寒区路堤通风管的自然通风能力

第21卷
第4期中
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报Vol.21
No.42008年7月ChinaJournalofHighwayandTransportJuly2008文章编号:1001
7372(2008)04
0025
05寒区路堤通风管的自然通风能力11122杨丽君,孙斌祥,王
伟,汪双杰,章金钊(1.绍兴文理学院土木工程系,浙江绍兴
312000;2.中交第一公路勘察设计研究院有限公司,陕西西安
710075)摘要:针对青藏高原多年冻土地区采用的通风管路堤,利用工程流体力学理论分析了通风管系统中存在的沿程摩擦阻力损失和局部阻力损失,并根据通风管自然通风的驱动力等于路堤两侧的风场压力差,获得了通风管系统考虑沿程摩擦阻力损失和局部阻力损失的风速计算公式。结果表明:运用该公式能快速计算各种路堤通风管的通风能力,便于工程应用;加装采风口通风管路堤比传统通风管路堤能更有利于路堤及其土层的降温。关键词:道路工程;寒区路堤;工程流体力学;自然通风能力;通风管;采风口中图分类号:U416.168


文献标志码:ANaturalVentilationCapabilityofVentilationDuctofEmbankmentinPermafrostRegion11122YANGLi
jun,SUNBin
xiang,WANGWei,WANGShuang
jie,ZHANGJin
zhao(1.DepartmentofCivilEngineering,ShaoxingUniversity,Shaoxing312000,Zhejiang,China;2.TheFirstHighwaySurveyandDesignInstituteofChinaLtd,Xi
an710075,Shaanxi,China)Abstract:Aimedatduct
ventilatedembankmentsinpermafrostregionsofQinghai
TibetPlateau,on
wayfrictionresistanceandlocalresistancelossesintheventilationductsystemwereanalyzedusingengineeringfluidmechanics.Basedonthedrivingforceofnaturalventilationintheventilationductsystembeingequivalenttothewindpressuredifferencebetweentwosideslopesofembankment,thecalculatedformulaeofwindvelocityconsideringtheon
wayfrictionlossandlocalresistancelossintheventilationductsystemweregotten.Theresultsshowthatventilationcapabilitiesofventilationductofvariousembankmentscanbecalculatedquicklybyapplyingtheformulaewhichareconvenienttoengineeringapplication.Comparedwiththeconventionalduct
ventilatedembankment,theduct
ventilatedembankmentinstalledself
windwardventintheinletofventilationisfavourabletocooldowntheembankmentandunderlyingfoundationsoil.Keywords:roadengineering;embankmentinpermafrostregion;engineeringfluidmechanics;naturalventilationcapability;ventilationduct;self
windwardvent藏铁路建设中就采用了积极主动地调节和控制地温0引
言[2
4]的技术来冷却基础,比较典型的相关技术包括块为了应对青藏高原冻土退化问题,多年冻土区(碎)石护坡、块(碎)石路堤、通风管路堤、热管路堤[1]基础工程建设需要遵循积极冻土保护原则,在青和旱桥等。针对青藏公路的高速化改建,中国研究收稿日期:2007
12
25基金项目:国家自然科学基金项目(40772194)作者简介:杨丽君(1972
