頂部多開(kāi)口隧道熱壓通風(fēng)模擬研究

單美群 張旭 葉蔚

頂部多開(kāi)口隧道熱壓通風(fēng)模擬研究

單美群 張旭 葉蔚

同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院

頂部多開(kāi)口隧道能避免汽車(chē)尾氣在隧道峒口集中排放，且利用自然通風(fēng)降低隧道運(yùn)行成本。而實(shí)際運(yùn)用中自然通風(fēng)作用能否達(dá)到隧道的需風(fēng)量要求是不可知的。本文通過(guò)對(duì)稱的隧道模型采用數(shù)值模擬的方法研究頂部多開(kāi)口隧道阻滯工況自然通風(fēng)規(guī)律。通過(guò)研究得到：可以用簡(jiǎn)化的尾氣混合溫度模型研究隧道熱壓通風(fēng)；奇數(shù)對(duì)稱頂部開(kāi)口隧道有利于熱壓通風(fēng)；對(duì)稱分布的頂部開(kāi)口數(shù)量超過(guò)3個(gè)時(shí)，隧道頂部開(kāi)口通風(fēng)量呈“中間小，兩邊大”的分布。

阻滯工況多開(kāi)口熱壓通風(fēng)數(shù)值模擬

0 引言

為避免隧道內(nèi)污染物在隧道峒口集中排放，影響峒口周?chē)h(huán)境，同時(shí)降低隧道運(yùn)行成本，隧道采用頂部開(kāi)口的方式進(jìn)行自然通風(fēng)[1]。在交通阻滯工況，由于車(chē)輛運(yùn)動(dòng)不連續(xù)，交通風(fēng)力的通風(fēng)作用貢獻(xiàn)進(jìn)一步降低。在交通阻滯工況若不考慮環(huán)境風(fēng)的影響，忽略交通風(fēng)力作用，隧道的通風(fēng)方式為熱壓作用下的自然通風(fēng)。

目前對(duì)自然通風(fēng)的研究方法有W de Gids和H Phaff提出計(jì)算單側(cè)開(kāi)口自然通風(fēng)的模型[2]，AIRNET模型、NORMA模型、PASSPORT-AIR模型等[3]通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模型，近年來(lái)采用CFD模擬與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法研究自然通風(fēng)已成為主流[4、5]。

本文采用數(shù)值模擬的方法利用簡(jiǎn)化的尾氣混合溫度模型研究阻滯工況隧道不同頂部開(kāi)口的熱壓通風(fēng)規(guī)律。

1 研究方法

阻滯工況隧道內(nèi)的汽車(chē)尾氣與周?chē)諝饣旌鲜沟盟淼纼?nèi)空氣與環(huán)境空氣存在溫差，在溫差產(chǎn)生的空氣密度差的作用下實(shí)現(xiàn)熱壓通風(fēng)。采用數(shù)值模擬的方法研究隧道熱壓通風(fēng)時(shí)，建立隧道內(nèi)所有的汽車(chē)模型十分復(fù)雜，因此本文提出采用空氣與汽車(chē)尾氣混合溫度近似代替汽車(chē)排氣管的作用，簡(jiǎn)化模型。

阻滯工況隧道內(nèi)車(chē)速低于10km/h，車(chē)間距6～12m，假設(shè)隧道內(nèi)的車(chē)輛均勻分布，汽車(chē)尾氣會(huì)與周?chē)諝饣旌?，由于汽?chē)排氣管離地面的高度小于0.5m，因此假設(shè)在t時(shí)間隧道0.5m高度內(nèi)汽車(chē)尾氣能與周?chē)諝饣旌暇鶆?。按照能量守恒?/p>

式中：Ca為隧道內(nèi)空氣比容，kJ/(kg·K)；Ce為尾氣比容，kJ/(kg·K)；Cm為混合氣體比容，kJ/(kg·K)；ρa(bǔ)為空氣密度，kg/m3；ρe為尾氣密度，kg/m3；ρm為混合氣體密度，kg/m3；Va為隧道0.5m高度內(nèi)的空氣體積，m3；Ve為t間內(nèi)隧道內(nèi)的汽車(chē)排氣體積，m3；Vm為空與尾氣混合后的體積，m3；ta為空氣溫度，℃；te為尾氣溫度，℃；tm為混合氣體溫度，℃。

