曲线型公路隧道交通风非稳态特性及计算方法研究

随着我国经济技术不断发展，公路隧道线形设计从以往单一的直线形发展到曲线形，甚至螺旋线形。曲线隧道作为山区复杂地形、地质条件下选线新方法，正日益增多。而目前在其通风设计中，简单的采用直线隧道交通风计算方法，这与实际情况严重偏离。本项研究即是针对学术界及规范中所不完善的曲线隧道交通风计算方法开展的，研究过程中，通过理论研究、三维数值分析及现场实测的研究方法，分析了既有直线隧道交通风稳态计算方法对于曲线隧道的适用性，根据曲线隧道交通风分布特性建立起了具有三维动网格及适当湍流模型的数值试验平台，针对隧道不同曲线半径以及车流分布的不同间距、速度等多种工况研究隧道内交通风的非稳态特性，根据实测数据及数值计算结果确定了曲线隧道内适用的汽车有效空气阻力系数，最终得到了曲线公路隧道内交通风计算方法。 通过本项目研究，共发表相关学术论文30篇，其中国际刊物3篇，国内核心刊物18篇，国际学术会议论文4篇，国内学术会议论文5篇。发表的论文共被EI检索系统收录7篇，ISTP检索系统收录4篇。 结合本项目部分研究成果，相关科研项目“高速公路螺旋型曲线隧道营运安全控制技术研究”获2012年度“中国公路学会科学技术奖”一等奖，个人排名第二（证书编号：B12-1-034-002）。 本项目的研究成果为促进我国公路隧道通风规范的完善奠定基础，并可对我国日益发展的公路隧道工程决策、设计、运营各环节提供参考作用。 2100433B

随着我国经济技术不断发展，公路隧道线形设计从以往单一的直线形发展到曲线形，甚至螺旋线形。曲线隧道作为山区复杂地形、地质条件下选线新方法，正日益增多。而目前在其通风设计中，简单的采用直线隧道交通风计算方法，这与实际情况严重偏离。本项申请旨在针对学术界及规范中所不完善的曲线隧道交通风计算方法开展研究。通过理论研究、三维数值分析及现场实测的研究方法，分析既有直线隧道交通风稳态计算方法对于曲线隧道的适用性，根据曲线隧道交通风分布特性建立起具有三维动网格及适当湍流模型的数值试验平台，针对隧道不同曲线半径以及车流分布的不同间距、速度等多种工况研究隧道内交通风的非稳态特性，根据实测数据及数值计算结果确定曲线隧道内适用的汽车有效空气阻力系数，最终得到曲线公路隧道内交通风计算方法。为促进我国公路隧道通风规范的完善奠定基础，并对我国日益发展的公路隧道工程决策、设计、运营各环节提供参考作用。

本项目研究思路为：稳态模型→正弦波风速模型→脉动风模型→平均风模型→非稳态风量模型→非稳态风下室内温度分析。 课题组先从稳态模型入手，对自然通风建筑计算模型进行了理论分析和实验验证。 其次，由于阶跃变化与正弦变化是研究动态特性时通常输入的标准信号，因此课题组假定非稳态风为正弦波动风形式，基于通风与蓄热的基本理论，结合数值分析及数值模拟方法，在正弦波动风速来流条件下对室内温度场进行模拟和分析，得到了室内温度衰减系数和延迟时间的变化规律，比较了恒定风与正弦波来流对室内温度计算结果的差异。 而通过分析自然风特性可知，自然风由平均风和波动风组成，波动风具有随时间和空间强烈变化的非线性随机波动特性，它并不能由单一谐波函数来描述。因此，课题组根据谐波叠加法对脉动风速时程进行了模拟，结合风工程学中的风致内压脉动研究方法，建立了主要脉动通风量模型；就平均风速的概率分布特性，提出了平均风速呈威布尔分布条件下的平均通风量模型。通过脉动通风量模型分析，可发现，脉动通风量与开口面积、房间体积、平均风速、湍流强度成一定函数关系。对随机平均风速下的平均通风量模型分析可知，若平均风速和最大风速一定，服从威布尔分布的风速时程序列是存在多种情况的，但是各平均风速所占概率相同，总平均通风量是一定的。对于单侧开口，总通风量为脉动通风量与平均通风量之和；小开口通风量主要由脉动通风量组成，大开口通风量由平均通风量和脉动通风量组成。通风量模型建立后，利用大涡数值模拟计算结果及其他计算模型结果进行了对比，分析可知本模型更为准确。 最后，对自然风进行了实测，基于实测数据分析了自然风的平均风特性和脉动风特性；采用谐波叠加法得到随机脉动风速序列，采用双参数的威布尔分布模型得到随机平均风速序列；针对单侧大开口/双侧大开口自然通风建筑，以脉动风速序列和随机平均风速序列分别作为远处来流风速，得到非稳态自然通风建筑室内温度求解模型，根据该模型，分析了风速以及内外蓄热体特性、内热源及开口面积等因素对室内温度衰减系数和延迟时间的影响。 研究首次提出了风向垂直于风口的非稳态来流下单侧开口自然通风建筑通风量计算方法，探讨了变风速、开口面积、房间体积及湍流脉动等参数对通风量的影响，并基于该方法，提出了非稳态自然通风室内温度求解模型，该模型可用于评估实践工程中的自然通风建筑内部热环境，指导自然通风建筑蓄热设计。 2100433B

