交通風與自然風對公路隧道通風影響數值模擬

湯在宇 米立甲 劉雙平 鄭誠

1 浙江華東工程咨詢有限公司

2 中國電建華東勘測設計研究院

0 引言

城市行車隧道的建設極大緩解了交通擁堵狀態(tài)，而通過增加隧道車道數則進一步降低了單車通行成本，但由于隧道的相對封閉性，車輛排放的尾氣由于含有多種有害成分，如一氧化碳，二氧化氮以及煙塵，需要稀釋或及時排出隧道，二氧化碳濃度較高時也需要及時排出隧道[1-2]。因此，隧道建設需要對通風系統(tǒng)進行科學的設計。根據交通運輸部發(fā)布的《公路隧道通風設計細則JTG/TD70/2-02-2014》（下文簡稱《細則》）[3]，隧道通風分為自然通風和機械通風兩大類。自然通風是通過氣象因素形成的隧道內空氣流動，以及機動車從洞外帶入新鮮空氣來實現隧道內外空氣交換，機械通風是通過風機作用使空氣沿著預定路線流動來實現隧道內外空氣交換。如果自然通風能達到《細則》中規(guī)定的稀釋CO，NO2，煙塵和空氣中的異味的作用，則可以顯著提高節(jié)能減排效果，同時又能提高行車安全。機動車從洞外帶入新鮮空氣以及引起隧道內空氣流動，即交通風受交通流量和行車速度影響，而自然風則受風速和風向影響。為此，研究公路隧道交通量，行車速度，自然風速和風向對公路隧道通風影響具有重要意義。

隧道自然通風具有節(jié)能減排和降噪等特點，學者們對公路隧道自然通風特性進行研究并取得了一定的成果[4-8]，隨著計算機技術發(fā)展，數值方法成為隧道通風研究的一種重要方法。本文采用ANYSIS 的FLUENT 模塊對隧道自然通風特征進行三維數值模擬，使用動網格技術研究行車速度和交通量，并耦合自然風因素對隧道通風的影響特征。

1 隧道模型建立

本文計算模型的建立是依據浙江省杭州市某在建隧道進行的模擬計算。該隧道全長1797 m，雙向六車道規(guī)模，隧道內設隔離墻，單孔橫斷面高度為5.8 m，寬度為11 m，車輛單向行駛，最高速度為60 km/h。依托該隧道進行三維建模，模型如圖1 所示，隧道高度5.8 m，寬度11.0 m，長度為1000 m，汽車長寬高分別為5.0 m，2.0 m 和2.0 m，三車并排行駛。計算模型采用Gambit2.4.6 創(chuàng)建并網格化，為適應移動網格技術，模型網格使用四節(jié)點四面體單元進行剖分，經過網格無關性驗證，網格單元長度取0.2 m 即可滿足，為滿足計算機資源要求，本文采用0.2 m 為單元長度。模型入口為速度入口，出口為壓力出口，壁面為無滑移邊界。該隧道所處的室外平均風速夏季為2.0 m/s，冬季為1.8 m/s，考慮到雙向行車，計算中考慮風向與行車方向相同與相反兩種情況。該隧道預測平均小時交通量為3500 pcu/h，小客車占比0.8，小貨車占比0.15，大貨車占比0.05。為計算結果對比研究的一致性，本文計算采用小客車占比為1。

圖1 計算模型

2 計算結果及分析

為研究隧道通風特征，本文考慮隧道交通量，行車速度，自然風速和風向，車輛行駛采用動網格技術實現，FLUENT 湍流模型采用k-ε 雙方程模型，重點分析隧道內風速變化規(guī)律。

2.1 行車速度對通風影響

由在隧道下部的車輛行駛所形成的交通風，其風速從隧道底部到頂部逐漸減小，因此研究行車速度對通風影響主要關注隧道上部風速的變化特征。圖2 所示為并排三輛車在隧道內行駛的橫斷面風速分布圖，圖2a 車速為30 km/h，圖2b 車速為60 km/h。由圖可知，車輛上方空氣在車輛行駛形成的交通風作用下發(fā)生流動，風速沿隧道中心呈左右兩側對稱分布，在距隧道地面相同高度中心位置風速大于隧道側壁風速。隨著車輛行駛速度的增大，空氣流動速度顯著增加。車速為30 km/h 工況下，車輛上方空氣流動最小速度為1.94 m/s，而車速為60 km/h 工況下，車輛上方空氣流動最小速度為3.23 m/s。

