城市隧道中射流风机布置参数对通风性能影响的研究

《Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics》：Study on the influence of jet fan layout parameters on ventilation performance in urban tunnel

　　

# 城市道路隧道射流风机布置参数研究

## 研究目标

- 揭示射流风机关键布置参数对隧道气流的影响模式
- 基于数值分析确定关键射流风机布置参数的合理范围
- 利用实际工程案例评估纵向前后风机间距的影响
- 为射流风机布置和节能隧道通风设计提供优化建议

## 引言

近年来，城市道路隧道的规模和长度不断扩大，对隧道运行期间的空气质量控制、污染物稀释、排烟以及能耗提出了更为严格的要求（Liang等，2024）。作为最常用的通风模式之一，纵向通风系统在日常通风和应急排烟中都发挥着重要作用。

在正常运行条件下，纵向通风主要用于稀释车辆尾气和空中污染物，以维持隧道内可接受的空气环境。在火灾条件下，它还有助于控制烟雾和组织纵向气流。由于其配置相对简单、施工和运营维护成本可控以及控制策略明确，纵向通风系统在工程实践中得到了广泛应用（Tao等，2023；Zhao等，2020）。

国际指南已系统性地处理了纵向通风的关键设计要素，如推力输入、风机组数、动能传递和运行条件，强调通过向隧道气柱持续注入动量来提高通风效率和可控性（PIARC，2007）。因此，射流风机的合理布置对于提高城市道路隧道日常通风效率、污染物去除能力和运营能耗性能具有重要意义。

## 研究背景

道路隧道的纵向通风本质上是受限空间内复杂的 airflow 组织问题。其性能不仅取决于机械通风设备，还取决于车辆诱导气流、隧道阻力、交通状况和壁面约束。

以往的研究从活塞效应（Chen等，1998）、瞬态通风响应（Jang和Chen，2000）和隧道气动系数（Jang和Chen，2002）等角度调查了道路隧道通风机制。这些研究表明，车辆诱导气流、壁面摩擦阻力、车辆阻力和射流风机的增压能力都可能影响隧道内的速度分布、污染物传输和通风计算结果。

在受限空间中，从风机出口发出的射流会经历扩散、卷吸、衰减以及与隧道壁的相互作用。因此，射流风机的安装位置对其有效推力有直接影响。

以往研究表明，当射流风机安装在靠近隧道拱顶、角落区域或内部结构的位置时，射流会受到科恩达效应、壁面边界层和局部结构阻挡的影响，从而改变射流的扩散路径、压力损失和有效动量传递过程（Beyer等，2016；Wang等，2012a，2022a；Chen等，2019；Zhao等，2022；Ying等，2024；Tarada等，2022，2024；Wang和Cao，2025；Yu等，2024）。

相关研究还建议，通过适当调整风机与壁面之间的距离、优化喷嘴配置或改变风机俯仰角，可以改善射流发展、减少近壁损失并增强隧道空间的空气交换。在曲线隧道或内部结构复杂的隧道中，几何曲率和局部障碍物会进一步加剧流场不对称性，使得在近壁风机安装条件下，回流、剪切耗散和推力损失更加明显（Wang等，2010，2024；Król等，2024）。

当隧道横截面尺寸增大或通风需求提高时，单个射流风机往往无法提供足够的横向覆盖范围和动量输入。在这种情况下，需要在同一横截面内布置多台并联风机。与单台风相比，并联风机的流场特性更加复杂，因为多个射流会经历卷吸、合并和相互干扰，从而影响横截面的动量分布和速度均匀性。

以往研究表明，并联风机之间的横向间距过小时会限制射流发展并加剧相互干扰，而通常需要保持约1.2D-1.5D的最小间距来减少相邻射流之间的强烈相互作用（Tarada等，2022；Kim，2011；Lu等，2021）。对于吊顶式风机、曲线隧道或大截面隧道，壁面边界层、横向约束和多重射流相互作用的综合影响可能需要更大的间距来确保足够的射流发展和有效的动量传递（Wang等，2024；Zheng等，2020）。

在给定横截面内增加并联风机数量可以扩大横向覆盖范围并增强横截面动量通量。然而，受近壁耗散和多重射流相互干扰的双重约束，整体性能呈现出收益递减的趋势。

经典实验证据表明，四台风机以过近的间距并联布置会显著放大壁面摩擦损失。必须保持至少1.5D的横向间距来减少能耗并确保射流阵列的协同效应（Rohne，1988）。基于等效性能曲线的配置优化进一步表明，随着并联风机数量的增加，通风流量和运行点的增益逐渐收敛（Fan等，2025）。

