基于ANSYS Fluent的隧洞施工通風(fēng)數(shù)值模擬研究

王軍周

(中國電建集團(tuán)國際工程有限公司,北京 100036)

0 前 言

目前，施工技術(shù)和施工機(jī)械生產(chǎn)效率的不斷提高，加快了地下洞室的施工進(jìn)度，有效地縮短了施工工期，也促使地下洞室群結(jié)構(gòu)成為越來越多水利水電工程的選擇。相對于地面工程來說，地下洞室施工空間具有相對封閉性的特點，致使施工通風(fēng)通道受限，通風(fēng)能力不足。若施工中產(chǎn)生的有害氣體、粉塵和熱量得不到及時有效的疏散，將會降低施工機(jī)械設(shè)備的使用效率，導(dǎo)致施工效率低下，延誤施工進(jìn)度，甚至?xí)?yán)重影響施工人員的生命健康安全[1-3]。因此，需要在地下洞室施工過程中源源不斷地從外界向施工區(qū)域輸送新鮮空氣，排出有害氣體和粉塵，降低隧洞熱量，為施工人員創(chuàng)造良好的施工作業(yè)環(huán)境。由此可見，施工通風(fēng)越來越成為影響地下洞室施工進(jìn)度的關(guān)鍵因素，尤其對于長隧洞施工而言，隨著掘進(jìn)長度不斷增加，施工通風(fēng)問題就越突出，往往成為快速施工的制約“瓶頸”[4-7]。如果施工通風(fēng)方案布置不當(dāng)，通風(fēng)效果差，工作面施工作業(yè)環(huán)境達(dá)不到最低要求，從而嚴(yán)重影響施工人員身體健康，制約工程進(jìn)展。

在以往的部分水利水電地下工程施工中，施工通風(fēng)布置往往通過經(jīng)驗確定，具有很大的不確定性。為了避免地下洞室施工作業(yè)中由于通風(fēng)問題進(jìn)而影響施工活動順利進(jìn)行，十分有必要采用科學(xué)的理論方法和先進(jìn)的技術(shù)手段對地下洞室施工通風(fēng)進(jìn)行仿真模擬。由于地下隧洞斷面較大，長度更是達(dá)數(shù)公里，通風(fēng)量較大，難以通過物理模型實驗進(jìn)行模擬。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics, CFD)在流體仿真模擬領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，也不斷有學(xué)者將該模擬方法運用到地下洞室施工通風(fēng)仿真中來，獲得了較好的效果。

目前，國內(nèi)外對地下洞室通風(fēng)模擬已有比較多的研究。Parra等[8]模擬了不同通風(fēng)條件下深礦井的風(fēng)流場和甲烷質(zhì)量濃度擴(kuò)散規(guī)律。Karraaslan等[9]采用組分運輸模型，利用Fluent軟件模擬了馬蹄形斷面短隧洞火災(zāi)發(fā)生時的煙氣擴(kuò)散和溫度分布規(guī)律。Guo, Xiaoping等[10]提出了一種新的縱向通風(fēng)隧洞火災(zāi)積分理論，并將兩種不同的計算機(jī)程序的CFD模擬結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比分析，揭示了CFD模擬中可能存在的缺陷。楊慶學(xué)等[1]基于系統(tǒng)仿真技術(shù)，動態(tài)仿真了施工期風(fēng)量的動態(tài)變化和通風(fēng)影響因素，為通風(fēng)設(shè)備選擇和通風(fēng)方案優(yōu)化提供決策支持。馬德萍等[4]分析了不同通風(fēng)方式下通風(fēng)流場形態(tài)對向家壩地下洞室群施工通風(fēng)效果影響因素。王曉玲等[11-13]研究了隧洞通風(fēng)作用下的粉塵運移規(guī)律以及CO遷移和分布規(guī)律等。本文基于計算流體力學(xué)理論，結(jié)合卡魯瑪水電站長尾水隧洞工程施工期通風(fēng)布置方案，采用ANSYS Workbench通用仿真平臺，建立了10號尾水支洞施工通風(fēng)仿真模型，對其工作面附近通風(fēng)效果進(jìn)行了三維模擬研究，分析了工作面附近風(fēng)流速度場、溫度場和CO質(zhì)量濃度場的分布規(guī)律。結(jié)果表明ANSYS Workbench簡單易用，仿真成果可靠，能為工程技術(shù)人員進(jìn)行隧洞通風(fēng)設(shè)計、通風(fēng)計算和施工通風(fēng)優(yōu)化布置提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 工程概況

