整條公路隧道通風(fēng)與凈化的三維數(shù)值模擬

林炎頃， 南 碩， 常 軍， 劉曉陽， 李先庭，*

(1. 清華大學(xué)建筑技術(shù)科學(xué)系室內(nèi)空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)與控制實(shí)驗(yàn)室， 北京 100084； 2. 北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司， 北京 100082)

0 引言

我國(guó)是世界上隧道數(shù)量最多、增長(zhǎng)速度最快的國(guó)家[1]。伴隨著隧道建設(shè)持續(xù)高速發(fā)展，也出現(xiàn)了許多問題，尤其是在城市居民密集區(qū)，人民群眾對(duì)與自身健康密切相關(guān)的隧道污染物排放問題非常關(guān)注。為保障隧道內(nèi)的空氣質(zhì)量并減少隧道出入口對(duì)周邊居民環(huán)境的影響，國(guó)內(nèi)一些重點(diǎn)工程開始嘗試采用隧道通風(fēng)與過濾凈化相結(jié)合的策略。針對(duì)隧道污染物的過濾和凈化，國(guó)際上目前采用最多的是靜電除塵和活性炭吸附技術(shù)。過濾凈化設(shè)備的布置主要分為旁通式、吊頂式以及洞口通風(fēng)塔3種形式[2]。

關(guān)于公路隧道污染物過濾和凈化方面的研究，國(guó)內(nèi)外關(guān)注的主要是過濾凈化技術(shù)本身，即設(shè)備的阻力特性和過濾凈化效率等。隧道污染的控制效果不僅與過濾凈化技術(shù)本身有關(guān)，還和隧道通風(fēng)以及污染物產(chǎn)生情況密切相關(guān)，需要合理地預(yù)測(cè)模型分析通風(fēng)和凈化對(duì)隧道內(nèi)污染物的影響。在隧道通風(fēng)以及污染物分布預(yù)測(cè)方面，文獻(xiàn)[3-5]提出了集總方法，該方法與我國(guó)《公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則》[6]中的方法相一致，認(rèn)為驅(qū)動(dòng)隧道空氣流動(dòng)的總壓差包括局部壓力損失、沿程摩擦阻力損失、車輛活塞作用壓差及射流風(fēng)機(jī)升壓作用，本質(zhì)和風(fēng)管水力計(jì)算方法相同。該方法主要用來計(jì)算隧道風(fēng)速及設(shè)計(jì)隧道通風(fēng)系統(tǒng)，但其自身不能計(jì)算隧道污染物分布。文獻(xiàn)[7-8]提出了隧道污染物分布的一維模型，能夠較好地模擬計(jì)算通風(fēng)稀釋作用下污染物的縱向分布情況，但此類模型的應(yīng)用對(duì)象是一般的隧道，不能直接用來預(yù)測(cè)分析帶凈化站隧道的污染物控制效果；凈化站處空氣流動(dòng)非常復(fù)雜，可能出現(xiàn)主隧道空氣回流現(xiàn)象，這時(shí)空氣流動(dòng)方向能否作一維簡(jiǎn)化處理值得商榷；由于射流風(fēng)機(jī)與車輛分別處于隧道的上層與下層，且兩者均沿隧道方向分布，故隧道內(nèi)的空氣流動(dòng)及壓力分布存在橫向、縱向的不均勻，這些錯(cuò)綜復(fù)雜的實(shí)際因素也將影響凈化站運(yùn)行環(huán)境和污染物處理效果。

綜上所述，隧道的幾何形狀、機(jī)械通風(fēng)情況、凈化站阻力以及凈化效率、車輛的運(yùn)動(dòng)都是影響隧道凈化控制效果的重要因素。為了能夠獨(dú)立地考慮上述各種因素對(duì)帶凈化站的全長(zhǎng)公路隧道通風(fēng)與凈化的影響，并且更加準(zhǔn)確地模擬分析隧道的污染物處理效果，本文建立包含射流通風(fēng)系統(tǒng)、凈化站以及交通車輛的全長(zhǎng)隧道三維數(shù)值模型，分析帶凈化站的公路隧道在不同交通、不同通風(fēng)凈化策略下隧道氣流組織以及污染物排放控制效果。

