大型深埋长距离引水隧洞施工通风两相流模拟理论与应用研究

针对大型深埋长距离引水隧洞施工通风中存在的具有挑战性、亟待解决的关键科学问题：深埋长隧洞的储热作用所导致的通风散烟困难问题、施工通风两相流模拟的复杂性问题、长风管系统的沿程漏风问题。本研究根据施工通风气固两相间力学特性、热力特性及扩散运移特性，建立综合考虑气固热交换、尘粒间相互耦合作用和沿程漏风对隧洞内风流影响的大型深埋长引水隧洞工程施工通风气固两相流紊流模型；揭示施工通风两相流湍流机制、探讨隧洞内含尘气流的对流热交换规律、研究沿程漏风机理和分析隧洞内风流微观运动机理以及粉尘、污染物运移规律。本研究弥补了目前引水隧洞施工通风模拟主要针对单一隧洞独头掘进施工通风单相流模拟以及忽略了气固热交换和尘粒间碰撞对风流场影响的不足，解决大型深埋长引水隧洞施工通风两相流数值模拟与优化分析中存在的应用基础科学问题。本项目研究特色明显，不仅具有重要的理论意义，而且具有很强的工程应用价值。

在地下工程钻爆开挖过程中，施工通风是关系施工进度和施工安全的重要因素。大型深埋引水隧洞工程水文地质条件复杂，施工通风距离长、难度大、组织管理困难。目前对于引水隧洞施工通风模拟的研究主要针对单一隧洞独头掘进施工通风单相流模拟而没有在系统考虑气固热交换、尘粒间的相互耦合作用和沿程漏风的情况下对施工通风气固两相流过程进行研究。本研究针对深埋长隧洞储热作用所导致的通风散烟困难问题、施工通风两相流模拟的复杂性问题、长风管系统的沿程漏风问题，建立了综合考虑气固热交换及尘粒间的相互耦合作用影响的三维非稳态Eulerian-Lagrangian和Eulerian- Eulerian两相流紊流模型。在动量方程中充分考虑温度差和密度差引起的浮力、相间曳力、热泳力、升力和虚拟质量力的作用；在颗粒方程中加入颗粒碰撞力，考虑了颗粒间碰撞的影响。本研究以某水电站大型深埋长距离引水隧洞为实例，建立了考虑沿程漏风影响的三维精细网格模型，并进行网格灵敏性分析，得出合理的网格划分方案。通过与现场实测数据的对比分析，验证了数学模型的可靠性。对引水隧洞施工通风两相流动态模拟结果进行了分析，得出如下结论：.（1）引水隧洞不同掘进长度下的风管百米漏风率变化趋势一致，即从隧洞出口至工作面沿程递减。隧洞出口附近漏风率大小基本相同，约为1.6%；风管出口附近漏风率最小，约为0.5%。.（2）不同掘进长度下工作面附近壁面平均换热系数分布趋势一致，即工作面附近50m范围内先增大后减小。在风管出口附近换热系数达到最大。通过与经验公式的对比分析，验证了采用温度壁面函数法求解深埋长隧洞换热系数的可行性。.（3）在风流的携带作用、温度异重流和密度异重流影响的共同作用下，大部分粉尘沿着隧洞底部运移，部分粉尘上浮甚至出现回迁和二次悬浮现象；颗粒间的相互碰撞会延长排尘所需的时间，对通风排尘造成不利影响。.（4）不同时刻下隧洞轴线粉尘浓度以峰值为中心呈正态分布，隧洞内粉尘浓度峰值随施工通风时间增加呈递减趋势；通过数据拟合得出施工通风散烟时间与引水隧洞掘进长度的关系，优化了传统钻爆开挖中通风参数的选取，为工程实际提供了理论指导。