烏干達(dá)卡魯瑪水電站為地下引水式發(fā)電站，由引水隧洞、尾水隧洞、地下廠房、調(diào)壓室、母線洞、主變洞、主交通洞、通風(fēng)及逃生洞，以及其它施工支洞等輔助洞室組成了一個龐大的地下洞室群。其中，尾水隧洞共有2條，分別為1號尾水洞、長8 705.505 m和2號尾水洞、長8 609.625 m，屬于長隧洞。若采用單一施工通道，風(fēng)管距離較長，風(fēng)的損耗較大，供風(fēng)不易滿足通風(fēng)要求?？紤]到尾水隧洞沿線埋深為100 m左右，埋深不大，為了增加施工工作面，加快施工進(jìn)度，縮短工期，以及滿足施工作業(yè)通風(fēng)要求，卡魯瑪水電站采用“長洞短打”方案進(jìn)行施工。即2條尾水隧洞布置3條施工支洞，分別為8號尾水施工支洞、9號尾水施工支洞和10號尾水施工支洞。8號施工支洞作業(yè)面進(jìn)入主洞后會形成4個工作面，按照進(jìn)入主洞4個工作面同時施工的要求，布置2臺2×110 kW風(fēng)機(jī)和2臺2×160 kW風(fēng)機(jī)；9號施工支洞進(jìn)入主洞后也會形成4個工作面，布置2臺2×110 kW風(fēng)機(jī)、1臺2×160 kW風(fēng)機(jī)和1臺2×200 kW風(fēng)機(jī)；10號施工支洞進(jìn)入主洞后會形成2個工作面，布置1臺2×160 kW風(fēng)機(jī)和1臺2×200 kW風(fēng)機(jī)。尾水隧洞施工通風(fēng)從每個支洞的供風(fēng)站用DN300的鋼管向洞內(nèi)供風(fēng)，進(jìn)入主洞后分接4根DN150鋼管向4個工作面進(jìn)行供風(fēng)，DN150鋼管鋪設(shè)至澆筑墊層混凝土位置，換成2根?100膠管進(jìn)行供風(fēng)。

整個尾水隧洞施工期間采用壓入式通風(fēng)，通風(fēng)量計算根據(jù)施工階段、施工程序和方法、施工設(shè)備和人員配置等諸多因素，結(jié)合中國大型地下廠房工程的施工經(jīng)驗，計算施工人員、爆破散煙、機(jī)械設(shè)備和排塵要求等需風(fēng)量并取其中最大值[14]。

2 隧洞施工通風(fēng)數(shù)值模擬

2.1 數(shù)學(xué)原理

計算流體力學(xué)(CFD)的基本原理是采用數(shù)值計算方法離散化求解連續(xù)流體流動的基本微分方程，得出流體基本物理量在連續(xù)區(qū)域上的近似解。ANSYS Fluent是基于CFD原理采用先進(jìn)的計算機(jī)程序仿真模擬流體的流動、熱交換和化學(xué)變化等過程。本文基于流體為不可壓縮、非穩(wěn)態(tài)紊流假設(shè)[7-8]，運用ANSYS Fluent軟件，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流數(shù)學(xué)模型[15]，模擬10號施工支洞施工通風(fēng)過程中速度場、溫度場和CO質(zhì)量濃度場的分布規(guī)律。

連續(xù)性方程(質(zhì)量方程)：

(1)

動量方程：

(2)

能量方程：

(3)

k-ε紊流模型：

Gk+Gb-ρε+Sk

(4)

圖1 10號施工支洞工作面附近三維物理模型及網(wǎng)格劃分圖

(5)

2.2 隧洞三維建模

尾水系統(tǒng)隧洞施工采用鉆爆法開挖，爆破后主要在工作面附近產(chǎn)生大量的熱量、粉塵及CO有毒氣體等。爆破完成后，采用壓入式通風(fēng)，工作面附近的風(fēng)流場、溫度場和CO質(zhì)量濃度場不斷發(fā)生變化直至穩(wěn)定。本文主要對爆破完成后，隧洞通風(fēng)開始到狀態(tài)穩(wěn)定這一時間段內(nèi)的風(fēng)流組織進(jìn)行仿真模擬。考慮到如果對整個尾水系統(tǒng)施工通風(fēng)進(jìn)行仿真，模型數(shù)據(jù)較大，對計算機(jī)計算能力要求較高。為突出研究問題的重點，本文對仿真模型進(jìn)行了簡化，以10號施工支洞工作面附近區(qū)域為研究對象。