1 模型和方法

1.1 數(shù)學(xué)模型

隧道內(nèi)的空氣流動(dòng)通常為湍流，根據(jù)經(jīng)典力學(xué)，流體運(yùn)動(dòng)可以由一組控制方程描述，包括連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程、組分?jǐn)U散方程以及湍流模型?；谒淼纼?nèi)空氣流動(dòng)的特征，可對(duì)控制方程進(jìn)行簡(jiǎn)化： 1)隧道內(nèi)空氣流速一般低于50 m/s，可認(rèn)為空氣不可壓縮； 2)不涉及火災(zāi)問題，可忽略溫度影響，即不求解能量方程； 3)當(dāng)交通場(chǎng)景一定時(shí)，隧道空氣流動(dòng)可視為定常流動(dòng)，即忽略控制方程的瞬態(tài)項(xiàng)。隧道空氣流動(dòng)以及污染物分布的控制方程如下。

連續(xù)性方程：

(1)

動(dòng)量方程：

Sm,i。

(2)

湍流RNGk-ε方程：

ρε+Sk。

(3)

(4)

污染物質(zhì)量濃度控制方程：

(5)

上述控制方程給出了隧道空氣流動(dòng)以及污染物分布的一般描述，但帶凈化功能的整條公路隧道的運(yùn)營(yíng)情況更加復(fù)雜。從交通量來看，隧道的交通量會(huì)隨時(shí)間變化，高峰時(shí)較大的車流量產(chǎn)生的活塞作用更為明顯，污染物發(fā)散強(qiáng)度也將更大；從行車速度來看，存在正常行駛以及發(fā)生交通阻塞等多種不同情況，尤其是城市公路隧道；從通風(fēng)凈化系統(tǒng)來看，凈化站效果不僅和本身效率有關(guān)，還和隧道通風(fēng)情況有關(guān)。為能夠模擬不同交通場(chǎng)景、不同通風(fēng)凈化運(yùn)營(yíng)條件下的隧道主要物理參數(shù)三維分布情況，需要考慮與之有關(guān)的各種影響因素，具體如下： 1)隧道的形狀、凈化站位置與結(jié)構(gòu)以及射流風(fēng)機(jī)布置等幾何因素； 2)隧道空氣凈化站相關(guān)性能及細(xì)節(jié)，包括阻力設(shè)備、軸流風(fēng)機(jī)及凈化裝置等； 3)車輛運(yùn)動(dòng)引起的活塞效應(yīng)以及車輛污染物散發(fā)。下文分別介紹與之對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)描述。

1.2 隧道幾何因素

隧道的彎道、水力直徑變化及凈化站結(jié)構(gòu)等幾何特點(diǎn)都對(duì)隧道通風(fēng)阻力有顯著的影響。若隧道通風(fēng)方式為縱向射流通風(fēng)，則需要考慮射流風(fēng)機(jī)的相對(duì)位置關(guān)系，例如射流風(fēng)機(jī)與隧道壁面的距離關(guān)系、每組射流風(fēng)機(jī)的位置關(guān)系等。需要根據(jù)隧道實(shí)際情況，對(duì)整條隧道以及射流風(fēng)機(jī)的實(shí)際布置情況進(jìn)行幾何建模。另外，隧道壁面粗糙度也會(huì)對(duì)計(jì)算分析產(chǎn)生顯著影響，壁面的模擬采用考慮壁面粗糙度的標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)[10]，如式(6)所示。

(6)

1.3 凈化站性能

除幾何因素外，隧道凈化站的模擬需要考慮3個(gè)部分： 1)凈化站內(nèi)的阻力設(shè)備，例如靜電除塵、活性炭過濾器及消聲器等，可以采用計(jì)算局部阻力的達(dá)西公式進(jìn)行簡(jiǎn)化模擬，即不模擬設(shè)備內(nèi)部的流動(dòng)情況，只模擬設(shè)備“壓差-流量”特性； 2)凈化站內(nèi)的軸流風(fēng)機(jī)，可以根據(jù)風(fēng)機(jī)樣本曲線，描述壓頭與流量的關(guān)系； 3)凈化站的過濾凈化單元，需要建立凈化器模型。

