通航隧洞船舶尾氣排放擴(kuò)散數(shù)值模擬研究

汪 瑞 黃立文 謝 澄* 鄧 健

(武漢理工大學(xué)航運(yùn)學(xué)院1) 武漢 430063) (內(nèi)河航運(yùn)技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2) 武漢 430063)

0 引 言

船舶通航隧洞建造投資較大，技術(shù)復(fù)雜，其設(shè)計(jì)建造和安全營(yíng)運(yùn)方面的研究尚處于起步階段，我國(guó)目前也僅有為數(shù)不多的小型通航隧洞分布在如烏江、富春江等河流水域中[1].

船舶通航隧洞與公路、鐵路隧道相比截面尺寸較大，船舶在通過隧洞時(shí)，基于安全考慮需采取限制航速航行，通過隧洞的時(shí)間較長(zhǎng)，同時(shí)，通航隧洞本身作為一種典型的半封閉空間，當(dāng)通風(fēng)條件不良時(shí)船舶排放的尾氣短時(shí)間內(nèi)無法擴(kuò)散，尾氣中有毒有害成分如CO和NO2等在通航隧洞內(nèi)的大量積聚，會(huì)引發(fā)船員呼吸系統(tǒng)及神經(jīng)系統(tǒng)中毒[2].與此同時(shí)，由于目前國(guó)內(nèi)關(guān)于通航隧洞的船舶尾氣排放控制標(biāo)準(zhǔn)尚屬空白，在通航隧洞設(shè)計(jì)和營(yíng)運(yùn)時(shí)一般參照如JTG/TD702-02—2014《公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則》等公路隧道通風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)，由于船舶與車輛排放特征存在明顯差異，公路隧道標(biāo)準(zhǔn)的適用性還有待考證.因此，文中以內(nèi)河典型通航隧洞為研究對(duì)象，模擬不同通風(fēng)條件下通航隧洞船舶尾氣排放，開展通航隧洞內(nèi)船舶尾氣的排放擴(kuò)散研究，對(duì)于保障水上交通安全具有重要的意義，同時(shí)也能為通航隧洞內(nèi)船舶尾氣排放設(shè)計(jì)濃度標(biāo)準(zhǔn)的制定提供科學(xué)依據(jù).

1 數(shù)學(xué)模型的建立及有效性驗(yàn)證

通航隧洞內(nèi)船舶尾氣的排放擴(kuò)散過程受大氣流動(dòng)特別是風(fēng)速和風(fēng)向的影響較大，屬于非穩(wěn)態(tài)的三維湍流流動(dòng)[3]，船舶尾氣為CO和NO2氣體的混合物，擴(kuò)散過程中忽略氣體的熱量交換，因此對(duì)于混合氣體的湍流擴(kuò)散而言，除求解動(dòng)量守恒方程、連續(xù)性方程外，還應(yīng)構(gòu)建相應(yīng)的湍流控制方程和組分輸運(yùn)模型，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)混合氣體湍流流動(dòng)情況的精確捕捉.同時(shí)，在使用數(shù)值模擬方法開展船舶尾氣排放擴(kuò)散研究前，還應(yīng)就CFD模型的有效性進(jìn)行評(píng)價(jià)，從而確保模擬結(jié)果能夠真實(shí)反應(yīng)氣體的擴(kuò)散特征和濃度的分布情況.

1.1 湍流控制方程

為計(jì)算的精確性同時(shí)兼顧工程實(shí)際問題的計(jì)算效率，經(jīng)過對(duì)比，選取RNGk-ε模型作為湍流控制模型，兩個(gè)基本方程k方程和ε方程為[4]

k方程：

Gk+Gb-ρε-YM+Sk

(1)

ε方程：

(2)

式中：ρ為氣體密度，kg/m3；k為湍動(dòng)能，J；ε為湍流耗散率，%；αk和αε為k和ε的普朗特?cái)?shù)的倒數(shù)，均為1.393；參數(shù)C1ε=1.42，C2ε=1.68；Gk為由平均速度梯度產(chǎn)生的湍流動(dòng)能；Gb為由于浮力產(chǎn)生的湍流動(dòng)能；YM為可壓縮湍流中波動(dòng)擴(kuò)張對(duì)總湍流耗散率的貢獻(xiàn)值；Sk和Sε為用戶自定義源項(xiàng).

