主洞，短道和送排风口。
为了按比例的模拟隧道的长度，按照等效摩阻损失的原理，在模型隧道入口段、中间段和出口段设置了三道有机玻璃制作的阻力隔栅。
另外，为了确保模型沿程阻力损失系数与原型相同，沿隧道纵向采用铁丝和红绸带按1米的间距对隧道表面进行加糙。
2工况实验研究
2.1双井送排的远期工况
将2024年作为远期，高峰小时交通量（小汽车）为1907辆，各段计算需风量、设计需风量以及隧道断面风速分别如表2-1所示。
表2-1双井送排远期工况风量、风速
长度（m）
计算需风量Qreq
（m3/s）
设计需风量Qr
（m3/s）
断面计算风速vr
（m/s）
第一段
1786.6
219
220
3.57
第二段
2921
358
420
6.82
第三段
2235
246
340
5.52
总计
6942.6
823
怀化
图2-1双井送排远期工况的风量
图2-2双井送排远期工况的风速
开启3#排风机和送风机，观察隧道内的气流流向,这时在短道段1出现回流；开启主风机，使短道段1回流消失，再调整送排风机的转速，使第一段的风速值接近设计风速。
又开启1#排风机和送风机，观察隧道内的气流流向,调整送排风机的转速，使第二、三段的风速值接近设计风速。
这时3#排风机转速100转，3#送风机转速750转，1#送风机转速600转，1#排风机转速450转，主风机转速350转。
从实验结果和实验现象可以看出：
通过对模拟射流风机的主风机、1#和3#通风井的送、排风机不同转速巧妙组合，通风系统能满足远期工况的运营要求。
保持3#排风机转速100转，3#送风机转速750转，1#送风机转速600转，1#排风机转速450转，对主风机进行调整，分别调整为450转、400转、350转、500转、550转。
隧道各段的风速、压力和各井送排风速变化如图2-3、图2-4、图2-5所示：
图2-3主风机不同转速下，沿主风道纵向的风速变化
图2-4主风机不同转速下，沿主风道纵向的总压变化
图2-5主风机不同转速下，两竖井送排风速变化
主风机转速增大，第一段，第二段，第三段的风速和压力也都会随着增大，但是对第一段的影响最明显，第二段次之，而对第三段的影响已经较小了。
主风机增加转速，会使3#通风竖井的排风量增大，送风量减少，对1#通风斜井的送风量和排风量都减少。
保持主风机转速450转，3#排风机转速100转，1#送风机转速600转，1#排风机转速450转，对3#送风机进行调整，分别调整为600转、650转、700转、750转、800转。
隧道各段的风速、压力和各井送排风速变化如图2-6、图2-7、图2-8所示：
图2-63#送风机不同转速下，沿主风道纵向的风速变化
图2-73#送风机不同转速下，沿主风道纵向的总压变化
图2-83＃送风机不同转速下，两通风井送排风速变化
随着3#送风机转速的增加，第一段风速反而减小，而第二段和第三段的风速则会增大。
转速的变化，对主风道出口和入口的压力改变很小，但是，短道1，第二段，以及短道2的总压会随3#送风机转速的增加而增大。
3#通风竖井送风风机转速的增加，直接使得3#通风竖井的送风量变大，但是3#通风竖井的排风量也增大了，而同时第一段的风速是减少的，说明短道1回流明显增大了，送风增大，使得送风口出口压力增大，容易回流，从入口处竖井的排风口直接排出。
但是对第三段的送排风量没有明显的影响作用。
保持主风机转速450转，3#送风机转速750转，1#送风机转速600转，1#排风机转速450转，对3#排风机进行调整，分别调整为0转、50转、100转、150转、200转。
隧道各段的风速、压力和各井送排风速变化如图2-9、图2-10、图2-11所示：
图2-93#排风机不同转速下，沿主风道纵向的风速变化
图2-103#排风机不同转速下，沿主风道纵向的总压变化
图2-113＃排风机不同转速下，两通风送排风速变化
由图可知，3#通风竖井的排风机转速的增加与减少，对第一段，第二段，第三段的风速和压力的影响都比较小，说明排风机的升压效果不明显，甚至是降压作用远不如主风机和送风机的升压效果，由于是降压作用，使得更容易产生回流。
