一種城市隧道通風(fēng)試驗(yàn)裝置及其制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種城市隧道通風(fēng)試驗(yàn)裝置及其制作方法。所述制作方法包括以下步驟：(1)確定模型隧道與實(shí)際隧道的幾何比尺為10<λl<22；(2)根據(jù)實(shí)際隧道的幾何形狀分段制作并拼接成模型隧道，該模型隧道的一個(gè)壁面采用透明材質(zhì)制成，其他內(nèi)壁面用砂紙做表貼；(3)在模型隧道的預(yù)定位置安裝射流噴嘴、背壓管以及示蹤氣體跟蹤機(jī)構(gòu)。本發(fā)明模型隧道與實(shí)際隧道的比例在1:22～1:10之間，在該比例范圍內(nèi)，一方面，模型隧道內(nèi)的空氣流動(dòng)能夠滿足自模區(qū)特性，模型隧道與實(shí)際隧道不僅幾何相似，而且流動(dòng)阻力相似，使得模型隧道能夠精確地模擬實(shí)際隧道內(nèi)的通風(fēng)氣流運(yùn)動(dòng)和污染物擴(kuò)散規(guī)律；另一方面，試驗(yàn)成本相對(duì)較低，有利于試驗(yàn)工作的進(jìn)行。
【專利說明】一種城市隧道通風(fēng)試驗(yàn)裝置及其制作方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種隧道通風(fēng)試驗(yàn)裝置，具體涉及一種城市隧道通風(fēng)試驗(yàn)裝置及其制 作方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，隨著城市化進(jìn)程加快，城市人口超飽和，建筑空間擁擠，城市綠化減少，交 通壓力越來越大，交通擁擠已成為我國(guó)眾多城市的突出問題。為了解決城市交通擁擠問題， 立體使用空間成為一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)，城市隧道作為地面道路的延伸和補(bǔ)充，因具有易于規(guī)劃、 建設(shè)工期短、建設(shè)成本低、便于與現(xiàn)有地面交通系統(tǒng)銜接、有效改善城市環(huán)境等特點(diǎn)而被廣 泛應(yīng)用。國(guó)外已建有的大型城市隧道群如美國(guó)波士頓中央大道隧道、日本東京中央環(huán)線隧 道、法國(guó)A86地下道路系統(tǒng)、以及馬德里M30隧道群等工程已經(jīng)作為城市道路重要的組成 部分而進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃，并能與城市內(nèi)有軌交通、城市地面公路、市區(qū)外公路等眾多交通系統(tǒng) 相互協(xié)調(diào)工作，在緩解交通壓力、節(jié)約城市土地、改善區(qū)域整體環(huán)境等方面發(fā)揮了顯著的作 用。在國(guó)內(nèi)近年來也涌現(xiàn)出大量城市隧道，如上海延安東路隧道，杭州新城隧道，重慶嘉華 大坪隧道，以及蘇州南環(huán)路隧道，等等。
[0003] 隧道是一個(gè)相對(duì)封閉的特殊路段，當(dāng)車輛在隧道內(nèi)行駛時(shí)，排放的廢氣（如CO、NOx 等）、煙霧和揚(yáng)起的粉塵會(huì)在隧道內(nèi)聚集，不僅影響隧道內(nèi)通行人員的健康，而且會(huì)降低空 氣能見度，危及行車安全。為了將廢氣和煙霧等控制在容許的濃度限度內(nèi)，必須采用機(jī)械通 風(fēng)的方法稀釋污染物濃度，以維持隧道內(nèi)的空氣環(huán)境質(zhì)量。但城市隧道的通風(fēng)問題較其它 隧道更為復(fù)雜。這突出表現(xiàn)為，城市隧道多建在車流量大、人流密度大、建筑密集的城市中 心地區(qū)，廢氣被隧道"收集"后集中在一個(gè)小范圍內(nèi)（如峒口、風(fēng)塔或排風(fēng)口等）排放，勢(shì)必 "額外"加重了該局部區(qū)域的污染。因此，如何通過高效、合理的通風(fēng)設(shè)計(jì)以減小排污口局部 區(qū)域的環(huán)境負(fù)擔(dān)，在確保隧道內(nèi)空氣環(huán)境質(zhì)量的同時(shí)，兼顧隧道外的局部區(qū)域環(huán)境，解決好 城市隧道廢氣排放與大氣環(huán)境影響、周圍區(qū)域規(guī)劃之間的矛盾，是城市隧道通風(fēng)面臨的重 大技術(shù)難題。比尺模型試驗(yàn)無疑是解決城市隧道通風(fēng)問題最直觀和可靠的方法之一。
