公路隧道双向换气式纵向通风研究

论文摘要

随着公路隧道建设的不断发展,众多长大、复杂化的公路隧道不断地涌现出来,隧道通风及其控制系统的难度也随之增加。本文依托国家重点工程项目——锦屏施工辅助隧道对双洞单向特长公路隧道纵向通风技术进行了全面、详细地研究,编制了相应的公路隧道通风计算程序,并进行了隧道通风模型试验研究。当隧道内车流量较小、单车污染物排放较大时线源模型不能真实、准确反映隧道污染物分布的问题,提出采用“点源模型”来研究隧道运营通风中污染物的分布,并建立了单线公路隧道运营通风数值计算模型。依据网络通风及隧道火灾理论,建立了公路隧道网络通风及火灾事故通风数值计算模型。导出了上述计算模型的具体求解方法,并利用MATLAB编制了公路隧道运营通风计算程序和公路隧道火灾事故通风计算程序。受地形及车流工况的影响,相邻上、下行隧道内通风负荷有较大差异,为提高隧道通风系统的经济效益,详细地研究了双向换气方法在通风负荷不均匀双洞单向公路隧道通风中的应用,给出了具体的设计过程及计算方法,并采用该方法对锦屏施工辅助隧道进行了简要的通风设计计算。时变的车流通过隧道时,为使得通风控制系统做出有效地控制,开启相应的风机台数,依据隧道通风控制理论及神经网络基础知识,构建了用于单线公路隧道及双向换气式隧道网络通风控制的神经网络在线控制模型,导出了该模型的具体设计过程,并编制了相应的隧道通风控制程序。锦屏施工辅助隧道的摩擦阻力特性属于大粗糙度、非均匀糙率的问题,紧急停车带处的气体流动复杂,通风气流的摩擦阻力和局部阻力将是流动阻力的主要组成部分。依据相似理论建立了摩擦阻力和局部阻力损失系数的模型试验平台,在不同Re下进行了三组阻力系数的试验,通过对比分析,A、B线隧道的摩擦阻力损失系数λ为0.04,B线隧道正向和反向ξ值分别为0.3491和0.3362;利用几何相似,运动和动力类似的模型原理建立的射流风机升压力模型试验平台,用以验证CFD计算模型及方法的正确性。对锦屏施工辅助隧道A、B线在正常交通、交通阻滞及堵塞时,隧道内风机在两种不同开启方式下进行了数值模拟计算,给出隧道内污染物浓度分布情况以及隧道内三个不同位置发生交通阻滞和交通堵塞时污染物浓度达到限制值的时间;通过对A、B线隧道内分别按不同风机布置方式时隧道内压力分布的计算分析,给出适合于该隧道通风的风机布置方式;利用隧道火灾事故计算模块,对大型载重车在A、B线隧道三个不同位置发生火灾的工况进行了计算,给出了两条隧道内空气温度、壁面温度和火灾烟雾的分布;此外,还计算了在此规模火灾下高温烟气对射流风机的烧毁情况,并根据计算结果给出一些建设性的意见。为了研究神经网络在线控制方法在公路隧道通风中的控制效果,利用隧道通风控制程序,对锦屏施工辅助隧道分别通过三种交通流模型时进行了计算分析。结果表明控制模型能够根据实际情况相应地修改控制策略,将风机开启台数控制在适当的范围内,保证了隧道内的污染物浓度不超过控制标准。设计的神经网络在线控制方法在对单向公路隧道及双向换气式隧道网络通风进行控制中,具有良好的适应性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 公路隧道通风方式的发展历程
• 1.3 国内外研究概况
• 1.4 本文研究的内容、方法和意义
• 1.4.1 研究内容与研究方法
• 1.4.2 研究意义
• 第2章 运营通风及火灾过程计算方法
• 2.1 物理模型
• 2.2 隧道纵向通风系统计算模型
• 2.2.1 系统构成
• 2.2.2 数学模型
• 2.3 隧道网络通风计算模型
• 2.3.1 隧道网络通风图
• 2.3.2 通风网络基本规律
• 2.3.3 数学模型
• 2.4 火灾通风计算模型
• 2.4.1 数学模型
• 2.4.2 通风系统构成
• 2.5 计算方法
• 2.5.1 污染模型求解
• 2.5.2 传热模型求解
• 2.5.3 MATLAB工具箱求解
• 2.5.4 程序设计
• 2.6 小结
• 第3章 双向换气式隧道通风原理及设计过程
• 3.1 双向换气方法基本原理及设计算法
• 3.1.1 基本原理
• 3.1.2 适用范围
• 3.1.3 设计过程及算法
• 3.1.4 运营通风经济分析
• 3.2 双向换气方法在锦屏施工辅助隧道中的应用
• 3.2.1 计算条件
• 3.2.2 计算结果分析
• 3.3 小结
• 第4章 隧道通风神经网络在线控制
• 4.1 控制方式和控制方法
• 4.1.1 控制方式
• 4.1.2 控制方法
• 4.2 神经网络技术
• 4.2.1 概述
• 4.2.2 神经网络结构模型
• 4.2.3 BP神经网络
• 4.3 隧道通风神经网络在线控制
• 4.3.1 神经网络在线控制简述
• 4.3.2 隧道通风神经网络在线控制器的设计
• 4.4 小结
• 第5章 锦屏施工辅助隧道模型试验
• 5.1 沿程摩擦阻力损失系数模型试验
• 5.1.1 模型试验原理和方法
• 5.1.2 试验装置和测试仪器
• 5.1.3 沿程摩擦阻力损失系数的试验结果
• 5.1.4 沿程摩擦阻力损失系数的计算分析
• 5.2 局部阻力系数的模型试验
• 5.2.1 模型试验原理和方法
• 5.2.2 试验装置和测试仪器
• 5.2.3 B线隧道局部阻力损失系数试验结果
• 5.2.4 局部阻力系数计算分析
• 5.3 射流风机升压力模型试验
• 5.3.1 模型试验目的和方法
• 5.3.2 试验装置和测量仪器
• 5.3.3 试验步骤和结果
• 5.4 小结
• 第6章 锦屏隧道运营通风与火灾过程数值计算
• 6.1 锦屏施工辅助隧道计算条件
• 6.2 运营通风计算分析
• 6.2.1 正常交通状况
• 6.2.2 交通阻滞
• 6.2.3 交通堵塞
• 6.3 射流风机布置对隧道内空气压力的影响
• 6.4 火灾模拟计算
• 6.4.1 隧道内的气温、壁温和烟雾浓度分布
• 6.4.2 高温烟气对射流风机的影响
• 6.5 小结
• 第7章 锦屏隧道双向换气式通风控制效果分析
• 7.1 控制效果对比分析
• 7.1.1 单线隧道通风控制效果
• 7.1.2 隧道网络通风控制效果
• 7.1.3 对比分析
• 7.2 适应性分析
• 7.2.1 交通流量增大
• 7.2.2 污染物基准排放量减小
• 7.2.3 交通流量增大和污染物基准排放减小
• 7.2.4 特殊交通流模式
• 7.2.5 双洞采用不同的交通流模式
• 7.3 小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表论文及科研成果