行車(chē)速度對(duì)半敞開(kāi)式公路隧道自然通風(fēng)的影響

巢萬(wàn)里，李冬霞

(1.湖南省交通科學(xué)研究院，湖南 長(zhǎng)沙 410015；2.山西省交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030031)

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行車(chē)速度對(duì)半敞開(kāi)式公路隧道自然通風(fēng)的影響

巢萬(wàn)里1，李冬霞2

(1.湖南省交通科學(xué)研究院，湖南 長(zhǎng)沙 410015；2.山西省交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030031)

摘要:采用ANSYS中的FLUENT版塊，綜合考慮隧道長(zhǎng)度和通風(fēng)口面積等影響因素，在通風(fēng)段布置方式相同的情況下，通過(guò)改變行車(chē)速度的快慢，進(jìn)行多次對(duì)比計(jì)算，研究分析隧道靜壓、動(dòng)壓及風(fēng)速的變化情況。研究結(jié)果表明：隨著行車(chē)速度的增加，隧道內(nèi)流場(chǎng)靜壓動(dòng)壓和風(fēng)速等極值增大，且波動(dòng)幅度增大；隨著行車(chē)速度的增加，行駛車(chē)輛的影響范圍逐漸增大。尤其當(dāng)車(chē)輛行駛在通風(fēng)段中時(shí)，通風(fēng)口之間的對(duì)流作用隨著車(chē)輛行駛速度的增加逐漸加大，對(duì)流場(chǎng)的影響范圍也顯著增加；在通風(fēng)段布置相同時(shí)，隨著行車(chē)速度的增加，自然通風(fēng)效果變好。當(dāng)車(chē)速大于30 km/h時(shí)，隧道內(nèi)的靜壓、動(dòng)壓和風(fēng)速均出現(xiàn)大幅度的變化，滿足自然通風(fēng)的要求；當(dāng)行車(chē)速度小于30 km/h時(shí)候，需要進(jìn)行局部機(jī)械通風(fēng)。

關(guān)鍵詞：自然通風(fēng)；半敞開(kāi)式城市隧道；行車(chē)速度；靜壓；動(dòng)壓

行駛在隧道內(nèi)的車(chē)輛具有一定的速度和斷面積，會(huì)造成隧道內(nèi)尤其是車(chē)體周?chē)諝獾牧鲃?dòng)，這種由車(chē)輛運(yùn)動(dòng)所引起的隧道氣流運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的交通通風(fēng)力為“活塞風(fēng)”。當(dāng)沿隧道前進(jìn)方向的上方(或側(cè)壁)間斷設(shè)有通風(fēng)孔與外界大氣連通時(shí),隧道內(nèi)部的氣流運(yùn)動(dòng)必將在通風(fēng)孔產(chǎn)生相應(yīng)的壓力,使得通風(fēng)孔產(chǎn)生排出或吸入氣流[1-2]。對(duì)于車(chē)流量較大、車(chē)速較高的單向隧道，由車(chē)流運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的交通風(fēng)壓是自然通風(fēng)的主要?jiǎng)恿3-4]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對(duì)自然通風(fēng)隧道開(kāi)展了相關(guān)研究。童艷等[5]利用理論分析和實(shí)驗(yàn)研究的方法，建立了全長(zhǎng)隧道污染物分布模型，在此基礎(chǔ)上得到了不同豎井間距、豎井截面、車(chē)速和主體長(zhǎng)度下，隧道內(nèi)污染物濃度的分布情況，指出提高車(chē)速和降低主體長(zhǎng)度能有效改善污染物的分布情況。鐘星燦等[6]將公路隧道內(nèi)隨機(jī)運(yùn)動(dòng)的車(chē)流假定為恒定持續(xù)的車(chē)流,根據(jù)動(dòng)量、能量和質(zhì)量守恒的基本定律,建立相關(guān)的關(guān)系式,探索分析這種隧道自然通風(fēng)的氣流運(yùn)動(dòng)規(guī)律，得出了在有條件設(shè)置通風(fēng)孔的前提下,單向公路交通隧道采用這種自然通風(fēng)方式是一種有效的通風(fēng)方案。任韌[7]采用CFD軟件對(duì)隧道內(nèi)的交通活塞風(fēng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，討論了活塞風(fēng)對(duì)隧道內(nèi)空氣速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)分布的影響，以及2輛汽車(chē)錯(cuò)車(chē)前后隧道內(nèi)的流場(chǎng)分布。但是鮮有將隧道長(zhǎng)度、通風(fēng)口面積等因素綜合考慮來(lái)分析不同行車(chē)速度對(duì)隧道自然通風(fēng)的影響的研究。在此，本文通過(guò)ANSYS中的FLUENT版塊進(jìn)行二維模擬計(jì)算分析，綜合考慮隧道長(zhǎng)度、通風(fēng)口面積等影響因素下，研究行車(chē)道速度對(duì)半敞開(kāi)式隧道自然通風(fēng)的影響規(guī)律。

