水下大断面公路隧道交通风变化特性与节能利用研究

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公路隧道运营中,隧道通风节能有着重要的社会效益和经济效益。但在隧道中仅依靠风机进行机械通风,会导致隧道运营中电力花销高昂。因此,对于隧道运营期间非机械风的利用,已成为人们关注的重点。交通风作为非机械风的一种,可以作为隧道机械通风的补充,达到降低运营成本的效果。本文依托太湖水下隧道,建立了大断面水下特长隧道模型,开展了隧道内交通风变化特性的研究,并得出了太湖隧道运营期交通风节能应用策略,主要成果如下:(1)使用ANSYS模拟软件,建立了1:1的隧道模型,跟据依托工程实地调研情况,设置了仿真边界条件,并完成了模型的合理性和有效性验证。(2)采用动网格方法,通过模拟车辆在隧道内的运动,分析了小客车、中巴车、大客车三类车辆产生的交通风特点,得出车速与平均交通风速之间的关系;分析交通风在隧道内的消散过程,得到了交通风的衰减特性。车辆在隧道内行驶时产生的气流尾迹影响范围,为3.6s~4.3s内车辆驶过的距离。(3)建立车队模型,模拟不同交通流所产生的交通风量,分析车型占比、车速以及交通流量对平均交通风速的影响,分析不同交通工况下的交通风对隧道运营节能的影响。车流量的增加会导致平均交通风速的增加,但车流量的增加会导致行驶速度下降,又会影响平均交通风速。分析得出,交通流中平均车速对交通风的影响权重最高,车流量的增加无法弥补因平均车速下降所导致的平均交通风速降低。通过模拟分析,得出运营中交通流所带来的交通风,相当于14%~25%的太湖隧道需风量。(4)在风机处于开启状态时,动态模拟交通流,分析了机械风与交通风的叠加损耗。结果表明,不同车速与不同车型组成交通流,对叠加损耗的影响是不同的。当交通流中大客车较多时,叠加损耗更大。平均行车速度大于40km/h时,最大损耗不超过两者线性叠加的20%。本文通过数值模拟,对交通风的速度变化特性做了分析,对交通风所带来的通风补偿做了估算,给出了运营期隧道风机开启策略。路况的不断提升与车辆性能的持续改进,车辆行驶时平均速度增加,意味着与过去相比,隧道交通风利用空间更大。论文成果可为公路与城市隧道运营通风节能提供参考。
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