自然通风是被动式建筑技术中的重要方法，而建筑蓄热与自然通风建筑室内热环境紧密相关，自然通风建筑室内温度由于建筑蓄热作用相对室外温度波出现延迟和衰减特征。.实际自然风具有紊态和非稳定性质。本项目拟定在分析自然来流平均风特性与波动风特性基础上，主要针对双侧/单侧开口自然通风模型，研究流动机理，分析主要特征参数，提出在CFD模型中构建非稳态风压边界条件的方法；选取合适的湍流模型及边界条件，提出同时考虑建筑传热、蓄热作用的非稳态自然通风数值模拟模型及计算方法，并经过实验验证；通过该模型，对非稳态风压驱动下双侧/单侧开口自然通风建筑进行CFD数值模拟，探讨变风速、风向及湍流脉动等参数与建筑蓄热作用之间的关系，分析非稳态风压驱动下的自然通风建筑蓄热特性及不同建筑蓄热体对室内温度的影响规律；最后结合数值模拟结果与宏观分析方法，提出适合于指导工程实践的非稳态风压驱动自然通风建筑蓄热设计与评估模型。

当前我国核电的发展形势，核主泵的国产化自主化设计制造，需要做一些服务于设计制造的基础的科学问题的研究。本项目从反应堆冷却系统基础理论研究的角度出发，研究核主泵瞬变工况下核主泵瞬态特性及堆芯流量瞬变的研究。从系统理论的角度，提出了反应堆冷却系统核主泵启动瞬变工况下主泵瞬态特性的数学模型，建立核主泵启动无量纲转速和流量特性关系式，建立了核主泵启动总的无量纲瞬变压头、加速压头和克服摩擦的压头特性关系式，建立核主泵启动无量纲加速冷却剂转矩，加速核主泵转动部分转矩和克服冷却剂摩擦转矩特性关系式。研究了系统参数、冷却剂惯性及主泵转动惯量对主泵启动转速、流量、压头和转矩的影响。提出了反应堆冷却系统核主泵断电瞬态特性及堆芯流量的数学模型，建立了主泵断电惰转转速及流量与系统参数及主泵设计参数的无量纲关系式，研究了系统无量纲参数、冷却剂惯性及主泵转动惯量对主泵断电惰转转速及流量的影响。与秦山和大亚湾主泵断电惰转实验曲线进行了比较，包括流量和转速曲线进行了比较，亦与Yokomura发表的研究型反应堆实验泵的惰走试验结果进行比较，与Tsukamoto的试验泵启动流量、转速和压头进行了比较，结果非常吻合，证明所建立的主泵启动和断电非稳态特性关系式的正确性。上述建立的特性关系式没有采用离心泵特性关系式，上述变量全部无量纲化，对于设计新型压水堆冷却系统和核主泵均适用，不仅仅适用于压水堆冷却系统，对于水压闭环系统瞬变特性的分析亦适用。为我国核主泵及压水堆冷却系统自主设计及制造提供理论依据。 2100433B