3#通风竖井的排风机，只是显著的影响到该竖井的排风量，对其它风机送排风量的影响并不明显。
保持主风机转速450转，3#排风机转速100转，3#送风机转速750转，1#排风机转速450转，对1#送风机进行调整，分别调整为500转、550转、600转、650转、700转。
隧道各段的风速、压力和各井送排风速变化如图2-12、图2-13、图2-14所示：
图2-121#送风机不同转速下，沿主风道纵向的风速变化
图2-131#送风机不同转速下，沿主风道纵向的总压变化
图2-141＃送风机不同转速下，两竖井送排风速变化
1#通风斜井的送风机，对第一段和第二段的风速和总压影响不大，但是对第三段风速和总压的影响很大，随着转速的增加，第三段的风速和总压都明显增大。
1#通风斜井送风机转速的改变，对主风机，3#通风竖井，以及1#通风斜井的排风量影响不大，只是直接影响到1#通风斜井的送风量。
保持主风机转速450转，3#排风机转速100转，3#送风机转速750转，1#送风机转速600转，对1#排风机进行调整，分别调整为350转、400转、450转、500转、550转。
隧道各段的风速、压力和各井送排风速变化如图2-15、图2-16、图2-17所示：
图2-151#排风机不同转速下，沿主风道纵向的风速变化
图2-161#排风机不同转速下，沿主风道纵向的总压变化
图2-171＃排风机不同转速下，两通风井送排风速变化
增加1#排风机的转速，第三段风速反而减小，而第二段的风速却有一定变大。
第二段和第三段靠近1#通风斜井排风口部分的总压，都随着1#排风机转速的增加而减小（甚至出现负压），因为，排风机形成的是降压作用，虽然可以使得第二段的气流更容易过来增大风速，但是使得第三段的气流也容易过来形成回流。
1#通风斜井的排风机对3#通风竖井的送排风量影响不大，但随着转速的增加，1#通风斜井的排风量直接增大，而1#通风斜井的送风量却也在增加，这是因为排风形成送风口压力减小，送风更容易，但是虽然送风量增加了，而第三段风速却减少了，说明回流大大增加了。
可见，排风机很容易形成回流，只有在排风口出口压力较大的情况下，既可以排出更多的废气，都可以尽量减少新鲜空气的回流。
串流、回流分析：
在短道上，如果串流过大，就不能有效排出废气，会使隧道的下一段空气质量变差。
但是也不能出现回流，那样送入的新风没有起到稀释污染空气的作用，而直接通过短道旁的排风口排风除去，不仅会增加送排风机的功率，也会减少下一段隧道的新鲜空气量。
我们通过对双竖井远期工况实验下的数据进行分析，通过将第一段风量减去排风量（不考虑排风量中可能包含的新风回流）除以主风道断面积的值，得到串流风速值。
通过肉眼观察风道内丝带的飘动状态来判断短道段串、回流分布情况,将风速值和串、回流分布情况绘制成图2-18、图2-19。
图2-18短道1串、回流分布情况
串流，回流无法用仪器测量，都是通过肉眼观察风道内丝带的飘动状态来进行判断，由图可知，当数值大于1.3则主要为串流，小于1.3则主要为回流，因此要保证不出现回流，则该数值要大于1.3。
图2-19短道2串、回流分布情况
由图可知，当该值大于2.3时，基本上为串流，该值小于2.3则基本上为回流。
同时，该值要比短道1的风速值大一些。
送风量、排风量与短道段串回流风量相关性分析：
由一个单元的压力模式和风量计算知道，送风量与排风量是互为关联的，当排风量确定后，送风量也相应确定。
同时第二单元的排风量与第一单元送风量紧密相关，而第二单元排风量又与第二单元送风量相关联，只有找出这种关联才能有效调节风量和压力平衡，保障隧道营运通风系统安全、经济地运行。
我们通过对双竖井远期工况实验下的数据进行分析，通过肉眼观察风道内丝带的飘动状态来判断短道段串、回流分布情况,将各风量比值和串、回流分布情况绘制成图2-20至图2-26。
短道1风量与3＃井排风量的比值对短道1串回流影响：