10號施工支洞全長415.32 m，斷面尺寸8.0 m×7.0 m，進(jìn)口高程1 012.53 m，末端高程917.414 m，最大縱坡-9.07%。風(fēng)筒直徑1.5 m，距離工作面20 m。利用ANSYS Workbench中DesignModeler(DM)軟件建立研究對象的三維模型，見圖1(a)。網(wǎng)格劃分的精細(xì)程度越高，計算結(jié)果的精度就越高，但計算效率就越低下[9]。因此，網(wǎng)格劃分中要兼顧計算精度和計算效率，選擇合適的網(wǎng)格劃分尺寸。本文采用六面體結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，考慮到計算效率和精度的要求，對風(fēng)管管壁和隧洞壁等邊界條件發(fā)生變化部位進(jìn)行網(wǎng)格加密。網(wǎng)格模型見圖1(b)。

2.3 邊界條件

2.3.1 入口邊界

隧洞施工采用壓入式通風(fēng)，風(fēng)管出口為隧洞供風(fēng)的入口，設(shè)定為速度入口。根據(jù)建立的物理模型，風(fēng)速沿x正方向壓入隧洞，風(fēng)速大小為20 m/s，假定為均勻分布；y方向和z方向風(fēng)速為0。入口湍流參數(shù)可通過設(shè)定湍流強(qiáng)度I來實現(xiàn)[11]。

(6)

式中:u′為速度波動的均方根，m/s；uavg為平均速度，m/s；ReDH為水力直徑為DH時的雷諾數(shù)；DH為水力直徑，對于圓管，水力直徑等于圓管內(nèi)徑，本文中風(fēng)管為圓管，內(nèi)徑為1.5 m，故水力直徑DH=1.5 m。

2.3.2 出口邊界

本計算模型中，洞口為空氣排出的唯一通道，設(shè)定為壓力出口，與外界相通，出口壓力和溫度與外界大氣相同。因此，表壓設(shè)置為0，溫度設(shè)置為25 ℃。

2.3.3 固體壁面邊界

通風(fēng)管壁、隧洞壁和工作面采用標(biāo)準(zhǔn)固體壁面，無滑移，壁面溫度與外界大氣相同。

2.3.4 CO初始質(zhì)量濃度

鉆爆法施工中，在工作面附近會產(chǎn)生大量CO等有毒氣體，爆破后產(chǎn)生的CO氣體初始質(zhì)量濃度計算可按式(7)計算[8]：

(7)

式中:c為CO初始質(zhì)量濃度，kg/m3；ρ為CO密度，kg/m3；q為單位耗藥量，kg/m3；l為炮孔深度，m；b為每kg炸藥產(chǎn)生的有毒氣體，m3/kg，可取0.04 m3/kg；L為炮煙投擲長度，m。

經(jīng)計算c≈3.975×10-3kg/m3。

4 模擬結(jié)果分析

4.1 風(fēng)流場模擬結(jié)果

圖2給出了通風(fēng)初始時刻，10號施工支洞工作面附近縱向軸對稱面的風(fēng)流場分布變化情況。從模擬結(jié)果可以看出，通風(fēng)1 s后從風(fēng)管紊動射流尚未到達(dá)工作面，紊動射流與隧洞內(nèi)周圍空氣發(fā)生動量交換，形成卷吸效應(yīng)，帶動周圍空氣運動，進(jìn)而在隧洞頂部和中部形成2個反向旋渦。通風(fēng)10 s后，射流充分發(fā)展，隧洞頂部空氣受射流卷吸作用影響范圍擴(kuò)大，流向工作面的空氣長度增加，風(fēng)管射流區(qū)下部漩渦進(jìn)一步發(fā)展為狹長型。

圖2工作面附近縱向?qū)ΨQ面施工通風(fēng)初始時刻風(fēng)流場矢量圖

圖3 t=5 min時，工作面附近風(fēng)壓場分布云圖

圖3為通風(fēng)5 min后得到的風(fēng)壓分布云圖，工作面附近最大風(fēng)壓為33.11 Pa，最小風(fēng)壓為-11.10 Pa，最大風(fēng)壓區(qū)位于工作面附近，負(fù)壓區(qū)位于風(fēng)管射流附近，風(fēng)管出口后部隧洞風(fēng)壓基本相同約1.53 Pa。工作面頂部和底部壓強(qiáng)較大，呈“凹”型分布，這是由于風(fēng)流從風(fēng)管射出到工作面上，動量發(fā)生變化而造成的。

