曲線型公路隧道交通風非穩(wěn)態(tài)特性及計算方法研究

隨著我國經(jīng)濟技術(shù)不斷發(fā)展，公路隧道線形設計從以往單一的直線形發(fā)展到曲線形，甚至螺旋線形。曲線隧道作為山區(qū)復雜地形、地質(zhì)條件下選線新方法，正日益增多。而目前在其通風設計中，簡單的采用直線隧道交通風計算方法，這與實際情況嚴重偏離。本項研究即是針對學術(shù)界及規(guī)范中所不完善的曲線隧道交通風計算方法開展的，研究過程中，通過理論研究、三維數(shù)值分析及現(xiàn)場實測的研究方法，分析了既有直線隧道交通風穩(wěn)態(tài)計算方法對于曲線隧道的適用性，根據(jù)曲線隧道交通風分布特性建立起了具有三維動網(wǎng)格及適當湍流模型的數(shù)值試驗平臺，針對隧道不同曲線半徑以及車流分布的不同間距、速度等多種工況研究隧道內(nèi)交通風的非穩(wěn)態(tài)特性，根據(jù)實測數(shù)據(jù)及數(shù)值計算結(jié)果確定了曲線隧道內(nèi)適用的汽車有效空氣阻力系數(shù)，最終得到了曲線公路隧道內(nèi)交通風計算方法。 通過本項目研究，共發(fā)表相關(guān)學術(shù)論文30篇，其中國際刊物3篇，國內(nèi)核心刊物18篇，國際學術(shù)會議論文4篇，國內(nèi)學術(shù)會議論文5篇。發(fā)表的論文共被EI檢索系統(tǒng)收錄7篇，ISTP檢索系統(tǒng)收錄4篇。 結(jié)合本項目部分研究成果，相關(guān)科研項目“高速公路螺旋型曲線隧道營運安全控制技術(shù)研究”獲2012年度“中國公路學會科學技術(shù)獎”一等獎，個人排名第二（證書編號：B12-1-034-002）。 本項目的研究成果為促進我國公路隧道通風規(guī)范的完善奠定基礎，并可對我國日益發(fā)展的公路隧道工程決策、設計、運營各環(huán)節(jié)提供參考作用。 2100433B

隨著我國經(jīng)濟技術(shù)不斷發(fā)展，公路隧道線形設計從以往單一的直線形發(fā)展到曲線形，甚至螺旋線形。曲線隧道作為山區(qū)復雜地形、地質(zhì)條件下選線新方法，正日益增多。而目前在其通風設計中，簡單的采用直線隧道交通風計算方法，這與實際情況嚴重偏離。本項申請旨在針對學術(shù)界及規(guī)范中所不完善的曲線隧道交通風計算方法開展研究。通過理論研究、三維數(shù)值分析及現(xiàn)場實測的研究方法，分析既有直線隧道交通風穩(wěn)態(tài)計算方法對于曲線隧道的適用性，根據(jù)曲線隧道交通風分布特性建立起具有三維動網(wǎng)格及適當湍流模型的數(shù)值試驗平臺，針對隧道不同曲線半徑以及車流分布的不同間距、速度等多種工況研究隧道內(nèi)交通風的非穩(wěn)態(tài)特性，根據(jù)實測數(shù)據(jù)及數(shù)值計算結(jié)果確定曲線隧道內(nèi)適用的汽車有效空氣阻力系數(shù)，最終得到曲線公路隧道內(nèi)交通風計算方法。為促進我國公路隧道通風規(guī)范的完善奠定基礎，并對我國日益發(fā)展的公路隧道工程決策、設計、運營各環(huán)節(jié)提供參考作用。

本項目研究思路為：穩(wěn)態(tài)模型→正弦波風速模型→脈動風模型→平均風模型→非穩(wěn)態(tài)風量模型→非穩(wěn)態(tài)風下室內(nèi)溫度分析。 課題組先從穩(wěn)態(tài)模型入手，對自然通風建筑計算模型進行了理論分析和實驗驗證。 其次，由于階躍變化與正弦變化是研究動態(tài)特性時通常輸入的標準信號，因此課題組假定非穩(wěn)態(tài)風為正弦波動風形式，基于通風與蓄熱的基本理論，結(jié)合數(shù)值分析及數(shù)值模擬方法，在正弦波動風速來流條件下對室內(nèi)溫度場進行模擬和分析，得到了室內(nèi)溫度衰減系數(shù)和延遲時間的變化規(guī)律，比較了恒定風與正弦波來流對室內(nèi)溫度計算結(jié)果的差異。 而通過分析自然風特性可知，自然風由平均風和波動風組成，波動風具有隨時間和空間強烈變化的非線性隨機波動特性，它并不能由單一諧波函數(shù)來描述。因此，課題組根據(jù)諧波疊加法對脈動風速時程進行了模擬，結(jié)合風工程學中的風致內(nèi)壓脈動研究方法，建立了主要脈動通風量模型；就平均風速的概率分布特性，提出了平均風速呈威布爾分布條件下的平均通風量模型。通過脈動通風量模型分析，可發(fā)現(xiàn)，脈動通風量與開口面積、房間體積、平均風速、湍流強度成一定函數(shù)關(guān)系。對隨機平均風速下的平均通風量模型分析可知，若平均風速和最大風速一定，服從威布爾分布的風速時程序列是存在多種情況的，但是各平均風速所占概率相同，總平均通風量是一定的。對于單側(cè)開口，總通風量為脈動通風量與平均通風量之和；小開口通風量主要由脈動通風量組成，大開口通風量由平均通風量和脈動通風量組成。通風量模型建立后，利用大渦數(shù)值模擬計算結(jié)果及其他計算模型結(jié)果進行了對比，分析可知本模型更為準確。 最后，對自然風進行了實測，基于實測數(shù)據(jù)分析了自然風的平均風特性和脈動風特性；采用諧波疊加法得到隨機脈動風速序列，采用雙參數(shù)的威布爾分布模型得到隨機平均風速序列；針對單側(cè)大開口/雙側(cè)大開口自然通風建筑，以脈動風速序列和隨機平均風速序列分別作為遠處來流風速，得到非穩(wěn)態(tài)自然通風建筑室內(nèi)溫度求解模型，根據(jù)該模型，分析了風速以及內(nèi)外蓄熱體特性、內(nèi)熱源及開口面積等因素對室內(nèi)溫度衰減系數(shù)和延遲時間的影響。 研究首次提出了風向垂直于風口的非穩(wěn)態(tài)來流下單側(cè)開口自然通風建筑通風量計算方法，探討了變風速、開口面積、房間體積及湍流脈動等參數(shù)對通風量的影響，并基于該方法，提出了非穩(wěn)態(tài)自然通風室內(nèi)溫度求解模型，該模型可用于評估實踐工程中的自然通風建筑內(nèi)部熱環(huán)境，指導自然通風建筑蓄熱設計。 2100433B