1城市隧道自然通風(fēng)理論

城市自然通風(fēng)隧道，車(chē)輛行駛引起的氣流運(yùn)動(dòng)以及外界大氣是影響隧道內(nèi)氣體流動(dòng)的主要因素，作用在隧道內(nèi)氣流上的作用包括：交通通風(fēng)力、交通阻抗力(包括局部阻力、沿程阻力)[8-10]。

1.1交通通風(fēng)力

單向交通的交通通風(fēng)力可按下式計(jì)算：

(1)

汽車(chē)等效阻抗面積可按下式計(jì)算：

(2)

式中：Acs為小型車(chē)正面投影面積，m2；ξcs為小型車(chē)空氣阻力系數(shù)；Acl為大型車(chē)正面投影面積，m2；ξcl為大型車(chē)空氣阻力系數(shù)；rl為大型車(chē)比例。

2.2交通阻抗力

交通阻抗力主要包括局部阻力和沿程摩擦阻力。局部阻力和沿程摩擦阻力分別是由隧道進(jìn)出口、通風(fēng)孔及隧道壁面摩擦所產(chǎn)生的阻力。

(3)

(4)

根據(jù)《隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTJ/TD70/2—02—2014)第7.1.4條, 本文的風(fēng)與隧道隧道沿程阻力系數(shù)λ取0.02，隧道局部阻力系數(shù)ξ取1.0。

2隧道模型的建立

本文模型的建立是依據(jù)湖南省擬建京港澳國(guó)家高速公路長(zhǎng)沙連接線中的矩形雙向城市隧道馬欄山隧道進(jìn)行的模擬計(jì)算。該隧道U型槽段長(zhǎng)619m，地下封閉段長(zhǎng)約1 050m，通風(fēng)口的高度為2.8m，隧道縱斷面高度為5.2m。

依托該隧道進(jìn)行模擬計(jì)算，并將模擬隧道的范圍擴(kuò)展到2 500m，模擬隧道長(zhǎng)度分別為1 000，1 500，2 000和2 500m。

自然風(fēng)速：2.67m/s；速度入口處湍流強(qiáng)度：0.05；湍流黏性比：0.1；網(wǎng)格尺寸：0.25m。

車(chē)輛進(jìn)入隧道后勻速前進(jìn)，在隧道內(nèi)行進(jìn)過(guò)程中不考慮車(chē)輛加減速或停車(chē)等情況。車(chē)輛的尾部為質(zhì)量入口，通風(fēng)口頂部和隧道出口為出流。本文中只考慮CO的排放，其他氣體不做研究。本文的計(jì)算模型主要考慮交通風(fēng)壓對(duì)隧道通風(fēng)的影響，熱壓對(duì)隧道通風(fēng)影響的有限，因此在本次模型計(jì)算中暫不考慮[11-16]。

2.1幾何建模

本文采用二維建模，隧道內(nèi)通風(fēng)口組即通風(fēng)口均勻布置，共設(shè)置4個(gè)通風(fēng)口組，因此將隧道全長(zhǎng)進(jìn)行分段，如圖1所示，可見(jiàn)隧道共分為9段，若隧道全長(zhǎng)為L(zhǎng)，則：L=2L1+4L2+3L3，其中L1為緩沖段即隧道進(jìn)口或者出口至最近通風(fēng)口邊緣的距離。L2為通風(fēng)段即隧道縱向一個(gè)通風(fēng)口組的長(zhǎng)度，L3為相鄰2個(gè)通風(fēng)段之間的間隔。經(jīng)試算，L1長(zhǎng)度取為0.1L時(shí)，隧道通風(fēng)效果較好，因此取L1=0.1L。

