多匝道特長公路隧道不同通風(fēng)方式下通風(fēng)效果的數(shù)值模擬研究

萬中碩 劉 雨 謝艷萍

（重慶科技學(xué)院，重慶 401331）

0 引言

伴隨著科技的日益發(fā)展，我國的交通也愈發(fā)便利。特長隧道、分合流隧道也日益增多。而針對多匝道特長公路隧道而言，隧道內(nèi)相對閉合、隧道長度大、隧道內(nèi)車流量大，當(dāng)隧道內(nèi)發(fā)生汽車阻滯時僅僅只依靠隧道進(jìn)出口處的自然通風(fēng)不能夠完全帶走車輛行駛過程中排出的廢氣和煙塵；需要機(jī)械通風(fēng)來進(jìn)行輔助。本項目通過運(yùn)用軟件模擬交通阻滯情況下隧道分叉口處不同通風(fēng)方式下隧道內(nèi)汽車尾氣污染物分布情況；進(jìn)而對比分析其通風(fēng)效果。

1 研究現(xiàn)狀

特長公路隧道通風(fēng)問題在國內(nèi)研究較晚，多借鑒國外的經(jīng)驗；目前國內(nèi)的相關(guān)規(guī)范數(shù)量不多。1999 年重慶公路科研設(shè)計院主持編寫《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計規(guī)范》(JTJ026.1—1999)為公路隧道的設(shè)計提供指引與參考[1]。此規(guī)范于2014 年在《公路隧道通風(fēng)設(shè)計細(xì)則》(JTG/T D70/2-01—2014）與《公路隧道照明設(shè)計細(xì)則》(JTG/T D70/2-02—2014）頒布的同時廢止。近幾年來國內(nèi)也有大批學(xué)者關(guān)注并研究隧道的通風(fēng)問題。2020 年學(xué)者劉凡[2]通過CFD 模擬了高速公路隧道合流段的夾角角度與通風(fēng)特性的關(guān)系。2017 年，學(xué)者姜學(xué)鵬[3]通過SES 模擬不同隧道風(fēng)口布置于不同位置的通風(fēng)效果。學(xué)者夏永旭介紹并分析了特長公路隧道縱向-全橫向混合通風(fēng)方式[4]及秦嶺終南山公路隧道的5 種通風(fēng)方式[5]:兩豎井三段送排式縱向通風(fēng)；三豎井四段送排式縱向通風(fēng)；四豎井五段送排式縱向通風(fēng)；兩豎井三段混合式通風(fēng)；三豎井四段混合式通風(fēng)。

2 項目概況

本項目來源于工程實際，以某多匝道城市公路隧道為依托。此隧道由一條主線隧道、兩支線隧道構(gòu)成，設(shè)計車速50km/h，海拔高度約為400m。此隧道設(shè)計為雙洞單向交通。本模型選取右線隧道示例。由于此隧道的全長過長為簡化模型故選取其極具特征的分岔口周圍模擬研究，通過模擬不同通風(fēng)方式下污染物的運(yùn)動分析其通風(fēng)效果。為實際工程中的通風(fēng)建設(shè)提供理論依據(jù)。

3 軟件模擬計算

3.1 模型分析

模型使用fluent 自帶的DesignModeler 模塊進(jìn)行繪制，將所選取的隧道段以1:1 的比例進(jìn)行建模。主干線的入口截面圖及支干線出口的截面圖見圖1，模型的整體平面圖見圖2。在隧道的各個進(jìn)出口及頂部布置風(fēng)機(jī)，通過控制不同風(fēng)機(jī)的運(yùn)行來改變通風(fēng)方式。需要模擬隧道阻滯工況，故在隧道內(nèi)增加汽車，兩車間距為1.5 米。車身長4.5 米。主干線進(jìn)出口截面面積為115.3,支干線截面面積為88.9 。支干線長度為61，主干線長度為150 。

圖1 主干線及支線的入口截面圖

3.2 研究思路

在隧道的主干線進(jìn)出口、支線出口及分叉口的頂部皆設(shè)有風(fēng)機(jī)，通過控制不同風(fēng)機(jī)運(yùn)行進(jìn)行組合以實現(xiàn)隧道內(nèi)的不同通風(fēng)方式。組合方式詳見表1。風(fēng)機(jī)位置平面布置圖及編號如圖2 所示。通過綜合對比分析不同通風(fēng)方式下隧道內(nèi)污染物的分布及質(zhì)量分?jǐn)?shù)來確定通風(fēng)效果。