1.3.1 阻力設(shè)備與軸流風(fēng)機(jī)

凈化站的結(jié)構(gòu)和幾何模型如圖1和圖2所示。

圖1 旁通式凈化站結(jié)構(gòu)

1—入口風(fēng)閥； 2—初效過濾器； 3—靜電除塵器； 4—后過濾器； 5—活性炭過濾器； 6—風(fēng)機(jī)前漸縮； 7—軸流風(fēng)機(jī)； 8—風(fēng)機(jī)后漸擴(kuò)； 9—消聲器； 10—出口風(fēng)閥; A—靜電除塵器; B—活性炭過濾器。

圖2旁通式凈化站CFD幾何模型

Fig. 2 CFD geometry model of station

凈化站內(nèi)的阻力設(shè)備(圖2中1—10)的阻力特性采用式(7)進(jìn)行簡(jiǎn)化描述。

(7)

式中： Δpr為通過阻力設(shè)備前后的壓降，Pa；ζ為設(shè)備的阻力系數(shù)，量綱一的量；U為平均風(fēng)速，m/s。

隧道射流風(fēng)機(jī)及凈化站中的軸流風(fēng)機(jī)可以采用風(fēng)機(jī)性能曲線進(jìn)行描述，即Δpf=f(U)，該函數(shù)關(guān)系可以采用多項(xiàng)式擬合的方式表達(dá)風(fēng)機(jī)升壓和風(fēng)速的關(guān)系，如式(8)所示。

(8)

式中： Δpf為風(fēng)機(jī)前后壓差，Pa；fn是根據(jù)樣本風(fēng)機(jī)壓頭流量特性曲線進(jìn)行多項(xiàng)式擬合得到的系數(shù)。

1.3.2 凈化器模型

凈化站內(nèi)的靜電除塵器和活性炭過濾器如圖2中A和B所示。為描述隧道中凈化器對(duì)各類污染物的過濾凈化作用，需要建立相應(yīng)的空氣凈化器效率模型?？赏ㄟ^修改污染物控制方程式(5)的源項(xiàng)來表達(dá)凈化器的凈化過濾作用，其數(shù)學(xué)描述如式(9)所示。

(9)

由式(9)可以看出，在迭代計(jì)算過程中，描述凈化器作用的源項(xiàng)需要先求解凈化器入口的污染物平均質(zhì)量濃度。由于可能出現(xiàn)隧道空氣短路循環(huán)的情況，凈化器入口的質(zhì)量濃度實(shí)際上又受到凈化器凈化處理的影響，故在CFD迭代過程中凈化器源項(xiàng)是變化的，只有當(dāng)其穩(wěn)定時(shí)，計(jì)算才收斂。

1.4 車輛運(yùn)動(dòng)模型

在研究隧道通風(fēng)與凈化的影響時(shí)，車輛一方面作為隧道空氣最重要的污染源；另一方面可作為對(duì)隧道空氣的活塞作用。

車輛運(yùn)動(dòng)會(huì)對(duì)隧道空氣產(chǎn)生作用力，雖然車輛運(yùn)動(dòng)是瞬態(tài)過程，但在交通狀況穩(wěn)定的情況下，其對(duì)隧道空氣的作用可以認(rèn)為是穩(wěn)定的，單輛車對(duì)隧道空氣的作用力

(10)

式中：Cd為車輛的阻力系數(shù)，考慮車隊(duì)尾流影響，其和隧道車輛密度有關(guān)[11]，量綱一的量；Ucar為車速，m/s；Ut為隧道某參考橫截面的縱向平均風(fēng)速，m/s；Vcar為車輛模型的體積，m3；Acar_front為車輛模型的正投影面積， m2。