1.2 組分輸送控制方程

組分輸運(yùn)模型中所遵循的組分守恒定律見式(3)，由于尾氣擴(kuò)散過程中不涉及到化學(xué)反應(yīng)，因此各組分的化學(xué)生成率為零.

(3)

式中：ρ為氣體密度，kg/m3；t為擴(kuò)散時(shí)間；v為速度矢量；Yi為組分i的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；Ri為組分i源項(xiàng)的產(chǎn)生速率；Ji為組分i的擴(kuò)散系數(shù)，對(duì)于湍流而言，Ji為

(4)

式中：Sct為湍流的施密特?cái)?shù)，默認(rèn)為0.7；Dt,i為熱擴(kuò)散系數(shù)；Di.m為質(zhì)量擴(kuò)散系數(shù)；μt為湍流黏度.

1.3 模型有效性驗(yàn)證

在對(duì)現(xiàn)有的CFD模型有效性評(píng)價(jià)成果進(jìn)行總結(jié)篩選的基礎(chǔ)上，根據(jù)模型有效性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，通過計(jì)算模擬值和實(shí)驗(yàn)值的相對(duì)偏差(FB)、幾何平均偏差(MG)、幾何平均方差(VG)、相對(duì)均方誤差(MRSE)、歸一化的均方誤差(NMSE)等統(tǒng)計(jì)學(xué)指標(biāo)[5]，并與有效性判定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比，從而驗(yàn)證CFD模型在模擬船舶尾氣排放擴(kuò)散中的有效性.各統(tǒng)計(jì)學(xué)指標(biāo)的計(jì)算公式為

(5)

式中：Xo為試驗(yàn)的測(cè)量值；Xp為模型的計(jì)算值.

總結(jié)國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)研究成果，分別對(duì)上述各統(tǒng)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，見表1，將計(jì)算結(jié)果與有效性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比，可得FB、MG、VG、MRSE、NMSE的取值能夠滿足評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的要求，因此，基于CFD模型開展船舶尾氣排放擴(kuò)散計(jì)算是準(zhǔn)確有效的.

表1 尾氣排放擴(kuò)散計(jì)算模型有效性評(píng)價(jià)情況

2 計(jì)算模型及模擬方案

2.1 模型構(gòu)建

以內(nèi)河某典型的單向通航隧洞構(gòu)建計(jì)算模型，隧洞長(zhǎng)度為1 800 m，隧洞每隔100 m設(shè)置一組對(duì)流風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)風(fēng)量為250 m3/h，考慮船舶結(jié)構(gòu)對(duì)尾氣擴(kuò)散的影響較小，因此將船舶進(jìn)行簡(jiǎn)化只保留船舶煙囪.同時(shí)，根據(jù)船舶交通流情況和實(shí)際通航情況，船舶多排隊(duì)通航隧洞，兩條船間隔250 m的安全距離，因此根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)最大化原則結(jié)合實(shí)際情況，模擬六條船舶同時(shí)處于隧洞內(nèi)的尾氣排放情況.選取通航隧洞最高通航水位(175 m水位)和最低通航水位(145 m水位)兩種工況，以145 m水位為例，其計(jì)算模型見圖1.

圖1 通航隧洞船舶尾氣排放三維計(jì)算模型

在邊界條件的設(shè)定上，風(fēng)機(jī)出口處及隧洞入口處分別為機(jī)械通風(fēng)和自然通風(fēng)條件下的速度入口，速度大小為對(duì)給定風(fēng)機(jī)風(fēng)量進(jìn)行換算后風(fēng)速以及通航隧洞所處地理位置處年平均風(fēng)速；船舶煙囪出口處設(shè)置為質(zhì)量入口，通過質(zhì)量權(quán)重混合定律得到船舶尾氣混合氣體的密度和粘性系數(shù)等；將隧洞壁面的邊界條件設(shè)置為無滑移的固定壁面，隧洞出口處為壓力出口.

2.2 船舶尾氣組分

根據(jù)實(shí)際通航情況，該通航隧洞的代表船型為5 000 t級(jí)干散貨船，雙機(jī)功率為1 500 kW，船舶在隧洞中航行速度不超過10 km/h，根據(jù)GB15097—2016《船舶發(fā)動(dòng)機(jī)排氣污染物排放限值及測(cè)量方法(中國(guó)第一、二階段)》中的有關(guān)船機(jī)排氣污染物第一階段的排放限值，對(duì)應(yīng)得到CO的排放速率為5 g/(kW·h)，NO2的排放速率為8.7 g/(kW·h)，因此通過計(jì)算船舶通過隧洞所產(chǎn)生的CO和NO2的總量，得出船舶尾氣中CO和NO2的組分比例，為

(5)

式中：v為CO的排放速率5 g/(kW·h)；w為NO2的排放速率,8.7 g/(kW·h)；G為船舶的主機(jī)功率；qm為船舶尾氣的廢氣質(zhì)量流量，取0.5 kg/s[9].