),女,浙江诸暨人,讲师,工学硕士,E
mail:yanglj@zscas.edu.cn。 26中
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2008年人员还需要在遵循积极冻土保护原则基础上,提出了传统通风管路堤中由于路堤走向、风向变化造成一些对路基稳定性切实有效的地温调控技术,特别的通风效果不稳定;采风口能自动始终朝向风向,最是气象观察资料显示所经过的多年冻土区的风速很大限度采集冷空气进入路堤通风管中,以强化冻土大,低气温期间的风速比较高温期间的风速要大,可路基的降温效果。路堤通风的动力主要有风压通风见,基于强迫对流降温的通风管路堤技术在利用冬和热压通风2种。风压通风是由于空气流过路堤时季冷空气来降低路基土层温度方面还有很大的潜力气流会在路堤的迎风面造成正压区而在背风面造成[5]可挖。从强化通风管路基降温效果的技术措施来负压区,借助这种风压促使空气从采风口流入通风看,通风管口加装自动温控门的通风管路基可控制管并从出口排出,加装一定高度的采风口将有利于通风管只在负温的冬季通风,透壁通风管由于具有增大这种压差,因为通过调整采风口高度,可使采风蒸发耗热而能增强路堤的降温效果,而通风管口加口位于具有较大风速的正压区。热压通风是由于路装能始终朝向风向的自然采风口将能较好地利用冷堤内外空气温度不同而造成空气密度差,产生通风空气的对流来增强路基的降温效应。可见通风管路管内外空气重力压差,驱使密度较大的空气向下流堤冷却地基的降温效果主要取决于通风管的通风能动而密度较小的空气向上流动,即所谓的烟囱效力,而通风管系统本身会对空气产生阻力作用。虽应。这2种通风动力都有可能对路堤产生增温效然管道通风能力在隧道、矿井及建筑等的通风问题应和降温效应,需根据具体工程应用条件进行分析。中研究较多,但在寒区通风管路堤地温调控技术中采风口距离地面较高,采风口进风速度与其离的研究还比较缺乏。地面高度有关,根据青藏高原现场观察资料,距地面本文中基于青藏高原多年冻土区的通风管路10.85m处的风速年变化规律为堤,对通风管的自然通风能力进行了探索性研究,获2
3
uy/10=4.05+1.95sin(ti++0)(1)87602得了通风管系统考虑沿程阻力损失和局部阻力损失式中:uy/10为空气在距地面10.85m处的流速;ti为的风速计算公式,以便于评价多年冻土区通风管路时间;0为风速初相角。则根据风速变化的幂指数堤降温效果的强化措施。定理,离地面任意高度z处的空气流速uy/z为1通风管风速的损失zuy/z=uy/10()(2)10.851.1采风口进风速度式中:为与地形有关的幂指数,需要通过现场数据青藏高原通风管路堤的典型布管方式通常为横回归,本文中采用文献[3]中的数据,取=0.12。贯路堤水平布置通风管,沿路堤纵向通风管间隔一由于采风口中心线离地面高度等于进风口中心定距离,在靠近路堤底部组成一排通风管。目前采线距路堤水平通风管中心线的距离与水平通风管中用的通风管路堤没有考虑风向变化对通风管中空气心线距地表高度之和,则采风口附近空气的速度对流换热效率的影响,而在通风管口加装能自然迎uy/z可表示为1风的采风口,使其始终朝向风向,可以达到强化路基h1+tuy/z=uy/10()(3)降温的效果,同时,增加竖直部分通风管可以加大采110.85风口的进风速度。图1为公路通风管路堤的通风管式中:h1为水平通风管轴线到进风口中心的高度;t系统布置,进风口可以加装自然迎风的采风口,出风为水平通风管轴线距天然地表的高度。为了有利于口可加装自动温控门。降低冻土温度,通风管被埋设在接近天然地表处,对于采风口通风管路堤,由于装有竖直通风管,进风口离天然地表比较高,因此,进风口可获得比较大的风速,而对于只有水平通风管的传统通风管路堤,进风口离天然地表比较低,其进风口的风速就比较小。1.2通风管系统的阻力损失在流体输送管路上任选2个断面1、2(图1),设图1通风管系统2个断面距基准面的高度分别为z1、z2,2个断面处Fig.1VentilationDuctSystem流体的压力和流速分别为P1、P2和u1、u2,流体的加装自然采风口通风管路堤的突出优点是克服密度为a,2个断面间管段的压力损失为!P。虽然 第4期










