基于Fluent的多元通风系统数值模拟分析

第44卷第7期 山西建筑Vol.44No.72 0 1 8 年3 月 SHANXI ARCHITECTURE Mar.2018 •123 •文章编号：1009-6825 (2018)07-0123-02基于F L U E N T模拟的通风屋顶流场分析胡晓蕾高岩(北京建筑大学环境与能源工程学院，北京100044)摘要:通风屋顶作为一种传统的自然通风方式，对于降低建筑能耗和节约能源有非常重要的作用，针对通风屋顶的通风桥进行 研究，运用F L U E N T软件模拟分析其内部温度场和流速场的分布和变化。

关键词:通风屋顶,通风桥，温度场,速度场中图分类号:T U834.1 文献标识码:A〇引言近年来，随着绿色建筑的大力发展，人们越来越关注室内环境的舒适度，建筑节能日益受到广泛的关注。

在这样的大趋势下，空调技术不断发展,而空调技术带来的能源消耗和“空调病”等现状也日益突出。

面对现今能源紧张、节能压力增大、空气品质下降、建筑综合症等状况，自然通风这一传统的气候适宜性技术开始受到人们的青睐[1]。

本文首先介绍了通风屋顶的结构、原理等，之后通过运用流场模拟软件F L U E N T来模拟分析其内部的 温度和流速分布。

1建筑通风1.1 建筑通风的目的建筑自然通风的目的主要有两个:一是使用建筑手法营造一 个良好的自然通风室内环境;二是采用科学技术,使夏季在室内 人们可以感受到凉爽而冬季又不会感觉潮湿[2]。

它在很大的程 度上降低人们对空调的使用率从而降低电耗，节约能源。

另一方 面，自然通风又可提供充足的新风量，从而改善室内的空气品质，降低呼吸道疾病的发病率。

1.2自然通风的形成原因自然通风包括完全自然通风和机械辅助的人文通风。

而完 全自然通风的形成主要由两个方面决定，即“压力差”和“温度 差”。

具体来说是风速流动形成压力差和墙壁温度不同造成的室 内外温差引发了室内外空气的流动[3]。

1.3屋顶结构在自然通风中的作用随着空间高度的上升而温度越来越高的现象使得由于高度 差带来了温度的差异，整个建筑物自上而下纵向会形成一个类似 “竖井”的结构，由温度的差异来加速了气流的运动，总而言之，概 括为就是“温差产生热压，热压带动气流，气流引发通风”[2]。

基于FLUENT的掘进作业面通风降温数值模拟研究聂晓邺【摘要】掘进作业面是矿山开采的主要工作面之一,研究高温矿井掘进作业面通风降温,可为井下深部开采通风系统的设计提出理论依据.根据空气动力学、流体力学和传热学等理论,利用FLUENT 软件,在不同送风风速下对巷道内的温度场的分布进行数值模拟研究.结果表明,送风风速是影响巷道内温度场分布的重要因素之一,巷道围岩温度为35℃,在入口风温为20℃,风速为6 m/s,模拟得到掘进迎头处的温度在26℃左右,在距离掘进2 m的区域内的温度都在28℃以下,基本满足安全规程要求,当风速增加到10 m/s时,可更有效的带走迎头岩壁的热量,通风降温效果越好.【期刊名称】《采矿技术》【年(卷),期】2015(015)006【总页数】4页(P29-31,35)【关键词】通风降温;掘进面;高温矿井;数值模拟;温度场【作者】聂晓邺【作者单位】湖南新龙矿业有限责任公司, 湖南邵阳市 422000【正文语种】中文随着我国矿井开采深度逐渐增加和采掘机械化水平不断提高，矿井热害问题日益凸显，已严重影响了矿井的安全生产和井下作业人员的身体健康[1]。

