雪峰山隧道通风模型实验设计.docx
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雪峰山隧道通风模型实验设计
雪峰山隧道通风模型实验设计研究
蒋鹏飞1万剑平2喻波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：
根据模型试验相似理论分析了雪峰山隧道通风模型设计应满足的相似条件，介绍了雪峰山隧道大比例通风模型和基本性能实验。
该模型通可以较好地模拟运营工况和解决通风风井部位的关键技术问题。
关键词：
隧道通风模型实验相似理论
0前言
雪峰山隧道是国道主干线上海至瑞丽高速公路湖南省境邵阳至怀化段的控制性工程，位于邵阳与怀化两市交界山区。
雪峰山隧道全长6956m（右洞），是在建的国内第二长公路隧道，而且是国内第一座每洞采用2座竖（斜）井三段两单元送排式通风的隧道。
由于两斜（竖）井通风方式的运营调节要比一座斜（竖）井通风方式复杂得多，压力、风量平衡、气流短路、回流等相对难以控制，需要开展专项攻关。
由于隧道长，交通工况前后期差异大，加之我国特长公路隧道运营通风方面的经验仍很少，尤其在多单元送排式纵向通风方面的研究还缺少实验、实测数据，因此围绕该工程开展运营通风系统的模型试验研究工作是十分必要的。
物理模型实验能保证研究结果的真实性，因此通过较大比例的模型实验可以模拟运营工况和解决通风风井部位的关键技术问题。
为此湖南省交通科学研究院和重庆交通科研设计院联合成立课题组对雪峰山隧道运营通风技术及模型实验进行研究，通过研究来论证该隧道通风方案的合理性，进一步了解该隧道运营通风的基本方法和原理，为该隧道运营通风方案提供可靠的技术保证并为实际工程服务。
该隧道的研究成果可为后续建设的特长公路隧道提供重要的参考价值。
图1雪峰山隧道通风设计示意图
2模型试验相似性研究
2.1模型试验相似理论
为了通过模型试验较准确研究工程原型的特征及运动变化的过程，就必须了解运动的相似条件。
正常工况下，隧道中的通风气流可看作不可压缩粘性流体的等温流动，其相似条件可根据实际流体运动微分方程Navier—Stokes方程。
对于不可压缩的粘性流体，最普遍的运动方程式是Navier—Stokes方程式的连续方程式：
（5-1）
式中：
、
、
——速度分量；
P——压力；
X、Y、Z——单位质量上外力的分量，通常X=0，Y=0，Z=g。
流体运动体系都服从这一普遍的微分方程式，如二体系相似，则各物理量必成一比例，
，
，
，……，把这些比数（相似常数）代入方程式后，方程式仍然成立，即：
（5-2）
从（5-2）式中可见，只要保持其连续性，连续方程对二流动体系的相似在各量的比数中就不提出限制条件。
在纳维埃—斯托克司方程中，各项都乘一系数，如方程继续成立，这些系数都应相等：
（5-3）
式（5-3）中各项除以
则：
（5-4）
流体运动中7个主要变量L、t、υ、g、p、ρ、V在两相似体系中的比例常数不能随意指定，而必须遵从上述关系式，才能保持相似。
现有7个变量，4个关系式，因此我们能自行决定或假设的比例数只有3个，其余只能从这些关系式求出。
如果将（5-4）式改写为相似准数，则得：
不考虑流体表面张力和弹性，按牛顿普遍相似律及因次分析方法，可得：
谐时准则，斯特罗哈尔数（StrouhalNumber）
重力相似准则，佛汝德数（FreudNumber）
内摩擦力相似准则，雷诺数（ReynoldsNumber）
压力相似准则，欧拉数（EulerNumber）
