一种特长跨海公路隧道联络烟道间距的优化设计方法

本发明涉及隧道火灾烟气控制，具体涉及一种特长跨海公路隧道联络烟道间距的优化设计方法。

背景技术：

1、伴随着我国经济的快速发展及生活需求的提高，城市地下空间得到有效的开发利用，使得地下空间的发展速度大大加快。由于发展需要，越来越多的城市交通开始在江河湖海下修建隧道修，水下隧道建设发展迅速。近年来，中心城市陆续修建了多条水下隧道，在未来，水下隧道还将以更加强劲的势头发展下去。

2、为了更好地加速两岸经济的发展，缓解两岸之间其他交通枢纽的压力，将会涌现一大批规模更大的跨海隧道，跨海隧道也将向着长度更大，匝道或分岔数量更多的趋势发展。但是对于超长跨海隧道由于长度过大，需进行合理的通风区段划分，通过若干竖井的送排风减小通风区段长度，以实现整个隧道的新风和污染风的置换，保证洞内良好的行车环境。但考虑到海中设置竖井带来的难度，因此，提出海中不设竖井的新型通风方案，在基于国内外尚无明确的规范来指导超长跨海隧道内联络烟道的建设情况下，本发明提出了一种特长跨海公路隧道联络烟道间距的优化设计方法。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供了一种特长跨海公路隧道联络烟道间距的优化设计方法，通过确定相应的联络烟道间距评估模型，优化联络烟道的设置间距，可在保证降低成本的同时最大程度保障人员疏散安全和排烟有效性。

2、本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

3、一种特长跨海公路隧道联络烟道间距的优化设计方法，包括以下步骤：

4、步骤1、利用icem cfd软件建立多个相同长度和洞口尺寸规格隧道模型，每个隧道模型包括两条并行的且参照设计参数设计的行车隧道，行车隧道顶板上方设置排烟通道，在行车隧道顶板按设计间距等距间隔布置排烟口，不同编号的隧道模型按数量递增方式依次设置不同数量的车行横通道，相邻车行横通道之间等距，各车行横通道上方按设计参数设置一个联络烟道，将不同联络烟道间距的隧道模型分别编号生成相应的msh网格文件，相邻编号的隧道模型的车行横通道数量相差为n；

5、步骤2、将不同编号的msh网格文件导入到fluent软件，利用fluent软件在不同模型的相同位置设置相同功率的火源，火源的排烟量相同，在火源的上下游方向分别开启等量的排烟口，运算火源模型，模拟烟气在行车隧道内的蔓延，保存为不同编号的dat数据格式；

6、步骤3、将不同编号的dat文件导入到cfd-post软件中，利用cfd-post软件在不同模型的行车隧道顶部均匀设置提取温度数值的若干个点位，和在不同模型的行车隧道各开启的排烟口的位置设置提取排烟量数值的切片，设置切片的宽与行车隧道相同，各切片的高度相同；

7、从各点位提取温度数值，统计不同联络烟道间距的隧道模型中温度超过60℃的点位中距火源最远的点位到火源的距离l60i；从各切片提取一氧化碳的生成量，计算各开启的排烟口的一氧化碳吸收量与火灾释放的一氧化碳生成量的比值，得不同联络烟道间距的隧道模型中各开启的排烟口的排烟效率ηi；计算不同联络烟道间距的隧道模型中排烟通道的局部阻力系数和沿程阻力系数的总和，即不同联络烟道间距的隧道模型的摩擦阻力系数δξi；

8、步骤4、选取l60i≤2l，且ηi≥95％的隧道模型，2l为设置的开启的排烟口所覆盖区域沿隧道纵向的长度；

9、步骤5、依次计算相邻编号的隧道模型的阻力削减率ξ，即第i编号的隧道模型的摩擦阻力系数δξi与第i+n编号的隧道模型的摩擦阻力系数δξi+n的差值与δξi的比值，若ξ不大于5％，则剔除第i+n编号的隧道模型；

10、步骤6、从步骤5选取出的不同编号的隧道模型中选取摩擦阻力最小的隧道模型，得到最佳的联络烟道设置间距。

11、进一步的，局部阻力系数α通过以下方式计算：

12、

13、

14、

15、α＝αab+αac+αae

16、式中：α为联络烟道处局部阻力系数，αab、αac、αae分别为断面a-a到断面b-b、断面a-a到断面c-c、断面a-a到断面e-e的局部阻力系数，pa、pb、pc、pe分别是断面a-a、b-b、c-c、e-e的静压力，va、vb、vc、ve分别是断面a-a、b-b、c-c、e-e的烟气流速，da、db、dc、de分别是断面a-a、b-b、c-c、e-e的当量直径，即断面的周长，la、lb、lc、le分别是断面a-a与烟气流入侧最近排烟口之间的距离、断面b-b与烟气流入侧最近排烟口之间的距离、断面e-e与烟气流入侧最近排烟口之间的距离，断面c-c到排烟通道的距离，λa、λb、λc、λe分别是与la等长的行车隧道段、与lb等长的排烟通道段、与lc等长的联络烟道段、与le等长的排烟通道段的沿程阻力系数，a-a断面为所述隧道模型中相邻联络烟道之间的行车隧道段靠近烟气流入侧的端面，b-b和e-e断面为a-a断面所在的行车隧道段上方排烟通道两端的靠近a-a断面的端面和远离a-a断面的端面，c-c断面为联络烟道中烟气流出端的端面。