可以得到隧道0.5m高度內(nèi)空氣與尾氣混合溫度，若給出環(huán)境溫度，就能得到隧道熱壓通風(fēng)驅(qū)動(dòng)力。

1.1模擬工況設(shè)置

隧道熱壓通風(fēng)一般發(fā)生在交通阻滯工況，隧道內(nèi)的空氣溫度既受氣車(chē)尾氣的影響又受隧道壁面溫度的影響，而隧道壁面溫度與隧道所處土壤有關(guān)，本文研究武漢地區(qū)環(huán)境溫度30℃時(shí)，交通阻滯工況多開(kāi)口隧道熱壓作用自然通風(fēng)規(guī)律。

1.2模型驗(yàn)證

1.2.1幾何模型

由于在隧道內(nèi)建立所有汽車(chē)三維模型工作量大且網(wǎng)格質(zhì)量差，因此為驗(yàn)證空氣與汽車(chē)尾氣混合溫度近似代替汽車(chē)排氣管的作用的可行性，本文建立隧道二維模型進(jìn)行研究，如圖1所示為汽車(chē)尾氣模型a，按交通阻滯工況，建立隧道內(nèi)所有汽車(chē)模型，模擬實(shí)際隧道熱壓通風(fēng)過(guò)程，圖2為混合氣體溫度模型b，按能量守恒計(jì)算的混合氣體溫度，模擬簡(jiǎn)化的隧道熱壓通風(fēng)過(guò)程。模型隧道長(zhǎng)464m，高3.2m，埋深9.7m，頂部開(kāi)口距離地面0.5m，隧道出入口坡度7.3%，圖中x軸坐標(biāo)范圍-132m～332m，為隧道入口到隧道出口的坐標(biāo)范圍，y軸坐標(biāo)范圍-9.7m～0.5m，為隧道底面到頂部開(kāi)口的坐標(biāo)范圍。

圖1 汽車(chē)尾氣模型a

圖2 混合氣體溫度模型b

1.2.2邊界條件

研究表明，對(duì)狹長(zhǎng)的豎方形空腔中的自然對(duì)流問(wèn)題RNG k-ε湍流模型計(jì)算結(jié)果優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型[6]，因此在模型選擇方面選用RNG k-ε湍流模型，采用標(biāo)準(zhǔn)的壁面函數(shù)，考慮溫差引起的浮升力的作用，采用boussinesq假設(shè)。

模擬環(huán)境溫度30℃工況，怠速工況汽車(chē)排氣溫度400℃，排氣量0.017m3/s，對(duì)于模型a排氣管設(shè)為質(zhì)量入口，模型b則按式（1），假設(shè)1min內(nèi)汽車(chē)尾氣能與周?chē)諝饣旌暇鶆蛴?jì)算，尾氣混合溫度為35℃，將隧道地面設(shè)為定壁溫邊界條件。隧道壁面溫度受隧道所處土壤溫度影響，將武漢地區(qū)夏季土壤溫度作為隧道定壁溫邊界條件，并且考慮土壤導(dǎo)熱設(shè)置10m的虛擬厚度。因自然通風(fēng)的方向不確定，隧道開(kāi)口設(shè)為壓力入口。用非穩(wěn)態(tài)方法計(jì)算，設(shè)置SIMPLE算法，壓力差值選擇體積力加權(quán)格式（Body Force Weighted），動(dòng)量、能量等項(xiàng)采用兩階迎風(fēng)離散格式計(jì)算。

1.2.3模型驗(yàn)證結(jié)果分析

由圖3、4可以看出汽車(chē)尾氣模型a、混合氣體溫度模型b在隧道2m高度上的溫度、風(fēng)速分布趨勢(shì)相似。從溫度分布圖3可以看出隧道頂部開(kāi)口段溫度最低，越靠近兩邊出入口溫度越高，在隧道出口段兩模型溫度值差別不大，在隧道入口段兩模型溫差很大，溫差最大有1.28℃，相對(duì)誤差4%。圖4風(fēng)速分布圖顯示在隧道頂部開(kāi)口段兩模型風(fēng)速分布相同，其他段模型a風(fēng)速值均大于模型b，且隧道入口段差值更大一些，最大差值0.08m/s，相對(duì)誤差為16%。