正常工况下，公路隧道内的通风工况可看作定常流动，则反映时间相似关系的斯特罗哈尔准则不起作用；对于沿隧道纵向的空气运动，重力影响远小于内摩擦力，表示重力相似关系的佛汝德准则可不予考虑，而反映压力相似关系的欧拉准则是相似运动的必然结果，只是一个非定型准则；故只有表示内摩擦力相似关系的雷诺准则是气流相似的唯一定型准则。
因此，为了保持模型与原型的相似，两个流动体系之间必须满足以下关系式：
（5-5）
另外，由流体力学中可知，管中层流的流速分布为抛物线形，即
（5-6）
式中V为距中心y处的流速，ro为管子半径，Vmax为管心最大流速。
如几何相似，如几何相似，即（r0/y）p=（r0/y）m，则流速分布亦相似。
其中下标“p”表示原型，“m”表示模型。
管中紊流的流速分布，可用斯坦顿（T·E·Stanton）方程表示，即：
（5-7）
式中：
V*——剪切流速，
；
Vmax－V——流速亏缺。
上式说明，对紊流流态，如几何相似，即（r0/y）p=（r0/y）m，则流速分布亦相似。
其中下标“p”表示原型，“m”表示模型，以下相同。
雷诺准则是表示摩擦力相似关系的一个定型准则，隧道中的气流一般属于充分发展的紊流，在壁面摩擦阻力中，由于粘性力远远小于紊动阻力，故仅须考虑紊动阻力的相似，隧道气流的紊动阻力可采用均匀流基本方程式描述，即：
（5-8）
式中：
τ0——隧道壁面的平均切应力，N/m2；
D——隧道断面的当量直径，m；
J——流体的阻力坡降，－；
由上式，则壁面的总摩擦阻力为：
（5-9）
式中：
Ar——隧道壁面的总摩阻面积，m2；
λ——隧道的摩阻系数，－；
L——流段长度，m；
S——隧道断面周长，m。
若以“p”表示原型，“m”表示模型（以下相同），则相似流动的阻力比尺为：
（5-10）
又作用于流体的外力为：
（5-11）
式中：
ρ——流体的密度，kg/m3；
V——流体的体积，m3；
A——流体加速度，m/s2。
则流动相似的外力比尺为：
（5-12）
流动相似必须满足最基本的相似条件—牛顿相似定律，（Ne）p=（Ne）m，则：
这就是隧道气流的阻力相似条件，它要求模型与原型的摩阻系数相等。
摩阻系数λ是壁面相对粗糙度
和雷诺数Re的函数，即
。
但对进入阻力平方区的流体，摩阻系数λ只与相通地粗糙度
有关，即
。
因此，对于进入阻力平方区的隧道气流的相似，不必考虑雷诺相似准则，只要确保相对粗糙度相等即可满足阻力相似的要求。
相对粗糙度的相等意味着表面粗糙度的相似，仍属几何相似的范畴。
综上所述，从模型试验的相似理论研究不难看出，在何相似的前提下，运动相似是动力相似的表现，而使隧道通风气流流动相似最简便易行的办法是使之成为充分发展的紊流，即使流体进行阻力平方区。
因此，对于隧道通风气流来说，在几何相似前提下，使模型流成为充分发展的紊流，是与原型流保持相似的唯一条件。
2.2雪峰山隧道模型对相似性条件的满足
流动相似具有三个特征，或者说要满足三个条件，即：
几何相似，运动相似，动力相似。
其中几何相似是前提，动力相似是保证，才能实现运动相似这个目的。
运动相似和动力相似是表示原型和模型两个流动对应的点速度、压强和所受的作用力都分别满足确定的比例关系。
模型采用大比例的1：
10，对隧道长度、断面、送排风口都做到了几何相似。
速度，压强都是按照1：
1的比例相似，各种动力源是通过运动相似来实现的，包括自然风，交通风活塞作用，射流风机，送排风机都找出对应的风速。
对于模型隧道的沿程阻力为：
对于实际隧道的沿程阻力为：
＝
，在风速相同的情况下，若λm=λp，则可以达到沿程阻力损失相同，而且物理相似的情况下局部阻力系数也是相同的，这样可以使模型与实体的阻力相似。
