雪峰山隧道通風三維cfd局部仿真優(yōu)化

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1、雪峰山隧道通風三維CFD局部仿真優(yōu)化摘要：介紹了三維CFD仿真軟件，對不同的軸流風機與通風道連接形式，風道內(nèi)壁半徑r與風道當量直徑D比值及導流板設置進行了仿真計算分析，提出了通風系統(tǒng)局部優(yōu)化建議。關(guān)鍵詞：隧道通風局部仿真優(yōu)化0三維CFD仿真軟件簡介計算流體動力學(ComputationalFluidDynamics)在近40年得到了迅猛發(fā)展。一方面是解決實際問題的需要；另一方面得益于計算機技術(shù)的飛躍發(fā)展和巨型計算機的出現(xiàn)。計算流體動力學是多種領(lǐng)域的交叉學科，它所涉及的學科有流體力學、偏微分方程的數(shù)學理論、計算幾何、數(shù)值分析、計算科學等等。其基本思想是采用一定的計算方法（如差分方法等）求解

2、流體力學N—S方程。基于計算流體動力學的基本思想，國際上出現(xiàn)了許多計算流體動力學通用軟件，包括FLUENT、PHOENCIS、CFX以及CFDesign等。課題組采用了國際上通用的計算流體動力學軟件CFDesign對雪峰山特長公路隧道進行了仿真模擬分析計算。CFDesign是英國著名的BLUEBRIDGENUMERICS公司的主導產(chǎn)品。CFDesign軟件主要是用來解決與熱傳導、流體運動相關(guān)的工程設計問題。CFDesign3.1主要包含三個模塊：CFDesignModeler、CFDesignSolver和CFDisplay。CFDesign具有解決與流體運動相關(guān)的以下一系列問題的功能和

3、特征，包括：A.二維平面、軸對稱和三維空間流體問題B.可壓縮和不可壓縮流體的計算問題包括次音速、接近音速和超音速流體運動的問題C.穩(wěn)定狀態(tài)和短暫狀態(tài)流體運動問題包括邊界條件隨時間變化的流體問題D.紊流和層流問題E.可以采用笛卡爾坐標和圓柱坐標進行分析F.牛頓流和非牛頓流的分析G.外部流體和內(nèi)部流體任何一個軟件在正式運用到實際科學研究前，必須對該軟件可靠性進行嚴格的測試計算。課題組在采用CFDesign進行具體的公路隧道通風仿真模擬前，對CFDesign軟件進行了大量的測試和驗算。通過建立一定的計算模型，同時采用理論計算和CFDesign數(shù)值模擬的方法進行分析。結(jié)果證明采用CFDesign

4、進行仿真計算是可行的，同時其計算結(jié)果也是可信的。其中，采用圓管段進行軟件驗算和測試的算例如下：幾何參數(shù)：圓管段斷面半徑：1m圓管段長度：100m計算參數(shù)：圓管段入口流速：30m/s圓管段出口壓強：0Pa計算模型如下：計算平面圖計算結(jié)果如下表：指標斷面流量平均速率相對靜壓絕對靜壓絕對總壓入口72.822923.5375358.88.8.2出口70.001623.3440在計算過程中取管段壁面平均粗糙度為3mm。則根據(jù)現(xiàn)行《規(guī)范》可以有如下計算公式：式中：△——平均壁面粗糙度（mm）——隧道斷面當量直徑通過以上公式可以計算出直線型、斷面不變的隧道沿程阻力損失為：式中：——隧道長度——為隧道內(nèi)

5、平均速度——隧道斷面當量直徑則可以計算如下：則而通過CFDesign計算到壓力損失為：358.88Pa.比較以上計算兩者的相對誤差為2.915%。由此可見采用CFDesign進行公路隧道通風仿真模擬是可行的，同時其結(jié)果也是可信的。1軸流風機與通風道連接形式的仿真分析雪峰山特長公路隧道通風系統(tǒng)設計中，考慮到因為近遠期交通量對隧道需風量要求不同，同一風道內(nèi)可能平行布置兩臺軸流風機，近期需風量小，可先安裝一臺。由此就產(chǎn)生了如何確定近期單臺軸流風機與通風道連接的問題，可以有兩種連接形式：Ⅰ單臺軸流風機與通風道部分連接；Ⅱ單臺軸流風機與通風道完全連接。課題組對以上兩種連接結(jié)構(gòu)形式進行了有限元分析模

6、擬。采用計算流體動力學（CFD）軟件CFDesign建立了相應計算模型并進行仿真分析。得到一系列可以指導雪峰山特長公路隧道通風設計的結(jié)果。1.1單臺軸流風機與通風道部分連接的分析通過流體動力學（CFD）軟件CFDesign建立了以下計算模型：三維計算模型模型側(cè)視圖模型俯視圖建立的計算流體動力學（CFD）有限元分析模型中，為了能夠盡量再現(xiàn)實際工程情況，模型采用的尺寸均參照雪峰山特長公路隧道通風系統(tǒng)設計所給定值。同時為了保證有限元分析能夠收斂，對模型容易導致計算發(fā)散的局部區(qū)域進行適當調(diào)整。進行了2種工況的計算。模型幾何參數(shù)：通風道長度：50m通風道漸變段長度：4m連接段長度：7.35m軸流風

7、機斷面積：3.10833m2工況Ⅰ：軸流風機流量：114m3/s可得以下計算結(jié)果：工況Ⅰ各斷面計算結(jié)果表指標斷面流量平均速率相對靜壓絕對靜壓絕對總壓風道入口114.8565.175310風道出口116.3827.166570風機入口112.36129.4201-1097.55風機出口114.48129.4591112.2258.2257.3工況Ⅱ：軸流風機流量：164m3/s可得以下計算結(jié)果：工況Ⅱ各斷面計算結(jié)果表指標斷面流量平均速