杨丽君,等:寒区路堤通风管的自然通风能力27空气为可压缩流体,但仍可利用伯努利方程分析空表1通风管参数气流速的变化。由于管道中气流的密度a同外部Tab.1ParametersofVentilationDuctsmm空气的密度0一般具有相同的数量级,在用相对压通风管类型内直径壁厚ks(不开孔)ks(开孔)PVC管40050.010.05强计算时需要考虑外部大气压在不同高度的差值,混凝土管400600.402.00则伯努利方程为钢管40030.080.401212P1+au1+agz1=P2+au2+agz2+!P(4)22式中:g为重力加速度。采风口附近空气的风速uy/h可按式(3)计算,1但进入通风管中的空气流速由于管道压力损失而小于采风口附近空气流速。这是因为空气沿通风管道流动会产生压力损失,这种损失分为沿程阻力损失和局部阻力损失2种,其中,沿程阻力损失是空气沿管道流动所产生的摩阻损失,而局部阻力损失是空图2通风管沿程摩阻系数随气流速度的变化气通过管道连接件产生的阻力损失,如进口、出口、Fig.2VariationsofOn
wayFrictionResistance转弯、接头、截面缩放、温控风门等部件造成的损失。CoefficientsvsWindVelocitiesforVentilationDucts一般情况下,空气流经通风管的总压力损失Pw为量粗糙比较大,在壁面开孔与不开孔时其沿程摩阻Pw=!Pf+!Pj(5)系数随风速变化的差异比较显著;PVC管、钢管在式中:Pf为空气流经某部分管道的沿程阻力损失;壁面开孔与不开孔时的沿程摩阻系数随风速变化的Pj为空气流经某部分管道连接件的局部阻力损失。差异相对就比较小,其中在风速比较小时沿程摩阻1.2.1通风管系统的沿程阻力损失-1系数随风速变化较大,在风速大于1m∀s时沿程空气流动由于本身的黏性及其与管壁间的摩摩阻系数随风速变化很小。通常情况下,沿程摩阻擦而引起沿程能量损失,在试验的基础上,流体力系数与当量粗糙、风速等密切相关,需通过试验进行学中给出了某部分圆管沿程阻力损失Pf的计算公测定或利用图表数据进行修正。式为1.2.2通风管系统的局部阻力损失l12Pf=∀au(6)通风管断面变化、空气流向变化及流量变化会d2引起气流局部的能量损失Pj,在一般情况下,局部式中:l为管道长度;d为管道内径;u为管道断面平阻力损失Pj的计算公式为均流速;∀为管道沿程摩阻系数。12沿程摩阻系数∀需要根据空气流速确定,对于Pj=∃au(8)2青藏高原冻土区的通风管路堤,由于空气流速较大,式中:∃为管道的局部阻力损失系数。空气流动基本不属于层流运动,通常属于工业管道通风管的局部阻力损失主要包括采风口的局部中流体的紊流过渡区及紊流运动,这时,沿程摩阻系阻力损失、管道弯头的局部阻力损失、管道出口处的数可统一用Colebrook
White公式计算局部阻力损失、管道渐缩段的局部阻力损失和管道1ks2.511=-2.011g(+)(7)渐扩段的局部阻力损失等。一般情况下,管道的局∀3.71dRe∀部阻力损失系数∃主要取决于局部阻碍的形状,与式中:Re为雷诺数,Re=ud/#,#为空气流动的动力[6]速度也有一定关系,需要由试验确定。黏滞系数;ks为管道的当量粗糙。气流通过采风口进入通风管时,由于产生气流对于通风管路堤中采用的3种通风管尺寸、当与管道内壁分离和涡流现象而造成局部阻力,对于量粗糙(包括管壁开孔和不开孔2种情况)等参数见不同的进风口结构形式,其局部阻力相差较大。不表1,其相应的沿程阻力系数随空气流速的变化规采取措施的进风口局部阻力损失系数为0.6,采用律可由式(7)的数值计算获得。直角形突缩集气的进风口局部阻力损失系数为0.3,图2为通风管沿程摩阻系数随当量粗糙、管中而采用圆弧形渐缩集气的进风口局部阻力损失系数气流速度的变化情况。由于混凝土通风管本身的当仅为0.03,也可采用圆锥形渐缩集气的进风口。通 28中
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2008年风管出风口的局部阻力损失等于出风口空气流出的内沿轴线方向的风速uy0的计算公式为动压损失加上按式(8)计算的局部阻力损失,把出口1212uy0={[K10uy/z-K20uy/z+(0-a)gh1]∀2122制作成扩散角较小的渐扩管出风口可减小其局部阻力损失,甚至可以忽略不计;如果出风口加装自动温

[1h1l-11/2a(1+∃i+2∃e+∀v+∀h+∃0)]}(11)2dd控门,则将产生较大的局部阻力损失。由于通风管内外空气的密度变化较小,计算通弯管的局部阻力损失包括旋涡损失和二次流损风管内风速时可略去这种差别,不考虑竖向通风管失,其局部阻力损失系数与弯管的转角、曲率半径与高度引起的压力差,则式(11)简化为管径之比相关,具有1.5倍管径曲率半径的圆形或K1-K2t/(h1+t)1/2方形90#弯管的局部阻力损失系数约为0.18。uy0=[1+∃]uy/z1(12)i+2∃e+∀vh1/d+∀hl/d+∃02通风管内的风速只有水平通风管的传统通风管路堤通风管内风速的估算公式为对于如图1所示的通风管系统,出风口的压力K1-K21/2uy0=()uy/t(13)损失除按式(8)计算的局部阻力损失外,还要加上出1+∃i+∀hl/d+∃0风口空气流出的动压损失,则应用式(5)可得空气流式中:uy/t为传统通风管口附近空气流动的速度。因经通风管系统的总压力损失Pw为此,应用式(12)、(13)和青藏高原风速现场观察资料121h1可求得通风管内的空气流速。