圖2 隧道橫斷面風速

圖3 所示為隧道縱斷面風速分布特征，圖3a 和3b 行車速度分別為55 km/h 和60 km/h，車輛行駛方向為從左向右。由圖可知，隧道縱斷面風速以車輛中心呈前后對稱分布，速度范圍為1.04 m/s 至2.09 m/s的區(qū)域，車輛后方比前方略大。這是由于車輛行駛后方空氣擾流強度較大，其速度分布范圍大于車輛前方。對比圖3a 和圖3b 可知，兩種工況下風速縱斷面分布較為相似，僅在車輛上方速度2.09 m/s 至3.13 m/s 分布區(qū)域，60 km/h 工況大于55 km/h 工況。表明隧道內由車輛行駛產生的隧道交通風分布特征受車輛行駛速度的影響，車輛行駛速度越大，其產生的交通風風速越大。

圖3 隧道縱斷面風速

通過模擬不同行車速度工況下隧道橫斷面風速，行車速度為30 km/h，35 km/h，40 km/h，45 km/h，50 km/h，55 km/h 和60 km/h，車輛上部最小風速分別為 1.94 m/s，2.23 m/s，2.45 m/s，2.71 m/s，2.89 m/s，3.07 m/s 和3.23 m/s。

2.2 隧道交通量對通風影響

針對不同交流量工況進行數值模擬，取隧道橫斷面風速數據，分析交通量對隧道通風影響。圖4 為三種車速工況下隧道橫斷面風速與交通量關系，由圖可知，由車輛行駛形成的隧道風速隨著交流量的增加而增大，這一增加趨勢隨交通量增加而越來越小，此外，這一增加趨勢隨著行車速度的增加而小幅增大。由此可見，交通量對隧道風速影響較為明顯，在相同車速下，交通量的增加可以明顯增大隧道風速。本隧道工程按交通量與車型比例設計CO 和煙霧稀釋以及通風換氣所需的風速為2.5 m/s，即按照平均小時交通量為3500 pcu/h 所需風速。由此可知，當車速大于40 km/h時由行車產生的交通風即可實現隧道CO 和煙霧稀釋以及通風換氣的目的。

圖4 隧道橫斷面風速與交通量關系

2.3 自然風速和風向對通風影響

本工程室外氣象參數有大氣壓，通風計算干球溫度和平均風速組成，其值在夏季分別為100.09 kPa，32.3°C和2.0 m/s，冬季分別為102.11 kPa，4.3°C和1.8 m/s。自然風風向存在多變性，為此結合自然風速，風向與行車速度對隧道通風進行數值計算。圖5 為2 m/s風速自然風在順風（圖5a）與逆風（圖5c）及無風（圖5b）時車輛以60 km/h 速度行駛的隧道橫斷面風速分布圖，風速2 m/s 逆風與順風是自然風對行車通風的兩個極值。對比圖5a 與圖5b 可知，順風向自然風與交通風相互作用顯著提高了隧道風速，其風速略大于交通風與自然風的線性疊加，這是由于自然風主要以縱向為主，交通風存在局部橫向，自然風的引入使得局部橫向交通風向縱向轉變，降低了湍流強度，從而使得兩者綜合速度略大于兩者線性疊加。對比圖5c 與圖5b 可知，逆風向自然風對交通風抑制作用明顯，兩者相互作用后的風速小于兩者的線性相減，這是由于自然風與交通風對流增強了湍流強度，導致能量消耗，從而降低了綜合風速。因此，當自然風與行車方向相反時，需要采用其他方式進行通風，才能達到CO 和煙霧稀釋以及通風換氣的目的。

圖5 自然風與交通風相互作用橫斷面風速分布圖

此外，針對自然風風速和風向與行車速度多因素綜合影響隧道通風進行了數值計算。圖6 所示為交通量為1000 pcu/h 工況下不同行車速度隧道風速與自然風速關系圖，自然風風速為負表示風向與行車方向相反，自然風風速為正表示兩者同向。由圖可知，自然風風向與行車方向相反對隧道風速的抑制作用明顯大于兩者同向時對隧道風速增加的幅度，并且抑制作用隨逆向自然風風速增加而增強。此外，逆向自然風對隧道風速的抑制作用隨行車速度的增大而增強。

圖6 隧道風速與自然風速關系圖

3 結語

本文利用FLUENT 商用軟件，采用k-ε 雙方程湍流模型對自然風與交通風在隧道內通風特征進行了數值計算，分析了行車速度，交通量，自然風風速與風向對隧道通風影響規(guī)律，其結論如下：

1）由車輛行駛產生的交通風風速隨著行車速度的增大而增加，這一增加趨勢隨行車速度增大而減小。當車速大于40 km/s 時，僅靠交通風可實現隧道通風換氣目的。

2）隧道交通量對隧道通風存在影響，交通風風速隨交通量增加而增大，但隨著行車速度增大，交通風風速增加量降低。

3）自然風風速與風向對隧道通風的影響明顯，自然風與交通風的綜合風速不是簡單的線性疊加，其改變了空氣流動的湍流強度。當自然風風向與車輛行駛方向相同時，其顯著提高隧道風速，當兩者相反時則起明顯的抑制作用。