送风井位于隧道中部的半横向分区段通风特性研(5)

(1)

式中：Qbi为流经i区段风道始端的风量；Abi为i区段风道横断面面积。

该工程风道面积均设置为10.8 m2。C匝道内各区段风道始端风速见表2。

表2 各区段风速起始风速表Table 2 Beginning velocity list for air duct sections区段起始风量/(m3?s?1)起始风速vb/(m?s?1)

传统单端送风型半横向通风方式中，通过调节风阀可使各风阀流出的风量相等。此时，风流在整个风道范围内线性递减，风道末端风速为0，风道内任意点处的风速与始端风速之间满足如下关 系式：

(2)

式中：x为距离风道末端的距离；vx为距离风道末端距离为x处的风速。

该工程中，计算时考虑各区段范围内风量满足线性递减的规律。由此可以得到各区段范围内风速分布形式如下。

1) C1区段内风速分布满足关系式：

() (3)

式中：x′表示距离C1匝道区段末端的距离；L1表示C1区段的长度。

2) C2及C3区段内风速分布满足关系式：

(4)

式中：x′″表示距离C3区段风道末端的距离。风道内风速具体分布形式如图3所示。

2.2 风道内压力分布

根据匝道内风速分布曲线将匝道所划分的3个区段分为2类，一类区段末端风速为零，如C1与C3区段；另一类区段末端风速不为零，如C2区段。

2.2.1 末端风速为0区段风道静压分布求解

隧道内的流动空气密度变化较小，且符合连续介质假设，可以考虑为理想流体[12]。风道送风过程中可以将风道视为主管，风孔视为支管，主管与主管间、主管与支管间流线始终保持连续性，因此可以将伯努利方程应用于总流与支流管路之间。对于末端分速为0的区段，通过对风道末端和风道内任意断面建立总流伯努利方程可以实现对风道内任意位置处静压的求解。风道内风流示意如图4所示。

图4 风道内风流示意Fig. 4 Schematic diagram of air flow in duct

取1和2断面建立伯努利方程：

(5)

式中：P1为风道末端静压；P2为断面2的静压；hw为风流从断面2流至断面1所产生的压力损失。压力损失来源于2个部分，分别是风流沿风道粗糙内壁流动产生的沿程阻力损失和风流流经风阀处产生的局部阻力损失，后者类似于三通管中的直通损失相较于第1部分很小，可以忽略[13]。由于2个断面高差较小，计算忽略两端的势能差时式(5)可以变形为：

取微段dx进行沿程损失分析，微段内的沿程损失为：

(7)

式中：Dr为主风道当量直径；x为距区段末端距离；λr为主风道沿程阻力系数，该值由风道平均壁面粗糙度Δ确定。

风道内壁面由混凝土制造，平均粗糙高度可取为3 mm，沿程阻力系数计算为0.021。容易求得区段内任意点处的静压P2为：

(9)

将vx与风道始端风速vb之间的关系式代入上式，可以推导得风道末端风速为0的风道内静压分布公式为：

化简后为：

(11)

本工程中，C1区段风道末端风速为0，其风道内静压分布公式可以采用该式进行计算。当不考虑C2与C3区段对该区段的静压影响时计算可首先确定其末端静压P1。参照《公路隧道通风设计细则》，为保证风道送风量分布的均匀性，该值通常取为150 N/m2。计算得到的风道内静压分布形式如图5所示。

根据图5，满足C1区段送风需求时，风道始端静压应为178.93 Pa，风道内最大静压差为28.93 Pa。

C3区段末端风速为0，该区段内静压求解方法与C1区段相同。取末端静压为150 Pa时，求解公式如下：

(12)

求得的风道区段始端静压为152.22 Pa，静压差降为2.22 Pa。

2.2.2 末端风速不为0区段风道静压分布求解

C2区段末端风速不为0。对C2区段内任意断面(其静压用表示)与C2末端断面(其静压用表示)建立伯努利方程，可得C2区段内任意位置处的静压应满足如下关系式：

(13)

式中：x″表示距离C2区段的距离。根据C2与C3区段内的风速分布曲线可知该部分风道内风速分布形式为一条折线，由2条斜率不同的直线组成，令C3区段内风速曲线斜率为k3，C2区段内风速斜率为k2，那么C2区段内风速分布公式可由下式 表达：

将该式代入C2区段内静压求解公式并化简 可得：

仅考虑C2与C3区段的送风需求时，风道内的静压分布计算结果如图6所示。

文章来源：《创新创业理论研究与实践》 网址: http://www.cxcyllyjysj.cn/qikandaodu/2020/1228/671.html