[0004] 申請(qǐng)?zhí)枮?01210104624. 9的中國(guó)專利申請(qǐng)公開了一種曲線隧道通風(fēng)沿程摩擦阻 力系數(shù)模擬試驗(yàn)方法，該方法存在以下問題：
[0005] (1)、該方法中提到"選擇適當(dāng)?shù)南嗨票?，但未給出"適當(dāng)?shù)南嗨票?的具體范圍， 即認(rèn)為相似比可任意選擇。但根據(jù)相似原理及大量隧道通風(fēng)試驗(yàn)的結(jié)果，為了確保試驗(yàn)結(jié) 果具有明確的物理意義，模型隧道除了要與實(shí)際隧道幾何相似，更要做到動(dòng)力相似一一即 流動(dòng)阻力相似。而要滿足流動(dòng)阻力相似的基本條件就是：模型隧道與實(shí)際隧道的空氣流動(dòng) 進(jìn)入"自模區(qū)"，且兩者的阻力系數(shù)相等。顯然，并非在任何相似比下流動(dòng)均能進(jìn)入自模區(qū)。
[0006] (2)、該方法中提到"根據(jù)相似比選用與原型隧道壁面粗糙度相應(yīng)的砂紙"，但未給 出砂紙的選擇方法，這是不具有可行性的方案。
[0007] 為掌握污染物的分布情況，申請(qǐng)?zhí)枮?00910061809. 4的中國(guó)專利文獻(xiàn)公開了一 種公路隧道通風(fēng)試驗(yàn)裝置，使用的示蹤氣體是CO,這存在以下問題：
[0008] (I)、CO具有毒性和可燃性，存在試驗(yàn)人員中毒和爆炸等安全隱患；
[0009] (2)、C0是無色、透明氣體，不具備使氣體流動(dòng)可視化的功能，從而使得試驗(yàn)人員無 法觀測(cè)到污染物流動(dòng)的特征和規(guī)律；
[0010] (3)、CO檢測(cè)是接觸式測(cè)量，必然在一定程度上擾動(dòng)流場(chǎng)，影響其檢測(cè)精度。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 本發(fā)明提供了一種城市隧道通風(fēng)試驗(yàn)裝置制造方法，利用該方法制作的城市隧 道通風(fēng)試驗(yàn)裝置與實(shí)際隧道不僅幾何相似，而且動(dòng)力相似，能夠精確地模擬實(shí)際隧道中的 氣流運(yùn)動(dòng)。
[0012] 一種城市隧道通風(fēng)試驗(yàn)裝置制造方法，包括以下步驟：
[0013] (1)確定模型隧道與實(shí)際隧道的幾何比尺為10〈 λ'22 ;
[0014] (2)根據(jù)實(shí)際隧道的幾何形狀分段制作并拼接成模型隧道，該模型隧道的一個(gè)壁 面采用透明材質(zhì)制成，其他內(nèi)壁面用砂紙做表貼；
[0015] (3)在模型隧道的預(yù)定位置安裝射流噴嘴、背壓管以及示蹤氣體跟蹤機(jī)構(gòu)。
[0016] 經(jīng)本發(fā)明研宄表明，并非任何幾何比尺的模型隧道都能滿足流動(dòng)阻力相似的條 件，只有當(dāng)模型隧道與實(shí)際隧道的比例大于1:22時(shí)，模型隧道內(nèi)的空氣流動(dòng)才能滿足自模 區(qū)特性，從而模型隧道與實(shí)際隧道不僅幾何相似，而且流動(dòng)阻力相似，使得模型隧道能夠精 確地模擬實(shí)際隧道內(nèi)的通風(fēng)氣流運(yùn)動(dòng)和污染物擴(kuò)散規(guī)律，該試驗(yàn)裝置的測(cè)試結(jié)果才具有可 用于分析和指導(dǎo)實(shí)際隧道通風(fēng)問題的實(shí)際意義。而如果模型隧道與實(shí)際隧道的比例大于 1:10,則需要較大的試驗(yàn)場(chǎng)地和試驗(yàn)風(fēng)機(jī)，從而增加試驗(yàn)成本，不利于試驗(yàn)工作的進(jìn)行。因 此本發(fā)明中，模型隧道與實(shí)際隧道的比例控制在1:22?1:10之間。
[0017] 并且，模型隧道的其中一個(gè)壁面采用透明材質(zhì)制成，方便試驗(yàn)人員對(duì)模型隧道內(nèi) 的空氣流動(dòng)形態(tài)或污染物擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行觀察，實(shí)現(xiàn)流場(chǎng)可視化。作為優(yōu)選，所述透明材質(zhì)為 有機(jī)玻璃。
[0018] 模型隧道的其他內(nèi)壁面采用砂紙作表貼，用砂紙來模擬實(shí)際隧道內(nèi)壁面的粗糙 度。作為優(yōu)選，步驟（2)中，根據(jù)實(shí)際隧道壁面的材質(zhì)及特征選擇砂紙的當(dāng)量粗糙度；實(shí)際 隧道壁面的材質(zhì)及特征與砂紙當(dāng)量粗糙度的對(duì)應(yīng)關(guān)系見下表：