圖1　隧道長(zhǎng)度示意圖Fig.1 Sketch map of the length of tunnel

一個(gè)通風(fēng)段L2的布置見(jiàn)圖2。本文模型中單個(gè)通風(fēng)口的長(zhǎng)度m=8。h為通風(fēng)口的高度，m為單個(gè)通風(fēng)口在隧道縱斷面的長(zhǎng)度，s為一個(gè)通風(fēng)口組內(nèi)相鄰兩個(gè)通風(fēng)口之間凈距，n為單個(gè)通風(fēng)口的數(shù)量，L2=n×m+(n-1) ×s。經(jīng)試算，在隧道長(zhǎng)度為1 000m時(shí)，S取為16m時(shí)隧道通風(fēng)效果最好，對(duì)于其余長(zhǎng)度的隧道，S的距離為16×nm并取整，n為隧道長(zhǎng)度的比值。最終試驗(yàn)?zāi)Ｐ透鞫伍L(zhǎng)度見(jiàn)表1。

圖2　通風(fēng)段L2的布置示意圖Fig.2 Sketch map of the arrangement of ventilation section L2

通過(guò)試算可以發(fā)現(xiàn)：行駛車(chē)輛駛出通風(fēng)段進(jìn)入間隔段并行駛一定距離之后對(duì)緩沖段和通風(fēng)段的流場(chǎng)不產(chǎn)生任何影響，且對(duì)間隔段的影響也僅僅集中在車(chē)輛周邊很小的區(qū)域內(nèi)，因此在間隔段中截取L2′長(zhǎng)度參與計(jì)算，并由試算得出一般情況下L2′長(zhǎng)度與緩沖段L1長(zhǎng)度相同即可。

表1　試驗(yàn)?zāi)Ｐ透鞫伍L(zhǎng)度Table 1 Length of each part of the final experimental model　m

單位：m圖3　計(jì)算段模型Fig.3 Model of calculation section

2.2對(duì)比試驗(yàn)

車(chē)輛勻速在隧道內(nèi)行進(jìn)中，行駛速度不同隧道內(nèi)通風(fēng)效果也不同。為了準(zhǔn)確分析行車(chē)速度對(duì)通風(fēng)效果的影響，選取同一組別、同一長(zhǎng)度代號(hào)和不同計(jì)算編號(hào)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。若G3-5 內(nèi)的G3-5-1，G3-5-2，G3-5-3和G3-5-4之間對(duì)比為1次分析，則共有12次對(duì)比分析,見(jiàn)表2。表中組別G1，G2，G3和G4分別代表隧道長(zhǎng)度為1 000，1 500，2 000和2 500m。長(zhǎng)度代號(hào)G1-n中的n代表通風(fēng)口的個(gè)數(shù)。如G1-4-2表示在本次試驗(yàn)中隧道長(zhǎng)度為1 000m，隧道1個(gè)通風(fēng)口組有4個(gè)通風(fēng)口，行車(chē)速度為30km/h。

1次對(duì)比分析中的4個(gè)計(jì)算模型僅有車(chē)輛行駛速度不同，其余完全相同：1)隧道長(zhǎng)度相同；2)隧道內(nèi)通風(fēng)口布置方式相同：緩沖段、通風(fēng)段和間隔段完全相同；3)計(jì)算長(zhǎng)度相同：建模長(zhǎng)度完全相同。由于數(shù)據(jù)量較大，本文僅選擇G1-3組進(jìn)行詳細(xì)的分析說(shuō)明。

2.3測(cè)點(diǎn)布置

為了方便比較，形象直觀地顯示計(jì)算所得，設(shè)置了多個(gè)典型測(cè)點(diǎn)，X即為隧道縱向(走向)，Y即為隧道高度方向。如圖4所示。

表2對(duì)比試驗(yàn)

Table2Contrasttest

單位：m圖4　測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.4 Observation points arrangement

由于車(chē)輛的在隧道內(nèi)行駛的時(shí)刻不同在隧道內(nèi)的位置不同，因此選擇幾個(gè)典型的時(shí)刻進(jìn)行分析，各個(gè)時(shí)刻車(chē)輛的位置說(shuō)明如表3所示。

