基于CFD的超长小断面隧洞风机接力抽风效果优化设计方法

技术领域

本发明涉及隧道施工技术领域，尤其涉及一种基于CFD的超长小断面隧洞风机接力抽风效果优化设计方法。

背景技术

超长小断面隧洞受断面尺寸的限制，在有限的空间内施工作业时，工序相互干扰大，在同一个工作面上钻孔、爆破、出渣等工序需要按照时间顺序循环进行。隧洞在掘进施工的过程中，掌子面附近会产生大量的悬浮粉尘和有害气体。为了保证施工人员的工作空间具有良好的空气条件，需要将这些有害气体和粉尘排出隧洞，或稀释到安全的浓度范围以内。

目前隧洞通风采用的压入式通风系统，是通过安装在隧洞出口的风机，将新鲜风流通过风机进入风管，送到掌子面附近，掌子面附近的污浊空气流经隧洞排出；同时压入式通风方式风管内空气流速大，供氧速度快，新鲜空气滞留工作面的时间短，适合采取钻爆法施工工艺时的隧洞通风；当采取悬臂式掘进施工工艺时不适合采用压入式通风，由于受到隧洞断面尺寸的限制，不能在洞内增加布置轴向射流风机提升通风效果，只能依靠通风管道进行抽风操作，抽出式通风有效吸程小，排出工作面烟尘的能力较差，但是能够较快的将掌子面附近的烟尘排出，适合采取悬臂式掘进施工工艺时使用，能够为悬臂式掘进提供较为清晰的视野，但掘进深度增加后，风机的抽风效果随着隧道掘进深度增加而逐步衰减，而作业引起的粉尘浓度、有害气体逐步累积。

关于悬臂式掘进施工工艺时抽风通风方式需要进行优化，随着隧洞掘进深度的增加，风管的延长，风机抽风效果逐步降低的问题，以及当前靠试验及经验判断风机安装的最优位置，由于试验费用昂贵且周期长，工程经验具有不确定性，因此，基于断面小、隧洞长等客观因素，所产生的施工通风技术难点，就显得比较突出。当前CFD软件即计算流体动力学是近代流体力学，数值数学和计算机科学结合的产物。它以电子计算机为工具，应用各种离散化的数学方法，对流体力学的各类问题进行数值实验、计算机模拟和分析研究，以解决各种实际问题。因此，基于CFD方法分析超长小断面隧洞抽风效果，能够较快的排出掌子面附近的烟尘，是一个亟需研究的课题。

发明内容

本发明的目的在于提供基于CFD的超长小断面隧洞风机接力抽风效果优化设计方法，基于CFD方法分析超长小断面隧洞采取多台风机接力状况下，风管及隧洞内气流场的分布，分析气体的扩散规律为风机的功率选择及风机风管布置优化提供设计依据。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

基于CFD的超长小断面隧洞风机接力抽风效果优化设计方法，包括以下步骤：

S1、对隧洞和风管进行建模，对n个风机安装在风管内的位置建立分段模型，即第一风机至隧洞入口段为第一段模型，安装在风管出风口处的第n风机与隧洞掌子面段为第n段模型；第一风机至第n风机的模型，即第一风机与第n风机之间根据隧洞掘进的深度确定风机安装的数量并接长风管，获得三维几何模型；

S2、对获得的三维几何模型进行网格划分，并把网格划分后生成的网格文件导入CFD仿真软件进行计算，获得数学计算模型；

S3、模拟风机抽风，对数学计算模型设定运算所需的模型参数和边界条件：

1)采用k－ε湍流模型作为数学计算模型，模型参数为端流模型参数；

2)边界条件设置：

模拟风机抽风时，在风机安装位置定义交界面，并在交界面上定义风机类型，根据风机的风量-风压表确定风机的输入功率；

隧洞入口为速度边界：类型为velocity-inlet，方向沿入口边界法线方向；

风管出风口为压力边界：类型为pressure-outlet，相对压差为0；

隧洞与风管的其他交界面的边界类型均为wall，满足无滑移条件，即Vi＝0m/s；

S4、改变风管在隧洞内的相对位置：在CFD仿真软件中，在隧洞横断面处不同位置截取风管直径大小的圆作为风管，不同的风管位置就在相应位置划分为一个圆，沿着隧洞轴线方向为隧洞工作面，基于数学计算模型计算并获得不同位置风管在隧洞工作面的风速分布图，包括隧洞工作面风管风速矢量在水平剖面上的风速分布图和隧洞入口风速矢量在垂直剖面上的风速分布图；

