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制造技术

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。本发明专利技术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，因此根据本发明专利技术的算法，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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。
技术介绍
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。Pimolsiri Prajongsan(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。JaroslavKatolicky和MiroslavJicha(2005)建 立了Eulerian-Lagrangian模型，并借助流体力学计算软件Star⑶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-HoonYoon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。 在一系列研究的基础上，2010年江苏省颁布实施了《城市隧道竖井型自然通风设 计与验收规范》（DGJ32/TJ102- 2010)。规范要求："竖井间距应彡240m;隧道长度500m~ 1500m时，开口率（竖井有效开口面积/隧道水平投影面积）应彡3. 25\%"的要求。但在 此类隧道顶部开口位置的设计还没有成熟的方法和充分的数据支持，当地建设主管部门与 火灾消防机构仍给予了较大的关注与担忧。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对隧道顶部开口位置的设计问题，提出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。 本专利技术的技术方案是： -种顶部开口的城市公路隧道内部三维逐时压力分布算法，它包括以下步骤： (1)、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 标为〇i(〇?χ，〇?ν，〇?ζ)，则顶部开口的对隧道内部任一点压力的衰减系数Φ为： 其中，j表示隧道顶部开口的位置序号，0]x，0]y，0]2分别表示隧道顶部开口j在长 度、宽度和高度方向的坐标；k为隧道空间压力分布系数，与隧道的结构形式有关（范围为 0. 6~1. 0)，(^表示计算点和顶部开口中心位置的距离； (2)、将压力衰减系数Φ,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公式： 其中，x，y，z分别表示隧道内部任一计算点在隧道长度、宽度和高度方向的坐标，t 表示车流行驶时间，前述车流行驶时间以车流中首辆汽车的头部达到隧道口入口时为时间 零点计算，i为车辆编号，η表示一次车流中的车辆数量，PA表示汽车头部的最大理论正压， PB表示车尾的最大理论负压；AjPBi分别表示计算点到第i辆车的车头和车尾的距离。 本专利技术中，&表示计算点和顶部开口中心位置的距离： 其中，X，y，z分别表示隧道内部任一点在隧道长度、宽度和高度方向的坐标。 本专利技术中，k为隧道空间压力分布系数，范围是：0·6~1. 0。 本专利技术中，PA表示行驶车辆头部的最大理论正压；PB表示行驶车辆尾部的最大理 论负压； 7 其中，P表示空气密度，v表示第i辆车的车速。 本专利技术中，~和Bi分别表示计算点到第i辆车的车头和车尾的距离，采用下述表 达式[0022； 其中，v表示第i辆车的车速，s表示车流中车辆的平均间距，1表示第i辆车的车 辆长度。 本专利技术的有益效果： 本专利技术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，因此根据本专利技术的算法，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。【附图说明】 图1是车辆头部和尾部的正负压力场示意图。 图2是隧道内压力分布情况示意图。[0028当前第1页1 2 本文档来自技高网...

【技术保护点】
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，其特征是它包括以下步骤：(1)、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ψj为：ψj=1-1Exp(kCj)]]>其中，j表示隧道顶部开口的位置序号，Ojx,Ojy,Ojz分别表示隧道顶部开口j在长度、宽度和高度方向的坐标；k为隧道空间压力分布系数，与隧道的结构形式有关(范围为0.6～1.0)，Cj表示计算点和顶部开口中心位置的距离；(2)、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公式：P(x,y,z,t)=Σi=1n(PAExp(kAi)+PBExp(kBi))Πj=1mψj]]>其中，x,y,z分别表示隧道内部任一计算点在隧道长度、宽度和高度方向的坐标，t表示车流行驶时间，前述车流行驶时间以车流中首辆汽车的头部达到隧道口入口时为时间零点计算，i为车辆编号，n表示一次车流中的车辆数量，PA表示汽车头部的最大理论正压，PB表示车尾的最大理论负压；Ai和Bi分别表示计算点到第i辆车的车头和车尾的距离。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：金斯科，龚延风，张广丽，
申请(专利权)人：南京工业大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32