Pw=∃iauy0+(2∃e+∀v+22dl2123工程应用



∀h)auy0+(∃0+1)auy0(9)d2青藏高原海拔高,地势平坦开阔,风速较大,且式中:uy0为通风管内空气的流动速度;∃i为采风口风速季节性变化比较明显,气温最高的7、8、9三个进风口的局部阻力损失系数;∃e为采风口90#弯管月风速较小,而12月至来年3月风速明显增大,强的局部阻力损失系数;∃0为出风口的局部阻力损失风月份的平均风速为弱风月份的近2倍,风的方向系数;∀v为竖直通风管的沿程摩阻系数;∀h为水平也比较一致。文献[10]中对青藏高原五道梁地区典通风管的沿程摩阻系数;l为水平通风管的长度。型路基各月、各边界的综合风速进行了分析,发现路通风管通风的驱动力由路堤两侧的风场压力差基左坡、右坡及路面三者中路面风速最大,这主要是以及管内外温度不同引起的热压差共同提供,考虑因为路基较高且无阻挡。青藏高原冻土地区的大风负风场影响,通风管系统外面两侧空气的风场压力有利于强迫对流作用,也增强了表层土的蒸发作用,差Pk为从而能促进地
气间的热交换,有利于降低冻土温1212Pk=K10uy/z-K20uy/z+(0-a)gh1(10)2122度。通风管路堤正是利用了青藏高原的大风特征以式中:K1、K2分别为采风口进风口外侧和通风管出降低路堤及其土层的温度,从而达到冷却路堤和保风口外侧的空气动力系数,需要通过风洞模拟试验护冻土的作用。或数值模拟来确定;uy/z1、uy/z2分别为采风口进风口图3为按式(1)、(3)、(12)和(13)计算的青藏高和通风管出风口附近空气流动的速度。原五道梁地区的典型风速、采风口附近风速、通风管数值模拟表明:对于正方体形建筑物,其迎风面内空气流速以及传统通风管口附近和管内空气流速和背风面的空气动力系数可分别取为0.7和的变化。其中,竖直通风管为钢管,h1=2.0m,水[7
8]-0.2;对于边坡坡度为1∃1.5的路堤,其迎风平通风管为混凝土管,管壁不开孔,通风管内径为面的空气动力系数从坡脚处的0.3变化到路肩处的0.40m,路堤高度为2.4m,t=0.36m,水平通风管1.4,而背风面的空气动力系数从坡脚处的-0.2变长度为17.2m,管道沿程摩阻系数和局部阻力损失[9]-1化到路肩处的-0.6。因此,对于加装采风口的通系数按平均速度3.0m∀s取值。由图3可见:加风管路堤,其进风口距离边坡较远且接近路肩,K1装采风口通风管路堤的通风管内风速明显大于只有近似取为0.8~1.2;对于传统通风管路堤,进风口水平通风管的传统通风管路堤的风速,尤其是冬季位于中间偏下,K1近似取为0.4~0.8。时期两者的风速差异更加显著,这表明加装采风口通风管路堤的通风是属于自然通风,根据压力通风管路堤更有利于路堤及其冻土的降温。平衡条件,式(10)应该等于式(9),因此,可得通风管文献[3]中采用数值计算的方法计算通风管风 第4期










杨丽君,等:寒区路堤通风管的自然通风能力29logy,2008,52(1):1
25.[2]MAW,SHICH,WUQB,etal.MonitoringStudyonTechnologyoftheCoolingRoadbedinPermafrostRegionofQinghai
TibetPlateau[J].ColdRegionsScienceTechnology,2006,44(1):1
11.[3]ZHANGMY,LAIYM,NIUFJ,etal.ANumericalModeloftheCoupledHeatTransferforDuct
ventil
atedEmbankmentUnderWindActioninColdRe
gionsandItsApplication[J].ColdRegionsScience图3通风管内风速随时间的变化Technology,2006,45(2):103