[0019]

【權(quán)利要求】
1. 一種城市隧道通風(fēng)試驗(yàn)裝置制造方法，其特征在于，包括以下步驟： (1) 確定模型隧道與實(shí)際隧道的幾何比尺為1〇〈A'22 ; (2) 根據(jù)實(shí)際隧道的幾何形狀分段制作并拼接成模型隧道，該模型隧道的一個(gè)壁面采 用透明材質(zhì)制成，其他內(nèi)壁面用砂紙做表貼； (3) 在模型隧道的預(yù)定位置安裝射流噴嘴、背壓管以及示蹤氣體跟蹤機(jī)構(gòu)。
2. 如權(quán)利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述透明材質(zhì)為有機(jī)玻璃。
3. 如權(quán)利要求1所述的制作方法，其特征在于，步驟（2)中，根據(jù)實(shí)際隧道壁面的材質(zhì) 及特征選擇砂紙的當(dāng)量粗糙度。
4. 如權(quán)利要求1所述的制作方法，其特征在于，步驟（3)中，所述背壓管的管徑通過式 (1)計(jì)算：
其中，D表示背壓管的管徑，米； 所述背壓管的長(zhǎng)度由式（2)確定：
其中，△已表示背壓值；X表示沿程阻力系數(shù)；L表示背壓管的長(zhǎng)度，米；P表示空氣 密度，取I. 2kg/m3;V表示速度，D表示背壓管的管徑。
5. 利用如權(quán)利要求1?4任一所述的制作方法制得的城市隧道通風(fēng)試驗(yàn)裝置。
6. 如權(quán)利要求5所述的城市隧道通風(fēng)試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述射流噴嘴包括沿模 型隧道延伸方向安裝的若干個(gè)，每一射流噴嘴均包括用于向模型隧道內(nèi)送風(fēng)的射流管組以 及用于將模型隧道內(nèi)空氣排出的抽氣管組； 同一射流噴嘴中，所述射流管組和抽氣管組在模型隧道內(nèi)的開口水平相背設(shè)置。
7. 如權(quán)利要求6所述的城市隧道通風(fēng)試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述抽氣管組包括抽氣 總管以及接入抽氣總管的至少兩根抽氣支管，抽氣總管與外置的高壓離心風(fēng)機(jī)的進(jìn)氣管相 連，抽氣支管的進(jìn)氣端伸入模型隧道內(nèi)； 所述射流管組包括射流總管以及接入射流總管的至少兩根射流支管，射流總管與外置 的高壓離心風(fēng)機(jī)的出氣管相連，射流支管的出氣端伸入模型隧道內(nèi)。
8. 如權(quán)利要求5?7任一所述的城市隧道通風(fēng)試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述示蹤氣體跟 蹤機(jī)構(gòu)包括： 示蹤氣體發(fā)生單元，其示蹤氣體出口與模型隧道的入口端相通，以二氧化鈦?zhàn)鳛槭聚?氣體模擬模型隧道內(nèi)的污染物運(yùn)動(dòng)； 示蹤氣體檢測(cè)單元，用于定量獲取模型隧道內(nèi)的污染物濃度分布。
9. 如權(quán)利要求8所述的城市隧道通風(fēng)試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述示蹤氣體發(fā)生單元 包括依次連通的第一反應(yīng)瓶、第二反應(yīng)瓶、第三反應(yīng)瓶；所述第一反應(yīng)瓶中裝有水，所述第 二反應(yīng)瓶中裝有四氯化鈦，第三反應(yīng)瓶設(shè)有示蹤氣體輸出管；各反應(yīng)瓶分別通過對(duì)應(yīng)的載 氣輸入管與氮?dú)庠聪噙B通。
10. 如權(quán)利要求8所述的城市隧道通風(fēng)試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述示蹤氣體檢測(cè)單元 包括： 安裝在模型隧道側(cè)壁上且相互配合的紅外線發(fā)射器和紅外探測(cè)器； 用于接收紅外探測(cè)器的輸出信號(hào)并對(duì)該輸出信號(hào)進(jìn)行處理的數(shù)據(jù)采集模塊。
【文檔編號(hào)】E21F1/02GK104500124SQ201410733746
【公開日】2015年4月8日 申請(qǐng)日期:2014年12月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月5日
【發(fā)明者】吳珂, 王立忠, 章俊屾, 張欣, 李增珍 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)