自然通風是被動式建筑技術(shù)中的重要方法，而建筑蓄熱與自然通風建筑室內(nèi)熱環(huán)境緊密相關(guān)，自然通風建筑室內(nèi)溫度由于建筑蓄熱作用相對室外溫度波出現(xiàn)延遲和衰減特征。.實際自然風具有紊態(tài)和非穩(wěn)定性質(zhì)。本項目擬定在分析自然來流平均風特性與波動風特性基礎上，主要針對雙側(cè)/單側(cè)開口自然通風模型，研究流動機理，分析主要特征參數(shù)，提出在CFD模型中構(gòu)建非穩(wěn)態(tài)風壓邊界條件的方法；選取合適的湍流模型及邊界條件，提出同時考慮建筑傳熱、蓄熱作用的非穩(wěn)態(tài)自然通風數(shù)值模擬模型及計算方法，并經(jīng)過實驗驗證；通過該模型，對非穩(wěn)態(tài)風壓驅(qū)動下雙側(cè)/單側(cè)開口自然通風建筑進行CFD數(shù)值模擬，探討變風速、風向及湍流脈動等參數(shù)與建筑蓄熱作用之間的關(guān)系，分析非穩(wěn)態(tài)風壓驅(qū)動下的自然通風建筑蓄熱特性及不同建筑蓄熱體對室內(nèi)溫度的影響規(guī)律；最后結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果與宏觀分析方法，提出適合于指導工程實踐的非穩(wěn)態(tài)風壓驅(qū)動自然通風建筑蓄熱設計與評估模型。

當前我國核電的發(fā)展形勢，核主泵的國產(chǎn)化自主化設計制造，需要做一些服務于設計制造的基礎的科學問題的研究。本項目從反應堆冷卻系統(tǒng)基礎理論研究的角度出發(fā)，研究核主泵瞬變工況下核主泵瞬態(tài)特性及堆芯流量瞬變的研究。從系統(tǒng)理論的角度，提出了反應堆冷卻系統(tǒng)核主泵啟動瞬變工況下主泵瞬態(tài)特性的數(shù)學模型，建立核主泵啟動無量綱轉(zhuǎn)速和流量特性關(guān)系式，建立了核主泵啟動總的無量綱瞬變壓頭、加速壓頭和克服摩擦的壓頭特性關(guān)系式，建立核主泵啟動無量綱加速冷卻劑轉(zhuǎn)矩，加速核主泵轉(zhuǎn)動部分轉(zhuǎn)矩和克服冷卻劑摩擦轉(zhuǎn)矩特性關(guān)系式。研究了系統(tǒng)參數(shù)、冷卻劑慣性及主泵轉(zhuǎn)動慣量對主泵啟動轉(zhuǎn)速、流量、壓頭和轉(zhuǎn)矩的影響。提出了反應堆冷卻系統(tǒng)核主泵斷電瞬態(tài)特性及堆芯流量的數(shù)學模型，建立了主泵斷電惰轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速及流量與系統(tǒng)參數(shù)及主泵設計參數(shù)的無量綱關(guān)系式，研究了系統(tǒng)無量綱參數(shù)、冷卻劑慣性及主泵轉(zhuǎn)動慣量對主泵斷電惰轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速及流量的影響。與秦山和大亞灣主泵斷電惰轉(zhuǎn)實驗曲線進行了比較，包括流量和轉(zhuǎn)速曲線進行了比較，亦與Yokomura發(fā)表的研究型反應堆實驗泵的惰走試驗結(jié)果進行比較，與Tsukamoto的試驗泵啟動流量、轉(zhuǎn)速和壓頭進行了比較，結(jié)果非常吻合，證明所建立的主泵啟動和斷電非穩(wěn)態(tài)特性關(guān)系式的正確性。上述建立的特性關(guān)系式?jīng)]有采用離心泵特性關(guān)系式，上述變量全部無量綱化，對于設計新型壓水堆冷卻系統(tǒng)和核主泵均適用，不僅僅適用于壓水堆冷卻系統(tǒng)，對于水壓閉環(huán)系統(tǒng)瞬變特性的分析亦適用。為我國核主泵及壓水堆冷卻系統(tǒng)自主設計及制造提供理論依據(jù)。 2100433B