對(duì)于整條公路隧道，車輛的數(shù)目、類型眾多且會(huì)發(fā)生變化，若將所有車輛都進(jìn)行幾何建模將大幅降低計(jì)算效率，故需要進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。假設(shè)實(shí)際交通場(chǎng)景下按各類車型比例折合的車輛(標(biāo)準(zhǔn)車)數(shù)目為Nreal，在CFD中建立的車輛幾何模型數(shù)為Ngeo，引入車輛數(shù)修正系數(shù)f=Nreal/Ngeo。假設(shè)隧道內(nèi)車輛均勻分布且車速恒定，則某一車輛對(duì)隧道空氣的作用可以通過修改動(dòng)量方程式(2)進(jìn)行描述，其數(shù)學(xué)描述如式(11)所示。

(11)

式中：Sm,x、Sm,y、Sm,z為車輛在笛卡爾坐標(biāo)系中3個(gè)方向(x、y、z)的動(dòng)量方程源項(xiàng)；f為車輛數(shù)修正系數(shù)，量綱一的量；θ和φ為車輛運(yùn)動(dòng)方向和全局坐標(biāo)系的夾角，如圖3所示。

圖3 車輛運(yùn)動(dòng)方向和全局坐標(biāo)系的夾角

Fig. 3 Angle between vehicle movement orientation and global coordinate system

車輛對(duì)隧道空氣的作用是通過修改N-S方程動(dòng)量源項(xiàng)來描述的，由式(10)和式(11)可知該動(dòng)量源項(xiàng)和速度場(chǎng)的計(jì)算是耦合的，即計(jì)算動(dòng)量方程源項(xiàng)Sm,x、Sm,y、Sm,z的時(shí)候，需要先計(jì)算Ut，而Ut取決于上一個(gè)迭代步連續(xù)性方程和動(dòng)量方程的解，故每次迭代都會(huì)得到一個(gè)新的動(dòng)量源項(xiàng)，從而不斷地修正動(dòng)量方程的源項(xiàng)，然后再重新求解速度場(chǎng)得到下一個(gè)新的Ut，由此不斷循環(huán)，直到動(dòng)量源項(xiàng)的計(jì)算收斂。

另外，車輛是隧道最重要的污染源，污染散發(fā)可以通過修改污染物控制方程式(5)進(jìn)行描述，其數(shù)學(xué)描述如式(12)所示。

(12)

式中：SC″為污染物質(zhì)量濃度控制方程在車輛處的源項(xiàng)；fi為車輛綜合排放因子，i=1、2、3分別表示大型車、中型車、小型車,mg/(km·輛)；ni表示各種類型車輛數(shù)，輛/h；l為隧道長(zhǎng)度，km；Ngeo為CFD幾何模型中隧道車輛數(shù)；Vcar為車輛體積，m3。

1.5 模型求解方法

對(duì)于式(1)—(12)，采用空氣流動(dòng)耦合計(jì)算中最為經(jīng)典的SIMPLE算法進(jìn)行求解。由于車輛動(dòng)量源和速度場(chǎng)相耦合，凈化器源項(xiàng)和上一步污染物質(zhì)量濃度場(chǎng)耦合，故在原本SIMPLE算法的迭代流程中嵌套了另外2個(gè)迭代循環(huán)，其CFD迭代計(jì)算流程如圖4所示。

圖4 考慮車輛運(yùn)動(dòng)以及凈化器的CFD迭代流程

Fig. 4 Iterative process including vehicle movement and purification station

1.6 模型的驗(yàn)證

以CFD商用軟件ANSYS FLUENT為平臺(tái)，針對(duì)凈化站中的阻力設(shè)備，建立了基于達(dá)西公式的阻力特性模型；針對(duì)隧道靜電除塵器以及活性炭過濾器，建立了凈化器模型；針對(duì)車輛與隧道空氣之間的相互作用，建立了車輛動(dòng)量源模型。下文對(duì)上述模型進(jìn)行驗(yàn)證。

