[发明专利]一种顶部开口的城市公路隧道内部三维逐时压力分布算法

说明书

一种顶部开口的城市公路隧道内部三维逐时压力分布算法，隧道顶部开口时会对隧道内的压力产生衰减影响，设顶部开口的中心位置坐标为Oj(Ojx,Ojy,Ojz)，则顶部开口的对隧道内部任一点压力的衰减系数为ψj；将压力衰减系数ψj代入三维压力分布计算公式，可以得到顶部开口的城市公路隧道内部三维逐时压力分布计算结果。本发明的方法给出了城市浅埋公路隧道内的三维逐时压力分布情况，由于公路隧道顶部自然通风的动力来源于隧道内外的压力差，因此根据本发明的算法，不仅可以计算任意时刻车流在隧道内所形成的压力分布，也可以计算不同顶部开口布置方式对隧道内部压力分布的影响，从而为顶部开口设计提供依据。

技术领域

本发明涉及城市公路设计领域，尤其是隧道内部的压力计算方法，具体地说是一种顶部开口的城市公路隧道内部三维逐时压力分布算法。

背景技术

目前，随着城市交通的不断增加，为了缓解城市交通压力，世界各国陆续修建城市地下公路隧道。上世纪九十年代，此类隧道以200～300m的过街短隧道为主；而现在则以区域性的长通道为主，达到3000米以上。地下隧道空气环境解决方案不仅仅影响到隧道的结构形式，更是在很大程度上决定了隧道日常运行成本的高低。传统的通风方式是采用射流风机进行机械通风，但这种方式造成隧道内噪声高，空气环境差，同时又消耗大量的电力。针对城市交通隧道的特点，在这类隧道顶部开口的想法逐渐提出。在运营工况下利用开口进行自然通风，在火灾工况下进行自然排烟，而完全抛弃机械通风与机械排烟设备的方案。至今，仅南京已经建成了4条利用顶部开口进行自然通风的浅埋城市公路隧道。自运营以来，此类隧道节约了大量运行成本，隧道内的空气环境质量也得到了广泛好评，但是此类城市公路隧道没有成熟的设计方法，而且与现行的设计规范相冲突，现行规范要求“单向交通隧道，当隧道长度车流量的乘积大于2000(km.cars/h)时，宜采取机械通风”。此外，现行规范还将顶部开口处的作为隧道通风设计中的不利因素来考虑。

J.Modic(2003)指出：当单向自然通风隧道交通量小于750辆/h每车道，车辆行驶速度大于30km/h，则允许长度可以达到3000m，但其仅针对顶部无开口隧道。PimolsiriPrajongsan(2014)在强化高层居住建筑自然通风的研究中发现，不论何种室外风向、风速，有通风竖井的房间平均空气流速明显高于无竖井房间，竖井起到了强化自然通风的作用。T.Y.Chen(1998)利用缩尺比例为1/20的传送带隧道模型，研究了运动车辆对隧道通风的影响。研究表明，行驶的车辆主要引起了隧道中空气的轴向流动。气流的速度随隧道高度而降低，最大的气流速度出现在车辆附近。Jaroslav Katolicky和Miroslav Jicha(2005)建立了Eulerian–Lagrangian模型，并借助流体力学计算软件StarCD模拟了隧道中的运动车辆以及车辆对通风的影响。数值计算的结果表明，公路隧道中的气流速度主要由车辆的运行速度和隧道的形状决定。钟星灿(2006)认为可以在公路隧道顶部开口，使其在运营工况下利用开口进行自然通风，在火灾工况下进行自然排烟。并将公路隧道内随机运动的车流假定为恒定持续的车流，将隧道内的流场假定为一维管流。研究认为，在顶部(或侧壁)设有多处通风孔的单向公路交通隧道中，车辆运动产生的交通风力将在开孔处形成震荡性的压力波动，从而使隧道内部空气与外界得以反复交换。但是并没有给出顶部开口的设计方法。韩国仁荷大学的Chan-Hoon Yoon利用热动力方法，对韩国某长大隧道冬夏季时自然通风压力进行了计算。计算得出竖井高度和隧道内外温差是影响竖井自然通风压力的主要因素。但是后续的多数研究表明，在阻滞工况下，热压是形成自然通风的主要因素，但是在正常的行车工况下，汽车产生的风压将远大于热压，热压的作用几乎可以忽略。