为了保障矿山正常有序的生产，我国矿山安全条例规定，井下工人作业地点的空气温度，不得超过28℃，超过时应当采取降温或其他防护措施[2]。

目前，我国金属矿井已逐渐进入千米开采时代，井下原岩温度在40℃左右，有些矿井甚至高达50℃。

据统计，我国有三分之一的矿井即将进入深部开采[3]，预计在未来20～50 a内，将大量涌现深井矿山，一部分矿山的开采深度可能进入2000m，个别矿山开采深度可能更大[4]。

近年来，为改善井下高温高湿作业环境，国内外已有许多专家学者进行了研究，并提出了相应的解决办法，归纳起来主要有两大类:一类是通风降温措施；另一类是人工制冷冷却风流的措施[5-10]。

根据矿山的生产实践，当采用隔离热源、加强通风和冷水喷雾等降温措施不足以解决井下热害时，才采用人工制冷降温措施。

文章编号:1006 2610(2018)03 0085 06基于ANSYS Fluent 的隧洞施工通风数值模拟研究王军周(中国电建集团国际工程有限公司,北京　100036)摘　要:基于计算流体力学理论,采用k -ε紊流模型,运用ANSYS Fluent 软件对卡鲁玛水电站尾水隧洞10号支洞施工通风布置方案进行了三维非稳态模拟㊂模拟结果表明:风管射流附近存在负压区,紊态射流的卷吸作用在风管射流区下方形成一个狭长型漩涡区;在射流掺混和风流对流作用下,工作面附近通风降温效果明显;射流的稀释作用和风流对流作用较快地降低了工作面附近CO 质量浓度㊂该施工通风布置方案是合理可行的;验证了ANSYS Fluent 软件用于隧洞通风模拟的可行性㊂关键词:隧洞;施工通风;ANSYS Fluent;数值模拟中图分类号:TV554;TV222.2 文献标志码:A DOI :10.3969/j.issn.1006-2610.2018.03.019ANSYS Fluent -based Study on Numerical Simulation of Ventilation in TunnelingWANG Junzhou(POWERCHINA International Group Limited ,Beijing　100036,China )Abstract :In accordance with theory of computational fluid dynamics (CFD )and by application of the k -εturbulent model and ANSYS Fluent software ,scheme for construction ventilation in access tunnel No.10to the tailrace tunnel Karuma Hydropower Project is simulated in 3D non-steady state.The simulating results demonstrate that the negative pressure zone near the jet flow from the ventilating pipe is a⁃vailable.Below the jet flow ,a narrow and long vortex zone is produced because of the swirling and suction function from the turbulent jet flow.Under action of the mixed jet flow and the air flow convection ,ventilation and temperature reduction near work front are effective obviously.CO concentration near the work front is rapidly decreased by the jet flow dilution and air flow