从组合布置的角度来看，与传统方案相比，部署两台风机的多组接力布置可以实现隧道平均风速的可量化增加（Pei和Pan，2014）。在正常运行和大截面条件下的系统对比分析中，双风机配置往往在流场均匀性和单位能耗之间取得了更好的平衡。简单地增加风机数量并不能线性提高通风增益。如果中心距不足，中间射流可能会因发展空间受限而出现有效推力下降（Zhang等，2025）。

当研究对象从单个横截面扩展到长距离隧道或复杂地下空间时，射流风机布置设计进一步涉及到纵向动量补充与整体通风组织之间的协调。

以往关于地下互联空间流场分布、超长隧道非机械通风功率利用以及施工或运营期间污染物去除的研究表明，通风流场结构直接影响污染物传输、通风效率和系统能耗（Wang等，2022b；Feng等，2022；An等，2024；Xie等，2025；Sun等，2025）。

在长隧道中，风机组之间的纵向间距是一个将局部射流发展与整体通风性能联系起来的重要参数。如果间距过小，上游风机组产生的射流可能在充分发展之前就被下游风机组所干扰，增加了无效的组间耗散。相反，如果间距过大，纵向动量补充不足，难以维持目标气流速度并稳定通风性能。

相关数值和工程研究通常采用150-170米作为直大型截面隧道中射流风机间距的典型范围（Wang等，2024；Zheng等，2020）。在优先控制有害气体和长期节能的场景中，会采用更大的间距来平衡运营能耗（Suo等，2024）。

## 研究现状与不足

现有研究主要关注单个安装参数、局部流场特性或特定隧道案例，对城市道路隧道射流风机布置参数的系统性研究仍然不足。风机参数、边界条件和评价指标的差异也限制了以往结论的直接对比和工程应用。

因此，本研究建立了中型和大中型矩形隧道的CFD模型以及一个工程案例隧道模型，以调查风机-壁面间距、风机轴间距、并联风机数量和风机组间纵向间距的影响。采用速度场、静压场、壁面剪切应力、增压系数和进口通风速度等多个指标来评价通风性能。研究结果为城市道路隧道通风方案比较和节能设计提供了关键布置参数的推荐范围。

## 边界条件与求解器设置

为确保不同案例之间的可比性，隧道进出口、壁面和射流风机的边界条件进行了统一规定。对于涉及射流风机与隧道壁面距离、并联风机间距和并联风机数量的参数化模型，隧道进口被定义为速度进口，速度均匀为4 m/s，而出口被定义为压力出口。4 m/s的进口速度被选为

## 风机与顶板距离对隧道通风性能的影响

图7、图8展示了不同风机高度条件下的隧道流场和静压分布。当风机与顶板之间的距离为0.2米时，通风射流在科恩达效应的作用下沿顶板传播，隧道内的静压相对较高。随着风机与顶板距离的增加，科恩达效应的影响逐渐减弱。在距隧道225米处，射流与顶板分离，平均速度在

## 结论

本研究建立了城市隧道射流风机通风的CFD模型，调查了风机与壁面间距、风机轴间距、并联风机数量和风机组间纵向间距对通风性能的影响。主要结论如下：

（1）对于常规矩形截面隧道中的单台射流风机，与壁面的间距过小会加剧科恩达效应和壁面剪切损失。为了平衡射流发展和摩擦

## CRediT作者贡献声明

- **曹怡萌**：初稿撰写
- **孔杰**：审阅与编辑，方法论
- **赵亚丽**：形式分析
- **李梓诺**：形式分析
- **盛越凯**：形式分析
- **尤文娇**：数据整理

## 知情同意声明

已从所有参与研究的研究对象获得知情同意。

## 基金资助

本研究得到以下项目资助：
- 浙江省自然科学基金 [编号：Y24E080059]
- 中国计量大学第28期学生科研计划项目 [编号：2025X28061]
- 浙江省教育厅科研项目 [编号：Y202250290]
- 浙江警察学院公共安全风险治理实验室项目 [编号：2025ZS0010]

## 利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

## 致谢

我们感谢编辑和匿名审稿人提出的宝贵意见，这些意见显著改进了本文。

**作者**：曹怡萌 | 孔杰 | 赵亚丽 | 李梓诺 | 盛越凯 | 尤文娇