17、进一步的，沿程阻力系数λ通过以下方式计算：

18、

19、式中：δ—平均壁面粗糙度；d—隧道断面当量直径。

20、进一步的，火源功率设置为50mw，排烟量为360m3/s。

21、进一步的，火源设置在至少两个排烟口之间，排烟口的数量为偶数。

22、进一步的，按公路隧道火灾最不利情况，火源设置在相邻联络烟道之间的公路隧道段中间。

23、进一步的，fluent软件中，设置火源为质量流量入口mass-flow–inlet，设置隧道壁面为壁面边界条件wall，粗糙度设置为2.5mm，分离求解器选用simple压强关联算法，模拟中的压力的离散格式设置为体积力加权body force weighted，动量、二氧化碳和能量使用二阶迎风格式second order upwind，湍流动能和湍流耗散率采用一阶迎风格式fristorder upwind，将压强、动量、湍流动能和湍流耗散率的松弛因子的默认值分别降低为0.3、0.5、0.5、0.5，模拟计算时间为1200s并运算模型，模拟烟气在行车隧道内的蔓延。

24、与现有技术相比，本发明的有益效果是：设计方法简单，评判指标新颖有效，可根据隧道实际工程情况设置参数，适用于难以设置竖井的特长跨海隧道。目前尚无针对特长跨海隧道联络烟道的设计方法。本方法基于性能化的联络烟道间距优化评估模型，验证新模式的合理性，对特长跨海隧的联络烟道设置间距进行优化，得到的结果具创新性和实际工程意义。为特长隧道纵向顶部重点排烟火灾烟气控制及人员疏散安全提供参考依据。

技术特征：

1.一种特长跨海公路隧道联络烟道间距的优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的特长跨海公路隧道联络烟道间距的优化设计方法，其特征在于，局部阻力系数α通过以下方式计算：

3.根据权利要求1所述的特长跨海公路隧道联络烟道间距的优化设计方法，其特征在于，沿程阻力系数λ通过以下方式计算：

4.根据权利要求1所述的特长跨海公路隧道联络烟道间距的优化设计方法，其特征在于，火源功率设置为50mw，排烟量为360m3/s。

5.根据权利要求1所述的特长跨海公路隧道联络烟道间距的优化设计方法，其特征在于，火源设置在至少两个开启的排烟口之间，开启的排烟口的数量为偶数。

6.根据权利要求5所述的特长跨海公路隧道联络烟道间距的优化设计方法，其特征在于，按公路隧道火灾最不利情况，火源设置在相邻联络烟道之间的公路隧道段中间。

7.根据权利要求1所述的特长跨海公路隧道联络烟道间距的优化设计方法，其特征在于，fluent软件中，设置火源为质量流量入口mass-flow–inlet，设置隧道壁面为壁面边界条件wall，粗糙度设置为2.5mm，分离求解器选用simple压强关联算法，模拟中的压力的离散格式设置为体积力加权body force weighted，动量、二氧化碳和能量使用二阶迎风格式second order upwind，湍流动能和湍流耗散率采用一阶迎风格式frist order upwind，将压强、动量、湍流动能和湍流耗散率的松弛因子的默认值分别降低为0.3、0.5、0.5、0.5，模拟计算时间为1200s并运算模型，模拟烟气在行车隧道内的蔓延。

技术总结
本发明公开了一种特长跨海公路隧道联络烟道间距的优化设计方法，包括：利用ICEM CFD软件建立多个不同编号的隧道模型，将不同联络烟道间距的隧道模型分别编号生成相应的msh网格文件；将不同编号的msh网格文件导入到Fluent软件，利用Fluent软件模拟烟气在行车隧道内的蔓延，保存为不同编号的dat数据格式；将不同编号的dat文件导入到CFD‑Post软件中，利用CFD‑Post软件得到距火源最远的点位到火源的距离L<subgt;60i</subgt;，各开启的排烟口的排烟效率η<subgt;i</subgt;；选取L<subgt;60i</subgt;≤2L，且η<subgt;i</subgt;≥95％的隧道模型，依次计算相邻编号的隧道模型的阻力削减率ξ，选取摩擦阻力最小的隧道模型，得到最佳的联络烟道设置间距。本发明评判指标有效，验证优化合理，根据隧道实际工程情况设置参数，适用于难以设置竖井的特长跨海隧道。

技术研发人员：姜学鹏,袁丁,王正阳
受保护的技术使用者：武汉科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15