S5、根据上述风速分布图及模型参数，不同位置的风管在隧洞工作面对应不同的截面，在不同截面选取计算点，通过CFD后处理功能得到所述计算点的风速值，即得到定量化的不同位置风管内的风速值，比对不同位置风管内的风速值，得出最大的风速值，判断出最优的风管安装位置。

作为本发明的优选技术方案，步骤S1中第一风机至隧洞入口的距离为20m，第n风机与隧洞掌子面的距离为3m，所述第n风机安装位置为风管出风口，距离隧洞掌子面为3m。

作为本发明的优选技术方案，所述步骤S1具体包括以下步骤：

1)根据隧洞模型尺寸采用三维建模软件建立1:1隧洞实际三维模型，所述隧洞横断面为带有弧形顶部的矩形，该隧洞实际三维模型的参数包括：隧洞宽度、高度、非弧形段侧壁高度；

2)在隧洞中相应位置采用三维建模软件建立风管实际三维模型，涉及参数为风管的直径；

3)在风管内相应位置采用三维建模软件建立多个风机实际三维模型。

优选地，步骤S4中在隧洞横断面处不同位置截取风管直径大小的圆作为风管，不同的风管位置就在相应位置划分为一个圆，具体为在隧洞横断面的中轴线等间距设置若干个圆，通过步骤S5计算并比较不同高度风速值后确定风管设置的最优高度，在所述最优高度的水平面沿着中轴线的左右两侧等间距设有相同的圆，重复步骤S5，直至确定风管的最优安装位置。

作为本发明的优选技术方案，该设计方法还包括建立分段模型后对风机抽风功率的确定：通过第一个分段模型确定第一个风机的最小抽风功率，然后通过第二个分段模型确定第二个风机的最小抽风功率，以此类推，直到求出最后一个即第n个分段模型确定安装在隧洞出风口的风机的最小抽风功率，P代表最小抽风功率，比对所有分段模型的最小抽风功率P，取最大值作为所有分段模型内风机的功率。

综上所述，与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1、安装在风管内的多个风机通过建立分段模型实现风机合理接长，根据掘进深度来确定风机数量，至少设置两个，距离隧洞一定距离位置设置风机，同时在风管出风口处设置风机，隧洞横断面处设置不同位置的风管，能在较短时间内实现多个设计方案的验证，可以方便地计算出风管不同安装位置下的性能参数，科学有效地确定出风管的最优安装位置，与此同时，风管内的多个风机抽风功率的确定通过分段模型进行确定，比对后将得到的最大抽风功率，统一所有风机的抽风功率，结合CFD方法分析超长小断面隧洞采取多台风机接力状况下，风管及隧洞内气流场的分布，分析气体的扩散规律为风机的功率选择及风机风管布置优化提供设计依据。

2、改变风管位置，即隧洞工作面内的不同位置风管位置，基于数学计算模型计算并获得不同位置风管在隧洞工作面的风速分布图，包括隧洞工作面附近风管垂直剖面和水平剖面的风速分布图，比对分析后可见风管内部的风速显著增加，极大提升了有害气体、粉尘的排出效率。本发明仿真优化设计计算具有成本低、速度快、易得到风机功率以及风机风管布置位置的优势。