隧道模型采用有机玻璃制作，沿程阻力损失系数只有0.015，采用加糙的方法达到0.025，和实际隧道的沿程阻力系数一致。
在模型风管中，V=2m/s，υ＝1.66*10-5m2/s，D=0.8m，则Re=105>>2300，气流进入充分紊流区，其特征是断面风速均匀，沿程阻力系数λ与雷诺数无关，沿程阻力损失与流速的平方成正比。
后面断面风速试验测得整个断面除边缘区域外风速都相等也验证了这一点。
模型内气流进入充分紊流区后可以具有和实体隧道相同的断面速度分布。
在隧道模型满足以上条件后，有充分的理由认为该模型是和原型隧道相似，模型试验的研究成果对实体隧道具有很大的参考价值。
3模型实验系统
3.1模型主体
根据模型设计原则所确定的各物理量的相似比尺详见表6-1。
表3-1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
模型实验系统照片见附录2.1，平面布置详见附录2.2和2.3，原型与模型的隧道主体几何尺寸详见表6-2，测量孔、测量点断面布置图详见附录2.4和2.5。
表3-2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。
3.2动力系统
共使用了5台15KW的可调速风机，分别布置在主洞入口，两排风口和两送风口，作为射流风机、送风机和排风机使用。
原设计于隧道进口端设置了16台射流风机，作为其重要的动力。
本次实验关心的是这些射流风机在某些工况条件下的升压作用，且其位置距排风口较远，故实验中可采用一台主风机模拟升压效果。
由于风机可调速，因而可实现对不同射流风机启动组数的模拟。
3.3测试系统
3.3.1智能风速仪量测系统
系统采用微型旋浆式传感器，数据处理和记录部分以袖珍式计算机为智能部件，配以打印机和监视屏，能同步显示8点风速值，并可输出打印，便于远距离检测分散在各处的风速。
其显著进步是以周期法代替传统的计转速法，使其不仅可快速、精确地测量测定时平均风速，而且能测量非恒定风速及其变化过程。
工作原理：
气流和机翼的相对运动，使机翼受到垂直向上的力，称为举力。
同理，风作用于桨叶时，桨叶也受到垂直于桨叶径向的力的作用，作用于每只桨叶的力对桨轴的力矩，使桨叶绕轴旋转。
风速是旋桨转速速率或转动周期的函数。
根据旋桨转数测风速法的关系式为：
式中：
k，c为常数，通过质检中心标定来确定数值
n，测量时间t秒内的信号数
主要技术指标：
a.风速测量范围：
0.5m/s～10m/s
b.浆叶回转半径：
11mm
c.传感器检定公式均方差：
2%
d.主机误差：
工作程式1：
1信号脉冲
工作程式2：
700微秒/施测时间
工作程式3：
80微秒/信号周期
3.3.2微压计测量系统
采用16只微压计，通过信号线连接到D/A转换器，D/A转换器将模拟电流量转化为数值量传给计算机，通过一定计算，就可以知道压力值，而通过测量动压还可以计算出风速。
可以通过和毕托管的不同的连接方式，来测量动压，静压，总压，同步显示16个点的数值。
虽然只能测量正压，但是通过调整接线，也可以测量负压，需要保证微压计的高压端连接压力较高的一端。
工作原理：
被检测的压力信号从引压管施加于压力传感器上，应变（膜片）电阻因受压而改变，这个电阻信号经过放大转换成电压信号，再经过放大、补偿后处理成数字显示、报警和远传等。
主要技术指标：
a.测量范围:
（压力、差压）0～500Pa
b.精度等级:
0.5级（满量程的0.5%）
c.工作环境:
温度0～70℃，湿度不大于80%，无强烈震动
d.供电电源:
24V/DC
校准：
（1）将高压氮气通过减压阀调整到20～50Kpa，接入浮球式压力计（输入压力12Kpa，输出0.1～5Kpa）。