圖3 隧道2m高溫度分布

圖4 隧道2m高風(fēng)速分布

從隧道通風(fēng)量圖5可以看出模型a各開(kāi)口通風(fēng)量均大于模型b，最大通風(fēng)量相對(duì)誤差13%，但兩模型各開(kāi)口通風(fēng)量分布相同。

圖5 隧道開(kāi)口通風(fēng)量

由以上結(jié)果可以得到混合氣體模型和汽車(chē)尾氣模型隧道內(nèi)溫度、風(fēng)速及風(fēng)量分布趨勢(shì)相同，兩模型溫度、風(fēng)速、風(fēng)量最大相對(duì)誤差分別為4%、16%、13%。本文就采用尾氣混合溫度模型研究頂部多開(kāi)口隧道熱壓通風(fēng)規(guī)律。

2 頂部多開(kāi)口隧道熱壓通風(fēng)數(shù)值模擬

2.1幾何模型

如圖6所示為本文的隧道模型，該模型尺寸與圖1、2相同，進(jìn)出口的坡度為7.3%，隧道長(zhǎng)464m，寬11.2m，高3.2m，埋深9.7m，隧道頂部開(kāi)口高于地面0.5m，x軸坐標(biāo)范圍-132m～332m，為隧道入口到隧道出口的坐標(biāo)范圍，y軸坐標(biāo)范圍0m～11.2m，為隧道寬度范圍，z軸坐標(biāo)范圍-9.7m～0.5m，為隧道底面到頂部開(kāi)口的坐標(biāo)范圍。隧道頂部開(kāi)口面積69m2，開(kāi)口寬度2m，本文通過(guò)改變隧道頂部開(kāi)口的數(shù)量（開(kāi)口長(zhǎng)度）來(lái)研究阻滯工況多開(kāi)口隧道熱壓通風(fēng)效果。

圖6 隧道模型

2.2模擬結(jié)果分析

2.2.1一個(gè)頂部開(kāi)口分析

圖7為隧道1.6m高度上不同寬度處的溫度分布圖。圖7溫度分布圖表明隧道頂部開(kāi)口段溫度最低，越靠近隧道出入口，空氣溫度越高；隧道軸線（Y= 5.6m）上空氣溫度在頂部開(kāi)口處最低，在其他段上溫度略高；隧道內(nèi)溫度分布在頂部開(kāi)口處左右對(duì)稱，在隧道寬度上沿軸線也對(duì)稱。

圖7隧道1.6m高溫度分布

圖8 為隧道5.6m寬不同高度上的溫度分布，圖8表明同一寬度不同高度上隧道溫度分布相同。

圖8 隧道5.6m寬溫度分布

2.2.2兩個(gè)對(duì)稱頂部開(kāi)口分析

圖9為設(shè)有兩個(gè)對(duì)稱頂部開(kāi)口的隧道5.6m寬溫度分布圖，圖中溫度最低且較平的兩段為頂部開(kāi)口，從圖中看出頂部開(kāi)口處空氣溫度明顯低于隧道出入口處空氣溫度，因此隧道頂部開(kāi)口段和隧道出入口段空氣存在密度差，隧道內(nèi)氣流由頂部開(kāi)口流入，分別從隧道出入口流出。而在兩頂部開(kāi)口之間的隧道，由于兩頂部開(kāi)口溫度分布相同，由兩頂部開(kāi)口和隧道中間段形成的“U形管”兩側(cè)沒(méi)有密度差，因此就沒(méi)有熱壓通風(fēng)作用，該部分空氣溫度比較高。

圖9 兩個(gè)對(duì)稱開(kāi)口隧道5.6m寬溫度分布圖

2.2.3多個(gè)對(duì)稱頂部開(kāi)口分析

圖10所示為開(kāi)口數(shù)量增加時(shí)隧道5.6m寬2m高溫度分布圖，圖中溫度最低且較平的小段為頂部開(kāi)口，小平段的個(gè)數(shù)代表頂部開(kāi)口個(gè)數(shù)。頂部設(shè)有2個(gè)、4個(gè)開(kāi)口時(shí)，在隧道中間段溫度高于其他段。因此對(duì)于開(kāi)口面積一定，頂部開(kāi)口數(shù)量變化的隧道，交通阻滯工況利用熱壓自然通風(fēng)時(shí)，偶數(shù)對(duì)稱開(kāi)口隧道，在隧道中間段會(huì)出現(xiàn)局部高溫段；奇數(shù)對(duì)稱開(kāi)口隧道有利于消除隧道中間局部高溫段，因此，頂部開(kāi)口位于隧道中間有利于隧道熱壓通風(fēng)。