附图说明

图1为本发明优化设计方法的流程图；

图2为实施例1改变风管在隧洞内的相对位置中风管布设示意图；

图3为实施例1风管安装最优位置示意图；

图4为对比例1第一风机安装位置示意图；

图5为实施例1第一风机和第二风机的安装位置示意图；

图6为对比例1隧洞入口风速矢量在垂直剖面上的风速分布图；

图7为对比例1隧洞工作面附近风管的风速矢量在水平剖面上的风速分布图；

图8为实施例1隧洞入口风速矢量在垂直剖面上的风速分布图；

图9为实施例1隧洞工作面附近风管的风速矢量在水平剖面上的风速分布图；

图中：1-隧洞横断面，2-风管，3-风机，31-第一风机，32-第二风机。

具体实施方式

下面将结合本申请中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通的技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请的保护范围。

参阅流程图1，基于CFD的超长小断面隧洞风机接力抽风效果优化设计方法，包括以下步骤：

S1、对隧洞和风管进行建模，对n个风机安装在风管内的位置建立分段模型，即第一风机至隧洞入口段为第一段模型，安装在风管出风口处的第n风机与隧洞掌子面段为第n段模型；第一风机至第n风机的模型，即第一风机与第n风机之间根据隧洞掘进的深度确定风机安装的数量并接长风管，获得三维几何模型；

其中，第一风机至隧洞入口的距离为20m，第n风机与隧洞掌子面的距离为3m，所述第n风机安装位置为风管出风口，距离隧洞掌子面为3m。

三维几何模型建立具体包括以下步骤：

1)根据隧洞模型尺寸采用三维建模软件建立1:1隧洞实际三维模型，所述隧洞横断面为带有弧形顶部的矩形，该隧洞实际三维模型的参数包括：隧洞宽度、高度、非弧形段侧壁高度；

2)在隧洞中相应位置采用三维建模软件建立风管实际三维模型，涉及参数为风管的直径；

3)在风管内相应位置采用三维建模软件建立多个风机实际三维模型。

S2、对获得的三维几何模型进行网格划分，并把网格划分后生成的网格文件导入CFD仿真软件进行计算，获得数学计算模型；

S3、模拟风机抽风，对数学计算模型设定运算所需的模型参数和边界条件：

1)采用k－ε湍流模型作为数学计算模型，模型参数为端流模型参数；

2)边界条件设置：

模拟风机抽风时，在风机安装位置定义交界面，并在交界面上定义风机类型，根据风机的风量-风压表确定风机的输入功率，即风机的最小抽风功率；

隧洞入口为速度边界：类型为velocity-inlet，方向沿入口边界法线方向；

风管出风口为压力边界：类型为pressure-outlet，相对压差为0；

隧洞与风管的其他交界面的边界类型均为wall，满足无滑移条件，即Vi＝0m/s；

S4、改变风管在隧洞内的相对位置：在CFD仿真软件中，在隧洞横断面处不同位置截取风管直径大小的圆作为风管，不同的风管位置就在相应位置划分为一个圆，沿着隧洞轴线方向为隧洞工作面，基于数学计算模型计算并获得不同位置风管在隧洞工作面的风速分布图，包括隧洞工作面风管风速矢量在水平剖面上的风速分布图和隧洞入口风速矢量在垂直剖面上的风速分布图；

S5、根据上述风速分布图及模型参数，不同位置的风管在隧洞工作面对应不同的截面，在不同截面选取计算点，通过CFD后处理功能得到所述计算点的风速值，即得到定量化的不同位置风管内的风速值，比对不同位置风管内的风速值，得出最大的风速值，判断出最优的风管安装位置。

作为本实施例的优选实施方式，参阅图2，步骤S4中在隧洞横断面处不同位置截取风管直径大小的圆作为风管，不同的风管位置就在相应位置划分为一个圆，具体为在隧洞横断面的中轴线等间距设置若干个圆，通过步骤S5计算并比较不同高度风速值后确定风管设置的最优高度，在所述最优高度的水平面沿着中轴线的左右两侧等间距设有相同的圆，重复步骤S5，直至确定风管的最优安装位置。

本实施例设计方法还包括建立分段模型后对风机抽风功率的确定：通过第一个分段模型确定第一个风机的最小抽风功率，然后通过第二个分段模型确定第二个风机的最小抽风功率，以此类推，直到求出最后一个即第n个分段模型确定安装在隧洞出风口的风机的最小抽风功率，P代表最小抽风功率，比对所有分段模型的最小抽风功率P，取最大值作为所有分段模型内风机的功率。