convection.The scheme for con⁃struction ventilation is rational and feasible.It proves the feasibility of application of ANSYS Fluent software for simulating ventilation in tunneling.Key words :tunnel ;ventilation for construction ;ANSYS Fluent ;numerical simulation 收稿日期:2018-01-09 作者简介:王军周(1985-),男,河南省郑州市人,工程师,主要从事国际工程项目开发与管理工作.0　前　言目前,施工技术和施工机械生产效率的不断提高,加快了地下洞室的施工进度,有效地缩短了施工工期,也促使地下洞室群结构成为越来越多水利水电工程的选择㊂相对于地面工程来说,地下洞室施工空间具有相对封闭性的特点,致使施工通风通道受限,通风能力不足㊂若施工中产生的有害气体㊁粉尘和热量得不到及时有效的疏散,将会降低施工机械设备的使用效率,导致施工效率低下,延误施工进度,甚至会严重影响施工人员的生命健康安全[1-3]㊂因此,需要在地下洞室施工过程中源源不断地从外界向施工区域输送新鲜空气,排出有害气体和粉尘,降低隧洞热量,为施工人员创造良好的施工作业环境㊂由此可见,施工通风越来越成为影响地下洞室施工进度的关键因素,尤其对于长隧洞施工而言,随着掘进长度不断增加,施工通风问题就越突出,往往成为快速施工的制约 瓶颈”[4-7]㊂如果施工通风方58西北水电㊃2018年㊃第3期===============================================案布置不当,通风效果差,工作面施工作业环境达不到最低要求,从而严重影响施工人员身体健康,制约工程进展㊂在以往的部分水利水电地下工程施工中,施工通风布置往往通过经验确定,具有很大的不确定性㊂为了避免地下洞室施工作业中由于通风问题进而影响施工活动顺利进行,十分有必要采用科学的理论方法和先进的技术手段对地下洞室施工通风进行仿真模拟㊂由于地下隧洞断面较大,长度更是达数公里,通风量较大,难以通过物理模型实验进行模拟㊂随着计算机技术的发展,计算流体力学(Computa⁃tional Fluid Dynamics,CFD)在流体仿真模拟领域得到了广泛应用,也不断有学者将该模拟方法运用到地下洞室施工通风仿真中来,获得了较好的效果㊂目前,国内外对地下洞室通风模拟已有比较多的研究㊂Parra等[8]模拟了不同通风条件下深矿井的风流场和甲烷质量浓度扩散规律㊂Karraaslan 等[9]采用组分运输模型,利用Fluent软件模拟了马蹄形断面短隧洞火灾发生时的烟气扩散和温度分布规律㊂Guo,Xiaoping等[10]提出了一种新的纵向通风隧洞火灾积分理论,并将两种不同的计算机程序的CFD模拟结果与试验数据进行了对比分析,揭示了CFD模拟中可能存在的缺陷㊂杨庆学等[1]基于系统仿真技术,动态仿真了施工期风量的动态变化和通风影响因素,为通风设备选择和通风方案优化提供决策支持㊂马德萍等[4]分析了不同通风方式下通风流场形态对向家坝地下洞室群施工通风效果影响因素㊂王晓玲等[11-13]研究了隧洞通风作用下的粉尘运移规律以及CO迁移和分布规律等㊂本文基于计算流体力学理论,结合卡鲁玛水电站长尾水隧洞工程施工期通风布置方案,采用ANSYS Work⁃bench通用仿真平台,建立了10号尾水支洞施工通风仿真模型,对其工作面附近通风效果进行了三维模拟研究,分析了工作面附近风流速度场㊁温度场和CO质量浓度场的分布规律㊂结果表明ANSYS Workbench简单易用,仿真成果可靠,能为工程技术人员进行隧洞通风设计㊁通风计算和施工通风优化布置提供理论依据和技术支持㊂1　