1.6.1 凈化站設(shè)備阻力模型驗(yàn)證

以某孔板(典型阻力元件)為例，按照實(shí)際幾何尺寸對(duì)其進(jìn)行建模，并采用達(dá)西公式簡(jiǎn)化處理，其結(jié)果與未經(jīng)簡(jiǎn)化的CFD模擬計(jì)算結(jié)果對(duì)比如圖5所示。可以看出，采用達(dá)西公式模型與采用未經(jīng)簡(jiǎn)化的CFD方式，計(jì)算結(jié)果非常吻合，可以用來準(zhǔn)確地描述設(shè)備的阻力特性。

1.6.2 凈化器模型驗(yàn)證

應(yīng)用1.3節(jié)模型，對(duì)凈化效率為80%的凈化器進(jìn)行模擬計(jì)算，結(jié)果如圖6所示。當(dāng)凈化器前污染物質(zhì)量濃度降低時(shí)，其出口質(zhì)量濃度也降低了，根據(jù)凈化器前后污染物質(zhì)量濃度計(jì)算，凈化器的一次通過效率均為80%，與預(yù)設(shè)值相同，說明所建立的凈化器模型能夠準(zhǔn)確反映凈化器對(duì)污染物的凈化效果。

圖5 凈化站設(shè)備阻力特性模型驗(yàn)證

Fig. 5 Validation of model simulating resistance characteristics of equipments in station

圖6 凈化器模型驗(yàn)證

1.6.3 車輛運(yùn)動(dòng)模型驗(yàn)證

T.Y. Chen等[12]對(duì)某實(shí)際隧道進(jìn)行1∶20的縮尺模型實(shí)驗(yàn)，研究了不同車速、不同行車間距車輛的活塞通風(fēng)效應(yīng)，其隧道縮尺模型截面如圖7所示。采用1.4節(jié)所述的車輛運(yùn)動(dòng)模型對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行CFD計(jì)算，并將模擬結(jié)果與該實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖8所示。

圖7 1∶20隧道縮尺模型[12]

在隧道橫截面Y=2.4 m處，沿著高度方向的速度分布情況如圖7所示?？梢钥闯? 采用車輛動(dòng)量源方法和模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合，說明車輛動(dòng)量源方法模擬隧道車輛運(yùn)動(dòng)是可靠和有效的。

圖8 模型實(shí)驗(yàn)與車輛動(dòng)量源模型對(duì)比

2 帶凈化站的整條公路隧道通風(fēng)以及凈化數(shù)值模擬

公路隧道的通風(fēng)與凈化受到許多因素影響，包括隧道的幾何形狀、隧道通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行情況、隧道交通情況以及凈化站的運(yùn)行情況等。上文建立的三維數(shù)值模型能夠獨(dú)立考慮這些因素對(duì)隧道通風(fēng)凈化的影響，實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道內(nèi)空氣流動(dòng)、污染物擴(kuò)散及污染物處理效果的預(yù)測(cè)及分析。下文以某一實(shí)際公路隧道為例對(duì)上述數(shù)值模擬方法的效果進(jìn)行檢驗(yàn)。

2.1 模擬對(duì)象和邊界條件

模擬對(duì)象為一座長(zhǎng)3 375 m的城市公路隧道，該隧道工程屬于城市道路快速化改造工程的一部分，需要穿越原有居民密集區(qū)。隧道為雙洞單向交通隧道，東西行隧道分開設(shè)置。本文模擬對(duì)象為該隧道的東行隧道，共有4條車道，其中1條為緊急停車道；該隧道寬約17.5 m，高約6.5 m，全長(zhǎng)約3.375 km，設(shè)計(jì)行車速度為80 km/h。隧道通風(fēng)系統(tǒng)采用縱向通風(fēng)的方式，沿線布置8組射流風(fēng)機(jī)，3臺(tái)為1組，每組相鄰射流風(fēng)機(jī)之間的凈距為1.6 m，射流風(fēng)機(jī)與隧道頂部的凈距為0.55 m。隧道在接近出口處設(shè)有旁通式凈化站對(duì)污染物進(jìn)行處理，凈化站每條旁通風(fēng)道的高為6.5 m，寬為7 m，設(shè)計(jì)風(fēng)量約為200 m3/s，旁通式凈化站形式見圖1。該公路隧道車流量及各類污染物的綜合排放因子見表1。