113.Fig.3VariationsofWindVelocitiesvsTimein[4]SUNBX,XUXZ,LAIYM,etal.EvaluationofVentilationDuctFracturedRockLayerHeightsinBallastRailway速,由于管壁摩擦作用,通风管内实际风速在直径方EmbankmentBasedonCoolingEffectofNatural向分布是不均匀的,另外,数值计算中也没有考虑由ConvectioninColdRegions[J].ColdRegionsScience于管壁与空气的热交换而产生的通风管轴向空气密andTechnology,2005,42(2):120
144.度的不均匀性。因此数值计算虽然有利于模拟路堤[5]刘
琦,孙斌祥,徐学祖,等.透壁通风管路堤降温效通风管内空气的流动规律,但严格的数值计算却费应的室内试验研究[J].岩土工程学报,2006,28(9):时费钱,不适合于多工况的对比分析,不利于工程应1153
1158.LIUQi,SUNBin
xiang,XUXue
zu,etal.Investiga
用。利用本文中提出的计算方法可快速计算各种路tionofLaboratoryTestonCoolingEffectofEmbank
堤通风管的通风能力,便于工程应用。mentwithPerforatedVentilationPipes[J].Chinese4结语JournalofGeotechnicalEngineering,2006,28(9):1153
1158.(1)针对青藏高原冻土区采用的通风管路堤,对[6]王汉青.通风工程[M].北京:机械工业出版社,2007.通风管的自然通风能力进行了探索性研究。WANGHan
qing.VentilationEngineering[M].Bei
(2)具体分析了路堤通风管系统中存在的沿程jing:ChinaMachinePress,2007.摩擦阻力损失和局部阻力损失,这些损失使通风管[7]JIANGY,DONALDA,HUWJ,etal.NaturalVent
的空气流动速度减小。ilationinBuildings:MeasurementinaWindTunnel(3)根据通风管自然通风的驱动力等于路堤两andNumericalSimulationwithLarge
eddySimulation侧的风场压力差,获得了通风管系统考虑沿程摩擦[J].JournalofWindEngineeringandIndustrialAero
阻力损失和局部阻力损失的风速计算公式,以便于dynamics,2003,91(3):331
353.评价多年冻土区通风管路堤降温效果的强化措施。[8]EVOLAG,POPOVV.ComputationalAnalysisof(4)加装采风口通风管路堤的通风管内风速明WindDrivenNaturalVentilationinBuildings[J].En
显大于只有水平通风管的传统通风管路堤的风速,ergyandBuildings,2006,38(5):491
501.冬季时期两者的风速差异更加显著。因此,加装采[9]王铁行,胡长顺,李
宁,等.青藏高原多年冻土区实风口通风管路堤比传统通风管路堤能更好地利用青际边界浅层土体温度场数值分析[J].中国科学:E藏高原的大风特征以降低路堤及其土层的温度,从辑,2003,33(7):655
662.而达到冷却路堤和保护冻土的作用。WANGTie
hang,HUChang
shun,LINing,etal.(5)由于实际通风管路堤的通风能力与具体工NumericalAnalysisofGroundTemperatureinQing
hai
TibetPlateau[J].ScienceinChina:SeriesE,程环境、路堤高度、路堤走向等密切相关,更理想的2003,33(7):655
662.结果需要在风洞试验中获得,加装采风口通风管路[10]汪海年,窦明健.青藏高原多年冻土区路基温度场数值堤的降温能力也还需要在现场进行试验研究。模拟[J].长安大学学报:自然科学版,2006,26(4):11
15.参考文献:WANGHai
nian,DOUMing
jian.NumericalSimula
References:tionofThermalFieldinPermafrostEmbankmentsof[1]
CHENGGD,SUNZZ,NIUFJ.ApplicationoftheQinghai
TibetHighway[J].JournalofChang
anUni
RoadbedCoolingApproachinQinghai
TibetRailwayversity:NaturalScienceEdition,2006,26(4):11
15.Engineering[J].ColdRegionsScienceandTechno