圖2 風(fēng)機(jī)布置編號圖及模型平面圖

表1 風(fēng)機(jī)組合方式

3.3 網(wǎng)格化分

網(wǎng)格劃分的目的就是將空間連續(xù)的計算域劃分成足夠小的計算域。網(wǎng)格的質(zhì)量影響計算的精準(zhǔn)性，網(wǎng)格稀疏導(dǎo)致計算結(jié)果的精度不高，網(wǎng)格過于密集會大大增加計算時間[6]。對風(fēng)機(jī)進(jìn)口等部位進(jìn)行加密處理，對變化不大的區(qū)域，網(wǎng)格尺寸適當(dāng)放大，如此既保證計算精度有兼顧計算效率。對于加密處理的網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗證，即網(wǎng)格數(shù)量超過限制時不再影響測量精度[7]。對于固體壁面還要增加設(shè)置邊界層。最終選擇使用mesh 模塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分的網(wǎng)格為四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。最終劃分的網(wǎng)格總量約為2800 萬，邊界層劃分共5層，增長率為1.2。網(wǎng)格的整體質(zhì)量較為后續(xù)計算提供可靠保證。

3.4 模擬計算

本項目采用fluent 軟件進(jìn)行隧道通風(fēng)數(shù)值仿真計算。并做出如下假設(shè)，假設(shè)流體為不可壓縮流體，流體為連續(xù)性流動滿足連續(xù)性方程。此模型遵循質(zhì)量守恒、能量守恒以及動量守恒定律。故在計算過程中需要開啟能量方程、K-湍流方程；由于需要觀測污染物在空氣中的軌跡故需要開啟組分運(yùn)輸方程；開啟重力并設(shè)置重力參考點，采用壓力基求解器進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計算。

3.5 邊界條件設(shè)定

進(jìn)口處參數(shù)選擇為速度進(jìn)口，出口處的參數(shù)選擇為壓力出口。汽車尾氣中的污染物設(shè)定為邊界進(jìn)口，設(shè)置條件時選擇質(zhì)量流量進(jìn)口，單位為kg/s。co 的排放量依照規(guī)范《公路隧道通風(fēng)設(shè)計細(xì)則》（JTG/TD/70/2-02-2014）計算，由該規(guī)范得知：交通阻滯時，阻滯段的平均co 設(shè)計濃度取同時經(jīng)歷時間不宜超過20 分鐘[8]。交通阻滯時車輛按怠速考慮，2000 年機(jī)動車尾氣中co 的基準(zhǔn)排放量應(yīng)取按每年2.0%的遞減率計算2021 年為計算出隧道內(nèi)co 的排放量為計算其所需稀釋co 通風(fēng)量為則風(fēng)機(jī)送風(fēng)速度為經(jīng)查閱文獻(xiàn)得知隧道內(nèi)自然風(fēng)速為故將模型進(jìn)口風(fēng)速設(shè)置為將計算的co排放量進(jìn)行單位換算得到總排放量為每輛車尾氣中co 排放量為隧道內(nèi)溫度設(shè)置為300k，求解方法選擇壓力速度偶和算法中的SIMPLE 算法，設(shè)置殘差為采用Hybrid 方法進(jìn)行初始化，設(shè)置迭代步數(shù)為3000 步。

3.6 結(jié)果輸出

創(chuàng)建Y 值為1.5、3、6、8 的四個等值面，并截取每種通風(fēng)方式下每個面的co 組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)云圖（如圖3、圖4），截取8 等值面的速度云圖（見圖5）。

圖3 1.5 等值面的co 組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)云圖

圖4 各等值面的co 組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)云圖

圖5 8 高等值面的速度云圖

4 結(jié)果分析

根據(jù)方案1 的污染物質(zhì)量分?jǐn)?shù)云圖可以觀測出污染物整體向隧道的頂部及出口運(yùn)動，通過1.5 高、3 高、6 高處等值面的云圖對比分析可得出由于co 密度小于空氣在浮升力的作用下向上擴(kuò)散，在風(fēng)機(jī)射流擴(kuò)散的作用下隧道前段的污染物擴(kuò)散至中后段，致使中段的co 質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，co 聚集在隧道中段難以排出。綜合分析方案2 的污染物云圖可發(fā)現(xiàn)，在入口處射流風(fēng)機(jī)和通風(fēng)井排風(fēng)的共同作用下隧道中段和前段的co 可以有效排出；主線后段及支線后段的co 在風(fēng)壓作用下逐步向出口處擴(kuò)散。但在射流風(fēng)機(jī)及通風(fēng)井共同作用下在隧道的分岔口處會形成渦流，污染物在此處會有殘留。分析方案3 的co 云圖可發(fā)現(xiàn)，在單一通風(fēng)井排風(fēng)的作用下隧道下部（1.5 高）co 的運(yùn)動受機(jī)械排風(fēng)的影響較小，中高部co 的擴(kuò)散受排風(fēng)作用明顯。隧道前段和中段的co 在通風(fēng)井處匯聚最終通過風(fēng)井排出。但主隧道及支線尾段的co 難以排出。

經(jīng)對比三種方案的計算云圖發(fā)現(xiàn)在通風(fēng)量、風(fēng)速相同的情況下，縱向射流通風(fēng)與通風(fēng)井排出式+射流風(fēng)機(jī)通風(fēng)對低平面的co 擴(kuò)散影響明顯，從整體來看通風(fēng)井排出式+射流風(fēng)機(jī)通風(fēng)的排污效果要優(yōu)于縱向射流通風(fēng)。