表1 交通情況以及各類污染物綜合排放因子

隧道模型全長(zhǎng)均采用結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格，最大網(wǎng)格扭曲率小于0.67，網(wǎng)格數(shù)量約150萬，近壁面第1層網(wǎng)格高度小于2 cm，保證量綱一的量距離Y+<100，以確保壁面函數(shù)的適用性與準(zhǔn)確性。隧道幾何與網(wǎng)格劃分情況見圖9。

圖9 隧道幾何模型與網(wǎng)格(單位： m)

隧道邊界條件根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)置，隧道出入口和大氣連通，故設(shè)為壓力邊界條件。凈化站軸流風(fēng)機(jī)根據(jù)風(fēng)機(jī)性能曲線擬合，給出多項(xiàng)式系數(shù)，凈化站以及車輛運(yùn)動(dòng)的模擬采用1.3節(jié)和1.4節(jié)建立的模型進(jìn)行描述。其他邊界匯總見表2。凈化站相關(guān)設(shè)備性能見表3。

表2 邊界條件

表3 凈化站相關(guān)設(shè)備性能

注： 凈化站阻力部件，給定阻力系數(shù)ζ，在Fluent提供的Porous Jump模型基礎(chǔ)上進(jìn)行修改，可描述過濾器等設(shè)備的阻力特性。

2.2 隧道氣流組織模擬結(jié)果

高峰工況下開啟凈化站時(shí)整條隧道的速度分布如圖10所示?？梢钥闯觯諝饬魉僭谒淼缹挾确较虻姆植疾痪鶆?，整體上表現(xiàn)為在隧道轉(zhuǎn)彎處及隧道中間快。另外，凈化站處的空氣流動(dòng)狀態(tài)更加復(fù)雜，主隧道空氣被引入2條旁通風(fēng)道，此時(shí)耦合計(jì)算得到的分流比例(旁通風(fēng)量比)為0.903，經(jīng)過凈化處理后以一定的角度排出到主隧道與原來空氣混合。與凈化站平行的主隧道空氣流速非常小，出現(xiàn)了局部渦旋和空氣回流的現(xiàn)象。當(dāng)車流量或者車速降低時(shí)，主流量減小，分流比例可能超過1，發(fā)生凈流量回流的現(xiàn)象。隧道中心面(Y=3.25 m)的壓力分布如圖11所示?？梢钥闯?，主隧道壓力為-15～5 Pa，變化范圍不大，且沿隧道縱向呈現(xiàn)“波浪形”上升，這是因?yàn)檎T導(dǎo)隧道內(nèi)空氣流動(dòng)的運(yùn)動(dòng)車輛與射流風(fēng)機(jī)沿著隧道縱向分布，即驅(qū)動(dòng)空氣流動(dòng)的動(dòng)力源是分散作用的，其與產(chǎn)生壓力下降的沿程阻力、局部阻力共同造成了主隧道壓力“波浪形”上升的現(xiàn)象。和主隧道相比，凈化站的壓力為-1 136～519 Pa，顯著大于主隧道空氣壓力范圍，空氣流經(jīng)靜電除塵器以及活性炭過濾器后壓力顯著下降。經(jīng)軸流風(fēng)機(jī)升壓后壓力顯著上升，經(jīng)過后續(xù)風(fēng)管阻力設(shè)備壓力又隨之下降，總體上看，空氣經(jīng)過各個(gè)阻力設(shè)備和風(fēng)機(jī)時(shí)呈現(xiàn)壓力數(shù)值跳躍的現(xiàn)象，這與凈化站內(nèi)的壓力分布特點(diǎn)相符。

圖10 隧道中心面Y=3.25 m 處速度分布(單位： m/s)

Fig. 10 Velocity of tunnel at central plane (Y=3.25 m) (unit: m/s)

圖11 隧道中心面Y=3.25m 處壓力分布(單位： Pa)