图2-20短道1风量与3＃井排风量的比值对短道1串回流影响
短道1风量与3＃井送风量的比值对短道1串回流影响：
图2-21短道1风量与3＃井送风量的比值对短道1串回流影响
3＃井送风量和3＃井排风量的比值对短道1串回流影响：
图2-223＃井送风量和3＃井排风量的比值对短道1串回流影响
短道2风量与1＃井排风量的比值对短道2串回流影响：
图2-23短道2风量与1＃井排风量的比值对短道2串回流影响
短道2风量与1＃井送风量的比值对短道2串回流影响：
图2-24短道2风量与1＃井送风量的比值对短道2串回流影响
1＃井送风量和1＃井排风量的比值对短道2串回流影响：
图2-251＃井送风量和1＃井排风量的比值对短道2串回流影响
第二段风量和1＃井排风量的比值对短道2串回流影响：
图2-26第二段风量和1＃井排风量的比值对短道2串回流影响
从图2-20至图2-26分析可以看出：
双竖井远期工况下要保证短道不产生回流并保持一定的串流量，在射流风机调压作用下3＃井送风量和3＃井排风量的比值为1.5倍左右，而1＃井送风量和1＃井排风量的比值为1.2倍左右，第二段风量和1＃井排风量的比值为1.5倍左右。
短道2的串流量比短道1的串流量要大，短道1的串流风量与3＃井排风量的比值大于0.3、短道2的串流风量与1＃井排风量的比值大于0.4时才能保证短道不产生回流。
从上述实验结果和实验现象可以得出竖（斜）井送排式系统送风量与排风量是互为关联的，同时第二单元的排风量与第一单元送风量紧密相关，而第二单元排风量又与第二单元送风量相关联的结论。
2.2双井送排的近期工况
将2015年作为近期，高峰小时交通量（小汽车）为1101辆，各段计算需风量、设计需风量以及隧道断面风速分别如表2-2所示。
表2-2双井送排近期工况风量、风速
长度（m）
计算需风量Qreq
（m3/s）
设计需风量Qr
（m3/s）
断面风速vr（m/s）
第一段
1786.6
143
143
2.32
第二段
2921
233
293
4.76
第三段
2235
161
251
4.01
总计
6942.6
537
图2-27双井送排近期工况的风量
图2-28双井送排近期工况的风量
保持3#排风机转速0转，3#送风机转速550转，1#送风机转速425转，1#排风机转速150转，对主风机进行调整，分别调整为200转、250转、300转、350转。
隧道各段的风速、风量和压力变化如图2-29、图2-30、图2-31所示：
图2-29主风机不同转速下，沿主风道纵向的风速变化
图2-30主风机不同转速下，沿主风道纵向的风量变化
图2-31主风机不同转速下，沿主风道纵向的压力变化
随着主风机转速的增加，各段的风速，风量，总压也在增加，但是对隧道第一段的影响最大，第二段影响次之，对第三段的影响已经比较小了。
保持主风机转速350转，3#排风机转速0转，1#送风机转速425转，1#排风机转速150转，对3#送风机进行调整，分别调整为400转、450转、500转、550转、600转。
隧道各段的风速、风量和压力变化如图2-32、图2-33、图2-34所示：
图2-323#送风机不同转速下，沿主风道纵向的风速变化
图2-333#送风机不同转速下，沿主风道纵向的风量变化
。
图2-343#送风机不同转速下，沿主风道纵向的总压变化
随着3号送风机转速的增加，隧道第二段和第三段的风速、风量、总压也随着增大，对第一段的影响要比第三段的影响明显的多。
随着3#送风机转速的增加，第一段风速反而减小，而第二段和第三段的风速则会增大。
转速的变化，对主风道出口和入口的压力改变很小，但是，短道1，第二段，以及短道2的总压会随3#送风机转速的增加而增大
保持主风机转速350转，3#排风机转速0转，3#送风机转速550转，1#排风机转速150转，对1#送风机进行调整，分别调整为325转、375转、425转、475转、525转。
隧道各段的风速、风量和压力变化如图2-35、图2-36、图2-37所示：