工程概况乌干达卡鲁玛水电站为地下引水式发电站,由引水隧洞㊁尾水隧洞㊁地下厂房㊁调压室㊁母线洞㊁主变洞㊁主交通洞㊁通风及逃生洞,以及其它施工支洞等辅助洞室组成了一个庞大的地下洞室群㊂其中,尾水隧洞共有2条,分别为1号尾水洞㊁长8705.505m和2号尾水洞㊁长8609.625m,属于长隧洞㊂若采用单一施工通道,风管距离较长,风的损耗较大,供风不易满足通风要求㊂考虑到尾水隧洞沿线埋深为100m左右,埋深不大,为了增加施工工作面,加快施工进度,缩短工期,以及满足施工作业通风要求,卡鲁玛水电站采用 长洞短打”方案进行施工㊂即2条尾水隧洞布置3条施工支洞,分别为8号尾水施工支洞㊁9号尾水施工支洞和10号尾水施工支洞㊂8号施工支洞作业面进入主洞后会形成4个工作面,按照进入主洞4个工作面同时施工的要求,布置2台2×110kW风机和2台2×160kW风机;9号施工支洞进入主洞后也会形成4个工作面,布置2台2×110kW风机㊁1台2×160kW风机和1台2×200kW风机;10号施工支洞进入主洞后会形成2个工作面,布置1台2×160kW风机和1台2×200kW风机㊂尾水隧洞施工通风从每个支洞的供风站用DN300的钢管向洞内供风,进入主洞后分接4根DN150钢管向4个工作面进行供风,DN150钢管铺设至浇筑垫层混凝土位置,换成2根Ø100胶管进行供风㊂整个尾水隧洞施工期间采用压入式通风,通风量计算根据施工阶段㊁施工程序和方法㊁施工设备和人员配置等诸多因素,结合中国大型地下厂房工程的施工经验,计算施工人员㊁爆破散烟㊁机械设备和排尘要求等需风量并取其中最大值[14]㊂2　隧洞施工通风数值模拟2.1　数学原理计算流体力学(CFD)的基本原理是采用数值计算方法离散化求解连续流体流动的基本微分方程,得出流体基本物理量在连续区域上的近似解㊂AN⁃SYS Fluent是基于CFD原理采用先进的计算机程序仿真模拟流体的流动㊁热交换和化学变化等过程㊂本文基于流体为不可压缩㊁非稳态紊流假设[7-8],运用ANSYS Fluent软件,采用标准k-ε湍流数学模型[15],模拟10号施工支洞施工通风过程中速度场㊁温度场和CO质量浓度场的分布规律㊂68王军周.基于ANSYS Fluent的隧洞施工通风数值模拟研究===============================================连续性方程(质量方程):əρət+▽㊃(ρν→)=S m (1)式中:ρ为流体密度,kg /m 3;t 为时间,s;ν→为速度矢量,m /s;S m 为质量源项;▽为哈密顿算子,定义为əəx i →+əəy j →+əəzk →㊂动量方程:əət(ρν→)+▽㊃(ρν→ν→)=-▽p +▽τ+ρg →+F →(2)式中:p 为静压力,Pa;τ为应力张量,τ=μ[(▽ν→+▽ν→τ)-23▽㊃ν→I )],N /m 2;ρg →为重力体积力,N;F →为外部体积力,N㊂能量方程:əət(ρE )+▽㊃[ν→(ρE +p )]=▽㊃[k eff ▽T -∑jh j J j →+(τeff ㊃ν→)]+S h(3)式中:k eff =k +k t 为有效导热系数;J →j 为组分j 的扩散通量;S h 为化学反应热或其他体积热㊂k -ε紊流模型:əət (ρk )+əəx i (ρku i )=əəx j [(μ+μt σk )ək əx j]+G k +G b -ρε+S k(4)图1　10号施工支洞工作面附近三维物理模型及网格划分图əət (ρε)+əəx i (ρεu i )=əəx j [(μ+μt σε)əεəx j ]+C 1εεk G k -C 2ερε2k+S ε(5)式中:k 为紊流动能,m 2/s 2;ε为紊流动能消散率,m 2/s 3;μt 为紊流黏度μt =ρC μk 2ε,(N㊃m)/s;G k 为平均速度梯度产生的紊流动能;G b 为浮动力产生的紊流动能;S k 和S ε为相应的源项;C 1ε㊁C 2ε㊁C μ㊁σk 和σε为常数,ANSYS Fluent 给出常数值分别为C 1ε=1.44,C 2ε=1.92,C u =0.09,σk =1.0,σε=1.3㊂2.2　隧洞三维建模尾水系统隧洞施工采用钻爆法开挖,爆破后主要在工作面附近产生大量的热量㊁粉尘及CO 