Fig. 11 Pressure of the tunnel at central plane (Y=3.25 m) (unit: Pa)

隧道轉(zhuǎn)彎處空氣流速快是因?yàn)榭諝饬鲃?dòng)具有慣性，空氣撞擊轉(zhuǎn)彎處隧道壁面對(duì)自身產(chǎn)生加速效果；隧道中間空氣流速快是因?yàn)檐囕v運(yùn)動(dòng)作用于隧道中間下層的空氣，活塞效應(yīng)也主要發(fā)生在隧道下層。車輛前方25、60、90、120 m隧道斷面的速度分布如圖12所示?？梢钥闯?，此處隧道下方空氣流速大于隧道上方，該現(xiàn)象和T. Y. Chen等[12]模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致。當(dāng)開啟隧道射流風(fēng)機(jī)時(shí)(阻塞工況)，射流風(fēng)機(jī)前方典型隧道斷面的速度分布如圖13所示?？梢钥闯觯?1)射流風(fēng)機(jī)出口形成了3股強(qiáng)烈的射流； 2)在射流風(fēng)機(jī)前方45 m處射流已經(jīng)匯成一股，沿著射流前進(jìn)方向隧道空氣流速在高度和寬度方向梯度逐漸變??； 3)在射流風(fēng)機(jī)前方125 m處空氣流動(dòng)趨于均勻。分析可知，以上現(xiàn)象與經(jīng)典射流理論基本一致。比較圖12和圖13可知，車輛與隧道空氣的作用力主要發(fā)生在隧道的下層，而射流風(fēng)機(jī)與隧道空氣作用主要在隧道的上層。

(a)Z=25 m (b)Z=60 m

(c)Z=90 m (d)Z=120 m

圖12車輛前方隧道斷面速度分布(單位： m/s)

Fig. 12 Velocity of cross-section in front of vehicle (unit: m/s)

(a)Z=5 m (b)Z=125 m

(c) Y=5.6 m

2.3 隧道污染物分布模擬結(jié)果

隧道CO質(zhì)量濃度分布如圖14所示，NO2質(zhì)量濃度分布如圖15所示。車輛是隧道主要污染源，在交通狀況穩(wěn)定的情況下，可認(rèn)為車輛均勻分布在隧道沿線，而根據(jù)質(zhì)量守恒，隧道縱向通風(fēng)量相等，故由圖14和圖15可以得出，CO質(zhì)量濃度和NO2質(zhì)量濃度沿隧道長(zhǎng)度方向均逐漸升高。在旁通凈化站處，裝有活性炭過濾器，對(duì)NO2有80%的過濾效率，對(duì)CO無凈化效果，故經(jīng)過凈化站后NO2質(zhì)量濃度下降了而CO質(zhì)量濃度不變。另外，由于凈化站打斷了隧道連續(xù)通風(fēng)的條件，與凈化站平行的主隧道段局部通風(fēng)量小于其他隧道段，故此處的CO質(zhì)量濃度和NO2質(zhì)量濃度均出現(xiàn)突然上升的情況且均高于洞口排放質(zhì)量濃度。一般行車條件下的短暫暴露對(duì)駕乘人員危害不大，但在阻塞工況下就需要特別注意，故在設(shè)計(jì)帶凈化站的隧道時(shí)，需要預(yù)測(cè)和校驗(yàn)此處污染物質(zhì)量濃度不超過相關(guān)規(guī)范規(guī)定的上限值。

圖14 隧道CO質(zhì)量濃度分布(單位： mg/m3)

圖15 隧道NO2質(zhì)量濃度分布(單位： mg/m3)