2.3 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)置

分別模擬兩種通航水位下，自然通風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)條件下通航隧洞內(nèi)船舶尾氣的排放擴(kuò)散情況，經(jīng)測(cè)量，通航隧洞內(nèi)的平均風(fēng)速為2 m/s，風(fēng)機(jī)風(fēng)量為250 m3/h，模擬實(shí)驗(yàn)的設(shè)置方案見表2.

表2 模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)置方案

3 仿真結(jié)果分析

3.1 風(fēng)場(chǎng)模擬結(jié)果

船舶尾氣隨隧洞內(nèi)大氣擴(kuò)散，隧洞內(nèi)的風(fēng)場(chǎng)分布決定了隧洞內(nèi)氣體的流動(dòng)方向和擴(kuò)散速率，因此，應(yīng)首先對(duì)對(duì)洞內(nèi)風(fēng)場(chǎng)情況進(jìn)行模擬，待風(fēng)場(chǎng)收斂后再進(jìn)行尾氣擴(kuò)散模擬.以145 m水位為例，不同通風(fēng)條件下隧洞內(nèi)風(fēng)場(chǎng)模擬結(jié)果見圖2.

圖2 145 m水位通航隧洞模擬風(fēng)場(chǎng)速度分布云圖

由風(fēng)速度分布云圖可知，隧洞內(nèi)入口風(fēng)速均在2.0 m/s左右，僅自然通風(fēng)條件下隧洞內(nèi)速度分布均勻，僅機(jī)械通風(fēng)條件下隧洞內(nèi)入口處幾乎為靜風(fēng)狀態(tài)且隧洞下半部分速度較低，自然通風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)條件下隧洞后半部分通風(fēng)狀態(tài)較好，由于通航隧洞結(jié)構(gòu)影響，風(fēng)在隧洞內(nèi)會(huì)有一定程度的加速現(xiàn)象，從而使得隧洞大部分區(qū)域的局部風(fēng)速較入口處有所增加，與實(shí)際情況較為吻合.

3.2 船舶尾氣擴(kuò)散模擬結(jié)果

在船舶尾氣擴(kuò)散模擬結(jié)果的分析上，分別就145 m水位和175 m水位下，CO氣體和NO2氣體在僅自然通風(fēng)、僅機(jī)械通風(fēng)及自然通風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)三種通風(fēng)條件下的排放擴(kuò)散情況進(jìn)行對(duì)比，同時(shí)根據(jù)《公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則》通過插值法求得1 800 m長(zhǎng)的船舶通航隧洞中CO氣體的體積分?jǐn)?shù)排放限值為1.3×10-4，NO2氣體的體積濃度排放限值為1×10-6，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果中CO與NO2氣體分?jǐn)?shù)分布云圖與上述排放限值進(jìn)行對(duì)比分析如下.

1) 145 m水位下船舶尾氣擴(kuò)散情況 145 m水位對(duì)應(yīng)通航隧洞最低通航水位，見圖3.

圖3 不同通風(fēng)方式下CO和NO2氣體的擴(kuò)散對(duì)比情況(145 m水位)

由圖3可知:深色區(qū)域?yàn)閮煞N氣體濃度不符合排放限值標(biāo)準(zhǔn)的區(qū)域，當(dāng)在自然通風(fēng)條件下開啟機(jī)械通風(fēng)，CO氣體和NO2氣體的濃度場(chǎng)分布情況較其他兩種通風(fēng)方式而言有明顯降低，由于僅機(jī)械通風(fēng)時(shí)雖隧洞后部風(fēng)速較大，但入口處風(fēng)速基本為零，致使隧洞入口處的氣體存在大量積聚.

對(duì)于CO氣體來說，不論是哪種通風(fēng)模式下，圖中云圖顯示為深色的區(qū)域僅為船舶煙囪附近的小范圍局部區(qū)域，大部分區(qū)域內(nèi)均能滿足CO氣體的排放限值標(biāo)準(zhǔn).