4.2 溫度場模擬結(jié)果

采用鉆爆法開挖過程中，由于施工爆破會在工作面附近產(chǎn)生大量的熱量。本文將爆破后工作面附近區(qū)域的初始溫度設(shè)定為30 ℃，風(fēng)管射流輸送的新鮮空氣溫度設(shè)定為18 ℃，對通風(fēng)過程中工作面附近溫度場變化情況進(jìn)行模擬。從圖4(a)可知，通風(fēng)10 s時，一方面，風(fēng)管紊動射流和隧洞空氣相互作用摻混，交換能量，降低洞內(nèi)溫度；另一方面，隨著新鮮空氣的不斷輸入，由于風(fēng)流的對流作用，隧洞內(nèi)熱空氣不斷被壓向洞口排出。由圖4(b)可知，通風(fēng)約50 s后，工作面附近30 m范圍內(nèi)洞內(nèi)溫度降低到約22 ℃，通風(fēng)散熱作用效果明顯。

4.3 CO質(zhì)量濃度場模擬結(jié)果

圖5給出了t=5 s、10 s和190 s時工作面附近CO質(zhì)量濃度場分布云圖。由圖5(a)可知，通風(fēng)5 s時，風(fēng)管射流附近CO質(zhì)量濃度最低，主要原因是風(fēng)管射流輸送的新鮮空氣通過稀釋作用降低了CO質(zhì)量濃度。由圖5(b)可知，通風(fēng)10 s后，風(fēng)管射流到達(dá)工作面，風(fēng)流對流擴(kuò)散作用將洞內(nèi)空氣向洞口方向“擠排”，工作面處CO質(zhì)量濃度降低到2.609×10-3kg/m3。圖5(c)所示為通風(fēng)約190 s后，工作面附近30 m區(qū)域范圍內(nèi)CO質(zhì)量濃度最高為2.235×10-5kg/m3，低于安全質(zhì)量濃度3.0×10-5kg/m3。

從圖6(a)可知工作面附近縱軸對稱面中心線上CO質(zhì)量濃度隨時間分布情況。距離工作面15 m處CO質(zhì)量濃度最低，這是由于距離風(fēng)管出口越近，風(fēng)管射流稀釋作用越強(qiáng)。距離工作面30 m處CO質(zhì)量濃度最高，這是由于對流作用將CO向洞口推移，導(dǎo)致CO質(zhì)量濃度升高。隨著通風(fēng)時間增加，隧洞內(nèi)CO質(zhì)量濃度逐漸降低，通風(fēng)3 min后，洞內(nèi)濃度降低到安全值附近。

從圖6(b)可知通風(fēng)120 s時工作面附近縱軸對稱面不同位置CO質(zhì)量濃度隨高度變化情況。工作面附近隧洞頂部由于風(fēng)流的對流作用較弱，CO質(zhì)量濃度最高。由于風(fēng)管射流的稀釋作用，在沿風(fēng)管出口正方向的同一平面上，風(fēng)管軸線處CO質(zhì)量濃度最低。隨著平面不斷遠(yuǎn)離風(fēng)管出口，靠近工作面位置，射流稀釋作用逐漸減小，在工作面附近CO質(zhì)量濃度場幾乎不受稀釋作用影響。

圖4 工作面附近溫度場分布云圖

圖5 工作面附近CO質(zhì)量濃度場分布云圖

圖6 工作面附近CO質(zhì)量濃度分布圖

5 結(jié) 語

隧洞施工通風(fēng)對于洞施工進(jìn)度、安全和質(zhì)量具有制約作用，關(guān)系到施工作業(yè)人員的生命健康安全，是隧洞施工的關(guān)鍵工序。本文在分析卡魯瑪尾水隧洞施工通風(fēng)布置方案的基礎(chǔ)上，基于CFD理論，以10號施工支洞施工通風(fēng)為例，運用ANSYS Fluent軟件進(jìn)行了三維動態(tài)模擬計算，模擬結(jié)果直觀地展示了風(fēng)流速度場、溫度場和CO質(zhì)量濃度場隨通風(fēng)時間的分布變化規(guī)律，為隧洞通風(fēng)設(shè)計和計算提供了理論依據(jù)，對施工實踐具有理論指導(dǎo)意義。

仿真結(jié)果表明，隧洞施工通風(fēng)過程中，受風(fēng)管射流卷吸效應(yīng)影響，風(fēng)管射流的卷吸作用會在風(fēng)管射流區(qū)下部形成一個狹長型低速漩渦區(qū)；由于射流速度較高，在風(fēng)管出口附近會形成負(fù)壓區(qū)；風(fēng)管紊動射流通過與周圍空氣的摻混，不斷交換動量和能量，與周圍熱空氣進(jìn)行熱交換，對CO氣體具有稀釋作用；隨著通風(fēng)時間，射流到達(dá)工作面后，工作面附近風(fēng)流組織狀態(tài)逐步趨于穩(wěn)定，對流擴(kuò)散作用增強(qiáng)，將熱空氣和CO氣體向洞口“擠排”，降低工作面附近洞內(nèi)溫度和CO質(zhì)量濃度。