一維模型在預(yù)測(cè)隧道污染物分布時(shí)均假設(shè)污染物質(zhì)量濃度只沿著隧道長(zhǎng)度方向變化，忽略其在隧道斷面上的分布，實(shí)際上污染物在隧道斷面上也是分布不均勻的。凈化站前后典型隧道斷面NO2的質(zhì)量濃度分布如圖16所示。在凈化站前50 m及100 m處，隧道下方NO2質(zhì)量濃度約為0.65 mg/m3，比隧道上方大27%。污染物在隧道內(nèi)傳播的機(jī)制主要通過擴(kuò)散作用以及被動(dòng)對(duì)流輸運(yùn)，盡管隧道縱向空氣流動(dòng)處于高雷諾數(shù)狀態(tài)，湍流擴(kuò)散效果明顯，但污染物的對(duì)流輸運(yùn)還仍占據(jù)主導(dǎo)作用，且作為隧道主要污染源的車輛位于隧道的下方，車輛運(yùn)動(dòng)發(fā)生的活塞效應(yīng)也發(fā)生在隧道下方。在凈化站出口下游隧道50 m及100 m處，NO2的質(zhì)量濃度分布在隧道寬度方向不一致，這種差異主要是凈化后的空氣與原來空氣混合不均勻造成的。

(a) -100 m (b) -50 m

(c) 50 m (d) 100 m

圖16凈化站前后隧道斷面NO2質(zhì)量濃度分布(單位： mg/m3)

Fig. 16 NO2concentration distribution at upstream and downstream cross-section of station (unit: mg/m3)

3 結(jié)論與討論

1)本文所建立的隧道通風(fēng)凈化三維數(shù)值模型獨(dú)立考慮了隧道幾何形狀、射流通風(fēng)系統(tǒng)、空氣凈化站阻力與效率以及車輛運(yùn)動(dòng)的活塞效應(yīng)，可用于分析預(yù)測(cè)實(shí)際隧道不同交通場(chǎng)景、不同通風(fēng)凈化控制策略下的氣流組織以及污染物分布和凈化效果。

2)運(yùn)動(dòng)的車輛與空氣間的作用力主要發(fā)生在隧道下方的行車道區(qū)域，射流風(fēng)機(jī)對(duì)空氣的作用力主要在隧道的上層。由于受力的不均勻，故導(dǎo)致隧道內(nèi)空氣流速在高度和寬度方向的不均勻，影響了污染物分布。

3)主隧道壓力沿著隧道長(zhǎng)度方向呈現(xiàn)“波浪階梯上升”，這是沿隧道縱向分散分布的運(yùn)動(dòng)車輛、射流風(fēng)機(jī)等驅(qū)動(dòng)空氣流動(dòng)的動(dòng)力源與造成壓力下降的隧道沿程阻力、局部阻力共同作用的結(jié)果。由于凈化站內(nèi)靜電除塵器、活性炭過濾器等設(shè)備的局部阻力較大以及軸流風(fēng)機(jī)的升壓作用明顯，凈化站內(nèi)壓力分布隨阻力設(shè)備的分布呈現(xiàn)跳躍的特點(diǎn)。

4)由于凈化站的存在，截?cái)嗔怂淼肋B續(xù)通風(fēng)的條件，與凈化站平行的隧道段局部通風(fēng)量小于其他地方，該局部隧道段污染物突然升高，達(dá)到整條隧道的最大值，故在設(shè)計(jì)該類型隧道時(shí)，需校核“與凈化旁通風(fēng)道平行的局部主隧道段末尾處”污染物不高于相應(yīng)的限值標(biāo)準(zhǔn)。

本文建立的三維數(shù)值模型能夠詳細(xì)定量描述隧道空氣流動(dòng)以及污染物分布情況，體現(xiàn)其在寬度及高度方向的不均勻性，能夠發(fā)現(xiàn)一維模型不能分析和解釋的隧道空氣流動(dòng)狀態(tài)，為公路隧道通風(fēng)凈化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、分析提供更為準(zhǔn)確、有效的指導(dǎo)。此外，由于可實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道實(shí)際運(yùn)營(yíng)中的多種交通場(chǎng)景、通風(fēng)凈化系統(tǒng)運(yùn)行模式進(jìn)行模擬，故本文所建數(shù)值模型還適用于對(duì)隧道通風(fēng)凈化系統(tǒng)運(yùn)行控制策略的分析優(yōu)化，以降低凈化技術(shù)在城市公路隧道的應(yīng)用成本。

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