有毒气体等㊂爆破完成后,采用压入式通风,工作面附近的风流场㊁温度场和CO 质量浓度场不断发生变化直至稳定㊂本文主要对爆破完成后,隧洞通风开始到状态稳定这一时间段内的风流组织进行仿真模拟㊂考虑到如果对整个尾水系统施工通风进行仿真,模型数据较大,对计算机计算能力要求较高㊂为突出研究问题的重点,本文对仿真模型进行了简化,以10号施工支洞工作面附近区域为研究对象㊂10号施工支洞全长415.32m,断面尺寸8.0m×7.0m,进口高程1012.53m,末端高程917.414m,最大纵坡-9.07%㊂风筒直径1.5m,距离工作面20m㊂利用ANSYS Workbench 中DesignModeler (DM)软件建立研究对象的三维模型,见图1(a)㊂网格划分的精细程度越高,计算结果的精度就越高,但计算效率就越低下[9]㊂因此,网格划分中要兼顾计算精度和计算效率,选择合适的网格划分尺寸㊂本文采用六面体结构进行网格划分,考虑到计算效率和精度的要求,对风管管壁和隧洞壁等边界条件发生变化部位进行网格加密㊂网格模型见图1(b)㊂2.3　边界条件2.3.1　入口边界隧洞施工采用压入式通风,风管出口为隧洞供风的入口,设定为速度入口㊂根据建立的物理模型,风速沿x 正方向压入隧洞,风速大小为20m /s,假定为均匀分布;y 方向和z 方向风速为0㊂入口湍流参数可通过设定湍流强度I 来实现[11]㊂I =u′u avg=0.16(R e D H )-1/8(6)78西北水电㊃2018年㊃第3期===============================================式中:u′为速度波动的均方根,m /s;u avg 为平均速度,m /s;R e D H 为水力直径为D H 时的雷诺数;D H 为水力直径,对于圆管,水力直径等于圆管内径,本文中风管为圆管,内径为1.5m,故水力直径D H =1.5m㊂2.3.2　出口边界本计算模型中,洞口为空气排出的唯一通道,设定为压力出口,与外界相通,出口压力和温度与外界大气相同㊂因此,表压设置为0,温度设置为25℃㊂2.3.3　固体壁面边界通风管壁㊁隧洞壁和工作面采用标准固体壁面,无滑移,壁面温度与外界大气相同㊂2.3.4　CO 初始质量浓度钻爆法施工中,在工作面附近会产生大量CO 等有毒气体,爆破后产生的CO 气体初始质量浓度计算可按式(7)计算[8]:c =ρqlb L(7)式中:c 为CO 初始质量浓度,kg /m 3;ρ为CO 密度,kg /m 3;q 为单位耗药量,kg /m 3;l 为炮孔深度,m;b 为每kg 炸药产生的有毒气体,m 3/kg,可取0.04m 3/kg;L 为炮烟投掷长度,m㊂经计算c ≈3.975×10-3kg /m 3㊂4　模拟结果分析4.1　风流场模拟结果图2给出了通风初始时刻,10号施工支洞工作面附近纵向轴对称面的风流场分布变化情况㊂从模拟结果可以看出,通风1s 后从风管紊动射流尚未到达工作面,紊动射流与隧洞内周围空气发生动量交换,形成卷吸效应,带动周围空气运动,进而在隧洞顶部和中部形成2个反向旋涡㊂通风10s 后,射流充分发展,隧洞顶部空气受射流卷吸作用影响范围扩大,流向工作面的空气长度增加,风管射流区下部漩涡进一步发展为狭长型㊂图2工作面附近纵向对称面施工通风初始时刻风流场矢量图图3　t =5min 时,工作面附近风压场分布云图 图3为通风5min 后得到的风压分布云图,工作面附近最大风压为33.11Pa,最小风压为-11.10Pa,最大风压区位于工作面附近,负压区位于风管射流附近,风管出口后部隧洞风压基本相同约1.53Pa㊂工作面顶部和底部压强较大,呈 凹”型分布,这是由于风流从风管射出到工作面上,动量发生变化而造成的㊂4.2　温度场模拟结果采用钻爆法开挖过程中,由于施工爆破会在工作面附近产生大量的热量㊂本文将爆破后工作面附88王军周.