圖10不同開(kāi)口數(shù)量隧道5.6m寬2m高溫度分布圖

圖11 ～15所示為開(kāi)口面積一定，開(kāi)口數(shù)量不同時(shí)隧道各個(gè)開(kāi)口通風(fēng)量，正值為空氣流入隧道，負(fù)值為空氣排出隧道。圖中所示開(kāi)口數(shù)量的變化影響隧道各個(gè)開(kāi)口通風(fēng)量的大小，但不影響各個(gè)開(kāi)口的通風(fēng)狀態(tài)，即頂部開(kāi)口為隧道進(jìn)風(fēng)狀態(tài)，隧道出入口為排風(fēng)狀態(tài)。隨著開(kāi)口數(shù)量增加，隧道各個(gè)頂部開(kāi)口通風(fēng)量逐漸減少，且隧道各個(gè)開(kāi)口通風(fēng)量呈“中間小，兩邊大”的分布。圖10所示對(duì)于某個(gè)開(kāi)口隧道頂部開(kāi)口段和隧道出入口段溫差不變，因此兩段空氣密度差不變，則隧道提供的熱壓差g(ρa(bǔ)-ρ)(H2-H1)即流動(dòng)的動(dòng)力基本不變化，則流動(dòng)阻力大的支路，其流動(dòng)動(dòng)能小，其通風(fēng)量小，而處于隧道中間段的頂部開(kāi)口距離隧道兩側(cè)出入口最遠(yuǎn)，其阻力最大，因此開(kāi)口數(shù)量超過(guò)3個(gè)時(shí)，隧道各開(kāi)口的通風(fēng)量呈“中間小，兩邊大”的分布。

圖11 一個(gè)頂部開(kāi)口通風(fēng)量

圖12 兩個(gè)頂部開(kāi)口通風(fēng)量

圖13 三個(gè)頂部開(kāi)口通風(fēng)量

圖14 四個(gè)頂部開(kāi)口通風(fēng)量

圖15 五個(gè)頂部開(kāi)口通風(fēng)量

3 結(jié)論

本文采用數(shù)值模擬的方法研究頂部多開(kāi)口隧道阻滯工況熱壓通風(fēng)規(guī)律，研究結(jié)果表明：

1）混合氣體溫度模型和汽車(chē)尾氣模型隧道內(nèi)溫度風(fēng)速及風(fēng)量分布趨勢(shì)相同，可以用簡(jiǎn)化的混合氣體溫度模型研究隧道熱壓通風(fēng)。

2）偶數(shù)對(duì)稱頂部開(kāi)口隧道，頂部開(kāi)口中間段溫度較高，而奇數(shù)對(duì)稱頂部開(kāi)口有利于隧道熱壓通風(fēng)。

3）對(duì)稱分布的頂部開(kāi)口數(shù)量超過(guò)3個(gè)時(shí)，隧道頂部開(kāi)口通風(fēng)量呈“中間小，兩邊大”的分布。

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Sim ula tion of Buoya nc y-drive n Na tura l Ve ntila tion in Tunne l w ith Multiple Top Ope nings

SHAN Mei-qun,ZHANG Xu,YE Wei
School of Mechanical Engineering,Tongji University

Top openings in tunnel can be used to promote natural ventilation and to avoid exhausting only at the exit of the tunnels.However,the outcome of adding top openings to the tunnel could be unpredictable in practices.This paper applied the numerical method to simulate the effect of natural ventilation in tunnel with top openings under traffic block conditions by adopting a symmetrical tunnel model.The results shown that:1)the simplified exhaust gas mixing temperature model can be used to study on the buoyancy-driven natural ventilation in tunnel;2)tunnel with odd uniform top openings is advantageous to the natural ventilation;3)when tunnel has more than three uniform top openings,the ventilation rate increases from middle opening to the sides openings.

traffic block,multiple top openings,buoyancy-driven natural ventilation,numerical simulation

1003-0344（2014）06-051-5

2013-10-18

張旭（1955～），男，博士，教授；上海市同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院（201804）；E-mail:xuzhang@#edu.cn