将上述具体方法应用在具体案例中，超长小断面隧洞的横断面如图2和图3所示，隧洞宽度为4.5m，高度为4.1m，风管直径为0.8m，风管出风口距离掌子面3m，隧道掘进至600m。为了对比分析单个风机和双风机抽风效果，作以下对比试验：

对比例一：模拟单个风机抽风，参阅图4，布置一台风机即第一风机31进行抽风操作，风机距离洞口20m。

实施例一：n取值2，建立两个分段模型，模拟双台风机抽风，参阅图5，布置第一风机和第二风机共两台风机进行抽风操作，其中第一风机安装在隧洞入口处的风管内，距离隧洞入口20m，第二风机安装在风管出风口处且距离掌子面3m。

基于CFD方法对抽风工况进行数值计算时，划分网格时网格数量约800万，确保网格在风管及隧洞内壁加密，具体在模拟风机抽风时，通过在风机所在位置定义交界面(interface)，并在交界面上定义风机类型(fan)，根据风机的风量-风压表(Q-P表)确定风机的输入功率即抽风功率，所采取的流量-压力表如表1所示；风管与隧洞的其他交界面定义为壁面(wall)或者挡板(patch)，满足无滑移条件，即Vi＝0m/s。

表1风机的流量-压力表

根据上表确定风机的初始输入功率即抽风功率，下面确定试验过程中所用的风机的抽风功率：为了试验的可比性，对比例一风机采用实施例一风机相同的抽风功率。根据实施例一，采用两台风机进行抽风试验，通过第一个分段模型确定第一个风机的最小抽风功率为37kw,然后通过第二个分段模型确定第二个风机的最小抽风功率低于第一风机的最小抽风功率，于是将两个分段模型内风机的功率全部设置为第一风机的最小抽风功率37kw。在同等的条件下，对比例一所采用的1台风机即第一风机的抽风功率也为37kw。

确定风管安装位置：参阅图2，在隧洞横断面处不同位置截取风管直径大小的圆作为风管，不同的风管位置就在相应位置划分为一个圆，具体为在隧洞横断面的中轴线等间距设置若干个圆，中轴线上的每一个圆左右两侧等间距设有相同的圆。为了试验的可比性，对比例一的风机安装在风管位置的确定与实施例一相同，具体如下：

隧洞高度4.1m，宽度4.5m,风管直径为0.8m，非圆弧段侧壁高度2.2m，隧道掘进深度600m；设在非圆弧段侧壁高度为2.2m处，且在隧洞中轴线上风管安装位置为x

采用本申请优化设计方法对上述不同风机位置进行模拟风机抽风，同实施例一采用两台风机进行模拟抽风，均为轴流式风机，得到在隧洞中轴线上的不同风机高度以及同一高度水平方向的通风模拟结果，详见表2：

表2不同风管位置的通风模拟结果

由表2可知，当风管布置高度位于隧洞顶部时(高度2.6m)，因为靠近隧洞顶部时,轴流能量损耗再次增加，风机通风效率减小。确定y

确定对比例一和实施例一的风管安装位置为x

对比例1：设置与对比例一相同的工况，隧洞掘进深度为600m，隧洞入口采用1台风机进行抽风的工况下，图6是隧洞入口风速矢量在垂直剖面上的分布，图7是隧洞工作面附近风管的风速矢量在水平剖面上的分布图，可以看到：管道内部的风被抽出隧洞，风管内部风速最大为11.3m/s,隧洞新鲜空气以小于1m/s的速度进行隧洞内部；风到达风管出风口处风速逐步减小，隧洞内部的风被抽向风管，隧洞工作面附近风管内部的风速最小为4.68m/s，说明风速沿着约600m的管道逐步衰减。因此可以考虑增加风机，进行风机接力，提高风速，促进污染物快速排出。