（2）调节浮球式压力计的输入压力调节旋钮，使输入压力为12Kpa，在浮球上加载500Pa的标准砝码，就可以得到500Pa的输出压力。
（3）配合万用表和微压计测量系统，先空载，调整零点旋钮，使读数为零.（4）然后接上浮球式压力计输出的500Pa压力，调整满量程旋钮，使读数为500Pa。
（5）再卸载后，调整零点。
一般两轮后，零点和满量程点就保持不变了。
当微压计读数系统上显示空载时有读数时，就需要进行校准。
4基本性能实验
通过通风系统基本性能的实验：
测量仪器时间实验、模型的断面风速实验、沿程阻力损失系数实验、隔栅阻力系数实验、射流风机等效作用实验等。
根据实验数据和实验现象，得出以下结论：
（1）智能风速仪在5s的测量周期下的数据已经基本稳定。
（2）同一模型隧道断面各点的风速相差不大，虽然距离断面边缘距离相同，但是风道底面的风速要比边缘高。
说明气流的边界层很薄，绝大多数区域速度相同，满足充分紊流的特征。
由于在实际处理中没有对风道底面（车道）加糙，此处的风速要偏大一些，也和实际情况相符合。
实验结果的平均值与断面中部位置的实验值很接近，故此点的测试值代表断面的平均风速。
（3）模型内按1m间距，采用Φ3铁丝、单面透明胶和红绸带沿模型周壁固定，对其加糙，增大其摩阻的处理是可行的，沿程阻力损失系数接近实际值，而平均沿程阻力系数则和实际值几乎相同，保证了后面实验的可靠性。
（4）采用有机玻璃条制作阻力隔栅效果非常理想，阻力系数非常稳定，而且便于调节。
第二段取出一个系数为8.79的隔栅，保留系数为8.51的阻力隔栅，阻力系数与设计值8.30相差仅2.5%，满足要求。
第一段、第三段的隔栅分别减少中间的两条有机玻璃条，第一段阻力隔栅阻力系数为4.78，与设计值4.9相差仅2%，能够满足要求。
第三段阻力隔栅阻力系数为6.14，与设计值6.06相差仅1.32%，能够满足要求。
（5）主风机模拟射流风机实验中，主风机转速和模型隧道断面风速成正比例关系，和模型隧道入口处总压成二次抛物线关系，单台射流风机的升压力是9.05Pa～12.41Pa，和理论计算值很接近。
（6）出口压力对主风机的送风量影响不大，对3＃斜井的送排风量和1#通风斜井的送风量有一定影响，压力越大，排风风速越大，送风风速越小。
对1＃竖井的排风量却没有显示出直接的影响，但是仍然表现出，大压力范围内的风速要普遍小于小压力范围内的风速。
3＃通风井排风口（取短道1中间压力数据）压力越大，表明主风机在这里形成的静压越大，更容易将气流从排风口压出。
而1＃通风井则不然，排风口压力较小时更有利于排风，这使得取短道2更容易回流，为防止短道2回流，又不能使排风口压力过大，只能加大3＃通风井的送风量。
（7）对同一风机组合的开机次序进行变化，表明隧道内气流稳定后的压力，风速与风机开启次序没有关系。
但是，在营运中应该让气流顺着车流方向送排，尽可能少出现逆流情形，特别是在发生火灾后，只有最大程度上保持气流的初始流向，才能较好的保持烟雾分层，便于逃生。
通风模型全貌
5结论
雪峰山隧道通风模型根据模型试验相似理论设计，满足相似条件，有充分的理由认为该模型是和原型隧道相似。
物理模型实验能保证研究结果的真实性，因此通过较大比例的模型实验可以模拟运营工况和解决通风风井部位的关键技术问题。
通过模型实验进一步了解该隧道运营通风的基本方法和原理，为该隧道运营通风方案提供可靠的技术保证并为实际工程服务。
研究成果可为后续建设的特长公路隧道提供重要的参考价值。
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