但對(duì)NO2氣體來說，即使是自然通風(fēng)增加了機(jī)械通風(fēng)隧洞內(nèi)大部分區(qū)域仍無法滿足NO2氣體的排放限值標(biāo)準(zhǔn).

2) 175 m水位下船舶尾氣擴(kuò)散情況 175 m水位對(duì)應(yīng)通航隧洞最高通航水位，見圖4.

圖4 不同通風(fēng)方式下CO和NO2氣體的擴(kuò)散對(duì)比情況(175 m水位)

由圖4可知，與145 m水位相類似，自然通風(fēng)條件下開啟機(jī)械通風(fēng)，氣體的體積分?jǐn)?shù)場(chǎng)有一定的降低，雖然175 m水位下與145水位相比，隧洞水面抬升近30 m，隧洞內(nèi)風(fēng)場(chǎng)加速現(xiàn)象更明顯，風(fēng)速普遍大于145 m水位水位，但由于175 m水位較145水位下隧洞內(nèi)空間變小，氣體體積分?jǐn)?shù)反而較145 m水位下有所增加.但總的來說，兩種氣體與排放限值相比，大部分區(qū)域內(nèi)均能滿足CO氣體的排放限值標(biāo)準(zhǔn)，但不論是哪種通風(fēng)模式下，隧洞內(nèi)大部分區(qū)域仍無法滿足NO2氣體的排放限值標(biāo)準(zhǔn).

3) 船舶尾氣體積分?jǐn)?shù)對(duì)比情況 通過沿隧道長(zhǎng)度方向等距離截取10個(gè)截面，將自然通風(fēng)、自然通風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)通風(fēng)兩種條件下截面的平均氣體濃度進(jìn)行定量對(duì)比和分析，圖5為CO氣體截面平均體積分?jǐn)?shù)變化曲線，圖6為NO2氣體截面平均濃度變化曲線.

圖5 CO截面濃度曲線

圖6 NO2截面濃度曲線

由圖5～6可知，在最低通航水位和最高通航水位下，在自然通風(fēng)情況下人為設(shè)置自然通風(fēng)能夠降低隧洞內(nèi)氣體體積分?jǐn)?shù)，表3為模擬得到截面平均氣體體積分?jǐn)?shù)的具體情況，可以得出開啟機(jī)械通風(fēng)后對(duì)于隧洞內(nèi)CO和NO2氣體體積分?jǐn)?shù)的降低具有一定的作用，平均降低率最高為27%左右，最低降低率為15%.

4 結(jié) 論

1) 當(dāng)在自然通風(fēng)條件下開啟通航隧洞內(nèi)射流風(fēng)機(jī)，人為創(chuàng)造縱向機(jī)械通風(fēng)條件，對(duì)于隧洞內(nèi)船舶尾氣污染物的擴(kuò)散具有一定的作用，CO污染物濃度平均降低率為23.5%，NO2污染物體積分?jǐn)?shù)平均降低率為21.0%.

2) 最高通航水位下隧洞內(nèi)風(fēng)速較最低通航水位下大，然而受水面抬升影響隧洞內(nèi)空間變小，船舶尾氣的體積分?jǐn)?shù)反而較低通航水位下有所增加.

表3 開啟機(jī)械通風(fēng)后下CO和NO2氣體體積分?jǐn)?shù)降低情況

3) 根據(jù)模擬結(jié)果可以得出，不論是哪種通風(fēng)方式下，只有船舶煙囪附近小范圍區(qū)域內(nèi)CO氣體濃度不滿足公路隧道設(shè)計(jì)限值要求，然而大部分區(qū)域內(nèi)的NO2氣體的體積分?jǐn)?shù)均不能滿足設(shè)計(jì)限值要求，其中部分區(qū)域NO2體積分?jǐn)?shù)超過設(shè)計(jì)限值要求10倍以上.

4) 由于同等排放速率下車輛排放的CO氣體與NO2氣體的體積比要遠(yuǎn)大于船舶排放的尾氣中CO與NO2的比值，因此《公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則》對(duì)于船舶通航隧洞具有不適用性，后續(xù)還應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和船舶尾氣動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)[10-12]等科學(xué)制定適用于通航隧洞的CO和NO2氣體的設(shè)計(jì)排放限值，為通航隧洞的設(shè)計(jì)和建造工作提供理論支撐.