表3　各個(gè)時(shí)刻車(chē)輛位置的說(shuō)明

3計(jì)算結(jié)果及分析

3.1計(jì)算結(jié)果

由于計(jì)算數(shù)據(jù)較多，在此，僅列出測(cè)點(diǎn)1～測(cè)點(diǎn)3的計(jì)算結(jié)果。見(jiàn)圖5～13所示。

3.2計(jì)算結(jié)果分析

靜壓計(jì)算結(jié)果分析:

1)G1-3-1即阻滯速度下，各個(gè)測(cè)點(diǎn)在各個(gè)時(shí)刻的靜壓變化較小，均在0值左右波動(dòng)，即和大氣壓強(qiáng)值左右有微小的變動(dòng)；

2)各個(gè)測(cè)點(diǎn)隨著車(chē)輛行駛速度的增加，靜壓數(shù)據(jù)的波動(dòng)范圍逐漸增大，G1-3-4數(shù)據(jù)形成的折線圖將其他折線圖“包絡(luò)”起來(lái)；

3)當(dāng)行車(chē)速度大于30km/h時(shí)，靜壓出現(xiàn)明顯變化，波動(dòng)幅度較大。

動(dòng)壓計(jì)算結(jié)果分析:

1)同靜壓變化一致，G1-3-1各個(gè)測(cè)點(diǎn)在各個(gè)時(shí)刻的動(dòng)壓變化較小，均在0值左右波動(dòng)，即G1-3-1中車(chē)輛產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)壓強(qiáng)較?。?/p>

圖5　測(cè)點(diǎn)1的靜壓Fig.5 Static pressure of observation point 1

圖6　測(cè)點(diǎn)2的靜壓Fig.6 Static pressure of observation point 2

圖7　測(cè)點(diǎn)3的靜壓Fig.7 Static pressure of observation point 3

圖8　測(cè)點(diǎn)1的動(dòng)壓Fig.8 Dynamic pressure of observation point 1

圖9　測(cè)點(diǎn)2的動(dòng)壓Fig.9 Dynamic pressure of observation point 2

圖10　測(cè)點(diǎn)3的動(dòng)壓Fig.10 Dynamic pressure of observation point 3

2)從測(cè)點(diǎn)1-～測(cè)點(diǎn)9的動(dòng)壓變化圖可以看出各個(gè)速度下，測(cè)點(diǎn)1在時(shí)刻1，測(cè)點(diǎn)2在時(shí)刻2，測(cè)點(diǎn)3在時(shí)刻3，測(cè)點(diǎn)4在時(shí)刻4，測(cè)點(diǎn)5在時(shí)刻5，測(cè)點(diǎn)6在時(shí)刻6，測(cè)點(diǎn)7在時(shí)刻7，測(cè)點(diǎn)8在時(shí)刻8，測(cè)點(diǎn)9在時(shí)刻9時(shí)的動(dòng)壓數(shù)據(jù)為極值；

圖11　測(cè)點(diǎn)1的風(fēng)速Fig.11 Wind velocity of observation point 1

圖12　測(cè)點(diǎn)2的風(fēng)速Fig.12 Wind velocity of observation point 2

圖13　測(cè)點(diǎn)3的風(fēng)速Fig.13 Wind velocity of observation point 3

3)測(cè)點(diǎn)1～測(cè)點(diǎn)18，隨著車(chē)輛行駛速度的增加，動(dòng)壓數(shù)據(jù)的波動(dòng)范圍逐漸增大，G1-3-4數(shù)據(jù)形成的折線圖將其他折線圖“包絡(luò)”起來(lái)；

4)測(cè)點(diǎn)19～測(cè)點(diǎn)21，G1-3-1，G1-3-2，G1-3-4的動(dòng)壓波動(dòng)范圍較小，動(dòng)壓數(shù)值幾乎重合，而G1-3-3動(dòng)壓波動(dòng)范圍最大，形成包絡(luò)趨勢(shì)；