图2-351#送风机不同转速下，沿主风道纵向的风速变化
图2-361#送风机不同转速下，沿主风道纵向的风量变化
图2-371#送风机不同转速下，沿主风道纵向的压力变化
1#通风斜井的送风机，对第一段和第二段的风速和总压影响不大，但是对第三段风速和总压的影响很大，随着转速的增加，第三段的风速和总压都明显增大。
图2-381#排风机不同转速下，沿主风道纵向的风速变化
图2-391#排风机不同转速下，沿主风道纵向的风量变化
图2-401#排风机不同转速下，沿主风道纵向的压力变化
保持主风机转速350转，3#排风机转速0转，3#送风机转速550转，1#送风机转速425转，对1#排风机进行调整，分别调整为200转、250转、300转、350转、400转。
隧道各段的风速、风量和压力变化如图2-38、2-39、2-40所示。
增加1#排风机的转速，第三段风速反而减小，而第二段的风速却有一定变大。
第二段和第三段靠近1#通风斜井排风口部分的总压，都随着1#排风机转速的增加而减小（甚至出现负压），因为，排风机形成的是降压作用，虽然可以使得第二段的气流更容易过来增大风速，但是使得第三段的气流也容易过来形成回流。
对主风机（模拟射流风机作用）、3#送风机、1#送风机、1#排风机转速进行不同组合，使入口送风风速（采用5#风速仪数据）、3#通风竖井送风风速（按7号微压计测量动压来计算）和1#通风斜井送风风速（按15号微压计测量动压来计算）处于5%变化范围内，入口送风风速范围是2.21～2.44m/s，3#通风竖井送风风速范围是8.92～9.86m/s，1#通风斜井送风风速范围是8.85～9.79m/s。
得到一组实验数据，见表2-3。
表2-3满足新风量的实验组别
组别
2#
7v
15v
入口总压
风机转速（主＋3#送+1#送+1#排）
1
2.41
9.71
10.54
102.2
275＋550＋425＋250
设计值
2.32
9.39
9.32
若不考虑交通风作用，需要12台射流风机，但是对于纵向通风系统，交通活塞风的影响非常重要，在一定条件下，仅仅依靠交通升压力作用，就可以达到设计风速。
交通升压力计算公式如下：
（2-1）
其中，
ACS，小型车投影面积，取2.13m2
ACL，大型车投影面积，取5.37m2
rL，大型车比例，取77.76%
ξCS，小型车空气阻力系数，取0.5
ξCL，大型车空气阻力系数，取1.0
则Am＝4.413
Ar，隧道断面积，61.582m2
L，隧道长度，第一段为1786.6米
Vr，断面风速，取2#风速仪数据，
Vt，各相应工况下的洞内车速，m/s
Nr，交通量，辆/h，近期取1101辆/h
表2-4行车速度80km/h工况下
组别
2#
入口总压P
交通升压Pt
P-Pt
1
2.32
102.2
418.75
-316.55
表2-5行车速度60km/h工况下
组别
2#
入口总压P
交通升压Pt
P-Pt
1
2.32
102.2
290.13
-187.93
表2-6行车速度30km/h工况下
组别
2#
入口总压P
交通升压Pt
P-Pt
1
2.32
102.2
101.94
0.26
3结论
3.1双井送排的远期工况
（1）通过对模拟射流风机的主风机不同转速的实验数据和实验现象说明：
主风机转速的增加，将导致第一段和第二段的风量都增加，将导致3#竖井的排风量增大，送风量减少；将导致1#斜井的送风量减少。
这一现象说明射流风机具有高效率的升压作用，升压效果很明显，随着射流风机开启的数量增多，能大大节约送、排风机的功率，提高通风效率。
另外通过实验观察，仅依靠3#竖井送、排风机的参与，短道1的通风无法避免新鲜空气的回流；只有开启射流风机调压，才能有效地避免新鲜空气的回流。
为了防止回流，射流风机在任何工况下都是必须的，而且要开启一定数量的射流风机才可以避免回流发生。
（2）通过对1#井送风机、3#井送风机不同转速的实验数据和实验现象说明：