基于ANSYS Fluent 的隧洞施工通风数值模拟研究===============================================近区域的初始温度设定为30℃,风管射流输送的新鲜空气温度设定为18℃,对通风过程中工作面附近温度场变化情况进行模拟㊂从图4(a)可知,通风10s 时,一方面,风管紊动射流和隧洞空气相互作用掺混,交换能量,降低洞内温度;另一方面,随着新鲜空气的不断输入,由于风流的对流作用,隧洞内热空气不断被压向洞口排出㊂由图4(b)可知,通风约50s 后,工作面附近30m 范围内洞内温度降低到约22℃,通风散热作用效果明显㊂4.3　CO 质量浓度场模拟结果图5给出了t =5s㊁10s 和190s 时工作面附近CO 质量浓度场分布云图㊂由图5(a)可知,通风5s 时,风管射流附近CO 质量浓度最低,主要原因是风管射流输送的新鲜空气通过稀释作用降低了CO 质量浓度㊂由图5(b)可知,通风10s 后,风管射流到达工作面,风流对流扩散作用将洞内空气向洞口方向 挤排”,工作面处CO 质量浓度降低到2.609×10-3kg /m 3㊂图5(c)所示为通风约190s 后,工作面附近30m 区域范围内CO 质量浓度最高为2.235×10-5kg /m 3,低于安全质量浓度3.0×10-5kg /m 3㊂从图6(a)可知工作面附近纵轴对称面中心线上CO 质量浓度随时间分布情况㊂距离工作面15m 处CO 质量浓度最低,这是由于距离风管出口越近,风管射流稀释作用越强㊂距离工作面30m 处CO 质量浓度最高,这是由于对流作用将CO 向洞口推移,导致CO 质量浓度升高㊂随着通风时间增加,隧洞内CO 质量浓度逐渐降低,通风3min 后,洞内浓度降低到安全值附近㊂从图6(b)可知通风120s 时工作面附近纵轴对称面不同位置CO 质量浓度随高度变化情况㊂工作面附近隧洞顶部由于风流的对流作用较弱,CO 质量浓度最高㊂由于风管射流的稀释作用,在沿风管出口正方向的同一平面上,风管轴线处CO 质量浓度最低㊂随着平面不断远离风管出口,靠近工作面位置,射流稀释作用逐渐减小,在工作面附近CO 质量浓度场几乎不受稀释作用影响㊂图4　工作面附近温度场分布云图图5　工作面附近CO 质量浓度场分布云图98西北水电㊃2018年㊃第3期===============================================图6　工作面附近CO质量浓度分布图5　结　语隧洞施工通风对于洞施工进度㊁安全和质量具有制约作用,关系到施工作业人员的生命健康安全,是隧洞施工的关键工序㊂本文在分析卡鲁玛尾水隧洞施工通风布置方案的基础上,基于CFD理论,以10号施工支洞施工通风为例,运用ANSYS Fluent软件进行了三维动态模拟计算,模拟结果直观地展示了风流速度场㊁温度场和CO质量浓度场随通风时间的分布变化规律,为隧洞通风设计和计算提供了理论依据,对施工实践具有理论指导意义㊂仿真结果表明,隧洞施工通风过程中,受风管射流卷吸效应影响,风管射流的卷吸作用会在风管射流区下部形成一个狭长型低速漩涡区;由于射流速度较高,在风管出口附近会形成负压区;风管紊动射流通过与周围空气的掺混,不断交换动量和能量,与周围热空气进行热交换,对CO气体具有稀释作用;随着通风时间,射流到达工作面后,工作面附近风流组织状态逐步趋于稳定,对流扩散作用增强,将热空气和CO气体向洞口 挤排”,降低工作面附近洞内温度和CO质量浓度㊂参考文献:[1]　杨庆学,郑家祥.大型地下洞室群施工通风动态仿真研究[J].水电站设计,2003,19(01):1-5.[2]　钟登华,张建设.隧洞施工通风系统事故树分析[J].工业安全与环保,2002,28(06):42-45.[3]　吴慧明,丁珏,张宝亮,刘义,胡珉.大断面/中断面㊁长距离隧道施工通风特性及风险分析[J].安全与环境学报,2011,11(1):192-196.[4]　马德萍,李艳玲,莫政宇,等.向家坝地下洞室群施工通风效果三维数值模拟[J].人民长江,2011,42(01):29-32,53. 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