5)當(dāng)行車(chē)速度大于30km/h時(shí)，動(dòng)壓出現(xiàn)明顯變化，波動(dòng)幅度較大。

風(fēng)速計(jì)算結(jié)果分析：

1)同動(dòng)壓變化一致，G1-3-1各個(gè)測(cè)點(diǎn)在各個(gè)時(shí)刻的風(fēng)速變化較?。?/p>

2)從測(cè)點(diǎn)1-～測(cè)點(diǎn)9的風(fēng)速變化圖可以看出：各個(gè)行駛速度下，測(cè)點(diǎn)1在時(shí)刻1，測(cè)點(diǎn)2在時(shí)刻2，測(cè)點(diǎn)3在時(shí)刻3，測(cè)點(diǎn)4在時(shí)刻4，測(cè)點(diǎn)5在時(shí)刻5，測(cè)點(diǎn)6在時(shí)刻6，測(cè)點(diǎn)7在時(shí)刻7，測(cè)點(diǎn)8在時(shí)刻8，測(cè)點(diǎn)9在時(shí)刻9時(shí)的風(fēng)速數(shù)均為極值；

3)隨著車(chē)輛行駛速度的增加，風(fēng)速數(shù)據(jù)的波動(dòng)范圍逐漸增大，G1-3-4數(shù)據(jù)形成的折線圖將其他折線圖“包絡(luò)” 起來(lái)。僅有測(cè)點(diǎn)13和測(cè)點(diǎn)15分別由G1-3-2和G1-3-3形成的折線圖包絡(luò)；

4)當(dāng)行車(chē)速度大于30km/h時(shí)，風(fēng)速出現(xiàn)明顯變化，波動(dòng)幅度較大。

同理按照G1對(duì)比分析中的分析方法，完成了G2～G4各組的分析，與上述結(jié)果基本相似。

4結(jié)論

1)隨著行車(chē)速度的增加，隧道內(nèi)流場(chǎng)靜壓動(dòng)壓和風(fēng)速等極值增大，且波動(dòng)幅度增大；

2)隨著行車(chē)速度的增加，行駛車(chē)輛的影響范圍逐漸增大。尤其當(dāng)車(chē)輛行駛在通風(fēng)段中時(shí)，通風(fēng)口之間的對(duì)流作用隨著車(chē)輛行駛速度的增加逐漸加大，對(duì)流場(chǎng)的影響范圍也顯著增加；

3)在通風(fēng)段布置相同時(shí)，隨著行車(chē)速度的增加，自然通風(fēng)效果越好。當(dāng)車(chē)速大于30km/h時(shí)，隧道內(nèi)的靜壓、動(dòng)壓、風(fēng)速均出現(xiàn)大幅度的變化，滿足自然通風(fēng)的要求；當(dāng)行車(chē)速度小于30km/h時(shí)候，需要進(jìn)行局部機(jī)械通風(fēng)。

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* 收稿日期：2015-09-23

基金項(xiàng)目：湖南省交通科技項(xiàng)目(201023)

通訊作者：巢萬(wàn)里(1978-)，男，湖南汨羅人，高級(jí)工程師，從事巖土與地下工程設(shè)計(jì)與科研工作；E-mail:379034986@qq.com

中圖分類(lèi)號(hào)：U453.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-7029(2016)06-1222-07

Influence of driving speed of semi-open city tunnel on natural ventilation

CHAO Wanli1，LI Dongxia2

(1.HunanCommunicationsResearchInstitute，Changsha410015，China；2.ShanxiTrafficVocationalandTechnicalCollege,Taiyuan030031,China)

Abstract：Considering influence factors such as length of tunnel and the area of vents, a two-dimensional numerical simulation is presented in this paper by using FLUENT section of ANSYS. In the case of the same ventilation section arrangement and the change of driving speed, multiple contrast calculations were performed to analyze the changes of static pressure, dynamic pressure and wind velocity. The calculated example showed: With the increase of driving speed，the maximum of dynamic pressure and wind velocity will increase，and So as the volatility. With the increase of driving speed，influence scope of driving vehicle increase at the sare tine. When vehicle located at ventilation section, convection which between vents increases with the increase of driving speed，as well as the influence scope of the flow distribution. In the case of the same ventilation section arrangement, natural ventilation is better with the increase of driving speed. When driving speed is greater than 30 km/h, static pressure, dynamic pressure and wind velocity change greatly so that the request of natural ventilation can be satisfied; When driving speed is less than 30 km/h, sectional mechanical ventilation is needed.

Key words：natural ventilation; semi-open city tunnel;driving speed; static pressure; dynamic pressure