1#井送风机转速的增加，对第一段和第二段的风速影响不大，3#井送风机转速的增加，会使第一段风速减小。
这一现象说明送风量越大越有利于隧道通风的观点是片面的。
（3）通过对1#井排风机、3#通风竖井排风机不同转速的实验数据和实验现象说明：
1#井排风机转速的增加，第三段风速反而减小，第二段风速却增大，对第一段没有明显影响，但是1#井的送排风量都在增大。
3#通风竖井排风机转速的增加，对第一段、第二段、第三段的风速和压力的影响都比较小，仅仅影响到3#通风竖井的排风量。
这一现象说明排风机的升压效果不明显，甚至是降压作用，排风机转速的增加，易造成短道段新鲜空气的回流。
而且1#井的送排风量都在增大说明随着新鲜空气的回流，送入的新风有些没有起到稀释污染空气的作用，而直接通过短道旁的排风口排走，增加了送排风机的功率，形成明显的浪费。
因此实际运营过程中不能用增大排风机功率的方法来片面追求增大污染空气的排出量。
从满足运营要求的工况实验中的送、排风机的转速对比分析，排风机的功率可比送风机小。
（4）根据实验数据和实验现象说明：
适当增大串流量（减少排风量），可以大大减少回流，减少送排风机的功率。
要保证没有回流，短道2的串流风速需要比短道1具有更大的串流风速。
短道1至少需要1.3m/s，短道2至少需要2.3m/s的串流风速，才可能没有回流发生。
（5）风机开启顺序和气流稳定后的风速、压力无关，但是在开启时尽可能使初始气流顺着行车方向，避免回流紊乱。
第一段风量的调节，通过主风机（射流风机）进行调节。
第二段风量也尽量通过主风机进行，即使第一段风量偏高一点也不会有太高能量消耗，而且可以得到更好的空气质量，压力的升高，短道总压也升高，可以减少回流，同时也使得3#通风竖井排风机全压降低。
第三段风速的调节则通过1#送风机来调节。
（6）在不考虑交通活塞风作用下，主风机、送风机的升压力因为隧道的沿程阻力损失迅速降低，并且压降和速度的平方成正比，因此主风机的升压力对第一段的影响还比较大，但是对第三段已经基本上没有什么影响了，而送风机则更是只影响到本身的送风隧道段。
风速增大时，阻力损失成平方增大，可见各风机对隧道各段风量的影响不仅和该风机的升压力有关，更和阻力损失有关，当风道越长时，影响可能就越小了。
而在有交通风的作用下，因为交通风升压力往往比沿程压力损失值还要大，那么主风机、送风机的升压力就可以不减少的保持到下一段隧道，那么对隧道其它段送排风量的影响就会比没有考虑交通升压力时大得多。
（7）通过对模拟射流风机的主风机、1#和3#通风井的送、排风机不同转速的工况实验数据和实验现象说明：
通风系统能满足近期工况的运营要求。
其通风系统的实验现象和远期工况的实验现象一致，可以得出相同的结论，二者相互印证。
3．2双井送排的近期工况
（1）通过对模拟射流风机的主风机、1#和3#通风井的送、排风机不同转速的工况实验数据和实验现象说明：
在近期工况中采用三段通风时，由于需风量很小，在适当的串流风量情况下，不需要开启射流风机，仅交通风就可以满足通风需要。
仅在行车速度30km/h以下时需机械通风。
（2）通过对模拟射流风机的主风机、1#和3#通风井的送、排风机不同转速的工况实验数据和实验现象说明：
当3#排风道比较短，排风阻力比较小的情况下，有可能不通过排风机就可以起到自然排风的效果。
从实验数据和实验现象分析可以得出隧道的通风系统完全可以分期实施的结论，通风系统的土建工程一次完成，3#通风井的大型轴流风机可在交通量达到设计交通量时再进行安装，可节约大量的设备维护费，减少机电设备一次性投资的压力。
（3）当近期采用两段通风方式时通过对模拟射流风机的主风机、1#井的送、排风机不同转速的工况实验数据和实验现象说明：
采用不同的风机转速组合，可以使隧道各段得到接近的新风量，都能够满足运营要求，但是排风量增大，容易出现回流，甚至第三段的实际新风量还会减少，因此必须合理使用射流风机进行调压。
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