对比例2：设置与对比例一相同的工况，隧洞掘进深度为500m，隧洞入口采用1台风机进行抽风的工况下，管道内部的风被抽出隧洞，风管内部风速最大为15.8m/s,隧洞新鲜空气以小于1m/s的速度进行隧洞内部；风到达风管出风口处风速逐步减小，隧洞内部的风被抽向风管，隧洞工作面附近风管内部的风速最小为8.54m/s，说明风速沿着约管道逐步衰减。

对比例1与对比例2对比分析可知：当隧洞只有一台抽风风机时，掘进深度为500m对应隧洞工作面附近风管内部的风速最小为8.54m/s，掘进深度为600m对应隧洞工作面附近风管内部的风速最小为4.68m/s，随着掘进深度的增加，隧洞工作面附近风管内部的风速衰减明显，为了保障施工现场的通风环境，说明此时应采取风机接力提高隧洞内风速。

实施例1：设置与实施例一相同的工况，隧洞掘进深度为600m，隧洞入口采用2台风机进行抽风的工况下，图8是隧洞入口风速矢量在垂直剖面上的分布，图9是隧洞工作面附近风管的风速矢量在水平剖面上的分布图，可以看到：隧洞采取2台风机后，隧洞入口附近的管道内部的风速有14.7m/s，风到达风管出风口处风速有所增加，隧洞内部的风被抽向风管，隧洞工作面附近风管内部的风速达到21m/s。

实施例1与对比例1对比分析可知：隧洞工作面附近风机管道添加两台抽风风机相对于一台风机，管道内部的风速显著增加，极大提升了有害气体、粉尘的排出效率。

根据上述对比例1、对比例2和实施例1，继续增加新的对比例3、实施例2和实施例3，在不同的掘进深度对应进行风机设置，在同等工况下试验，得到不同掘进深度隧洞工作面附近风管风速计算值，以及对应的实测值，具体参见表3：

表3不同掘进深度隧洞工作面附近风管的风速计算值和实测值对比

根据计算值与实测值比对可知，单台风机时，掘进深度自500到800时，隧洞工作面附近风管的风速计算值和实测值均逐渐减小，可见风速值随着隧道掘进深度增加而逐步衰减且衰减幅度较大，不能满足地下隧道施工作业环境要求，可判断接长风管增加风机；双台风机后，掘进深度自500到800时，隧洞工作面附近风管内部的计算值和实测值均逐渐衰减但衰减速度较缓慢，风机的抽风效果并没有随着隧道掘进深度增加而大幅度衰减，可以满足地下隧道施工作业环境要求，后续掘进1200m、2000m或更深,继续接长风管继续增加风机后，测算隧洞工作面附近风管内部的风速达到20m/s以上，风机的抽风效果并没有随着隧道掘进深度增加而大幅度衰减，可以满足地下隧道施工作业环境要求。因此本申请分段模型建立可以模拟实际工况，简化试验流程，能在较短时间内实现多个设计方案的验证。

另外，对采取抽出式通风隧洞进行了风速实测，表3得到不同掘进深度时单双台风机设置对应的风速实测值，比对可知现场测量值比计算值偏小，由于现场风管存在安装扭转、风管漏风、风管衔接有错位、风管壁面粗糙等因素，增大了通风的风阻，现场的风速衰减更为明显，实测风速比计算值偏小，通过表格验算可知计算值与实测值偏差在±20％，后续根据对应的计算值加上偏差值即可接近实测值。

综上所述，本申请通过结合CFD方法分析超长小断面隧洞抽风条件下风管及隧洞内气流场的分布，根据不同掘进深度下的气流场的分布规律配置合适的风机数量，在保障掌子面工作环境的同时为项目降本增效。结合CFD方法分析超长小断面隧洞采取多台风机接力抽风状况下风管及隧洞内气流场的分布，可以在距离隧洞一定距离位置设置风机，或者在风管出风口处设置风机，实现风机合理接长。能在较短时间内实现多个设计方案的验证，可以方便地计算出风管不同安装位置下的性能参数，科学有效地确定出风管的最优安装位置，为风机的功率选择及风机风管布置优化提供设计依据。