排風(fēng)口布置對(duì)地下環(huán)路半橫向通風(fēng)影響研究

虞 宙 ,李積廣 ,梁 印

(1.蘇交科集團(tuán)股份有限公司,南京 210019;2.中建信和地產(chǎn)有限公司,長(zhǎng)沙 410000)

隨著城市化進(jìn)程逐漸加快,為緩解地上建筑愈加密集的現(xiàn)象,將城市地下空間作為一種城市資源進(jìn)行合理開(kāi)發(fā)利用[1]成為我國(guó)城市建設(shè)的趨勢(shì)。其中地下環(huán)路作為聯(lián)系地下車(chē)庫(kù)與地上道路的紐帶[2],常被稱(chēng)為“地下交通聯(lián)系隧道”,地下環(huán)路一般位于城市人口相對(duì)密集區(qū)域且空間相對(duì)封閉,同時(shí)具有與隧道相異的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),主要表現(xiàn)為斷面高度較低、寬度較大,出入口及車(chē)道數(shù)較多且車(chē)流量大、車(chē)速普遍較慢等特點(diǎn)[3]。當(dāng)車(chē)輛在地下環(huán)路內(nèi)低速通行時(shí),其排放的CO、NOx以及顆粒物等污染物[4]易發(fā)生積聚,須開(kāi)啟地下環(huán)路內(nèi)通風(fēng)系統(tǒng)以降低污染物濃度。目前常用縱向和橫向兩種通風(fēng)方式,橫向通風(fēng)包含半橫向通風(fēng)和全橫向通風(fēng)[5-6]。縱向通風(fēng)方式在隧道內(nèi)應(yīng)用較為廣泛[7],但縱向通風(fēng)需要在頂部設(shè)置射流風(fēng)機(jī),而地下環(huán)路因其斷面高度較低,若采用縱向通風(fēng)方式會(huì)存在射流風(fēng)機(jī)安裝空間不足的問(wèn)題。當(dāng)采用全橫向通風(fēng)方式時(shí)須在地下環(huán)路內(nèi)設(shè)置送風(fēng)口和排風(fēng)口,環(huán)路內(nèi)通風(fēng)橫向氣流和機(jī)動(dòng)車(chē)活塞風(fēng)縱向氣流相互交叉,在環(huán)路內(nèi)形成的氣流相對(duì)紊亂,且須建立送風(fēng)道和排風(fēng)道,造價(jià)較高。當(dāng)采用半橫向通風(fēng)方式時(shí),僅設(shè)置送風(fēng)口或排風(fēng)口,且氣體均沿車(chē)流方向縱向流動(dòng)后排出。將半橫向通風(fēng)方式用于地下環(huán)路時(shí)可在有效稀釋污染物、提高內(nèi)部環(huán)境質(zhì)量的同時(shí)避免全橫向通風(fēng)中氣流流動(dòng)紊亂的問(wèn)題,也可解決在地下環(huán)路中風(fēng)機(jī)安裝空間不足的弊端。

目前國(guó)外大多采用全橫向或半橫向通風(fēng)方式,而國(guó)內(nèi)仍以縱向通風(fēng)方式為主[7]。潘潔[2]針對(duì)不同斷面結(jié)構(gòu)的地下聯(lián)系隧道提出通風(fēng)方式的選擇方案;李奕杉[3]針對(duì)重慶八一地下聯(lián)系隧道研究了開(kāi)啟不同區(qū)段通風(fēng)系統(tǒng)時(shí)對(duì)全橫向通風(fēng)效果的影響;任銳等[8]通過(guò)CFD(計(jì)算流體動(dòng)力學(xué))數(shù)值模擬方法針對(duì)排風(fēng)口高度的不同對(duì)隧道內(nèi)負(fù)壓分布區(qū)域以及污染物濃度稀釋效果的影響進(jìn)行研究,提出采用半橫向通風(fēng)時(shí)排風(fēng)口布置高度不宜過(guò)低的結(jié)論;劉宏[9]結(jié)合數(shù)值模擬與模型試驗(yàn)研究大型地下互通式岔口處氣流流動(dòng)規(guī)律,得出岔口處不同分叉角度下氣流流動(dòng)特點(diǎn)與相應(yīng)的局部阻力系數(shù);錢(qián)曉彬等[10]利用數(shù)值模擬分析了采用“頂部開(kāi)口自然通風(fēng)+半橫向集中式機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)”對(duì)武漢CBD(中央商務(wù)區(qū))地下交通環(huán)廊不同火災(zāi)場(chǎng)景下通風(fēng)排煙效果的影響,結(jié)果表明該組合式通風(fēng)方式可以較好控制環(huán)路內(nèi)煙氣流動(dòng);施孝增[11]對(duì)前人研究成果進(jìn)行歸納分析,提出地下車(chē)庫(kù)聯(lián)絡(luò)道中采用半橫向通風(fēng)方式不僅可以達(dá)到通風(fēng)要求,還能節(jié)約投資成本。相關(guān)研究成果表明半橫向通風(fēng)可作為地下環(huán)路的通風(fēng)方式。本項(xiàng)目對(duì)地下環(huán)路半橫向通風(fēng)方式進(jìn)行研究,從而達(dá)到提高通風(fēng)效率的目的。

由于地下環(huán)路連接著地下車(chē)庫(kù)和地上道路,其匝道出入口較多,在匝道與主環(huán)路交叉段氣流變化復(fù)雜,排風(fēng)口開(kāi)啟位置必然影響環(huán)路內(nèi)流場(chǎng)分布以及通風(fēng)效果,在排風(fēng)機(jī)開(kāi)啟數(shù)量以及風(fēng)速均相同的情況下,在有效位置布置排風(fēng)口更利于環(huán)路內(nèi)污染物的排出,這不僅改善了通風(fēng)效果,也使運(yùn)營(yíng)更為節(jié)能。本項(xiàng)目基于蘇州某地下環(huán)路建立模型,研究帶匝道的環(huán)路段排風(fēng)口開(kāi)啟位置對(duì)通風(fēng)效果的影響。

1 模型建立

基于蘇州某地下環(huán)路結(jié)構(gòu)及通風(fēng)系統(tǒng)參數(shù),采用ICEM 網(wǎng)格劃分軟件建立物理模型,并利用FLUENT 軟件進(jìn)行數(shù)值模擬。由于環(huán)路較大,對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化,僅建立帶匝道段的地下環(huán)路模型。匝道段物理模型如圖1 所示,模型中主環(huán)路長(zhǎng)度為200 m,寬度為9 m,匝道寬度為6.5 m,高度均為4.5 m,主環(huán)路內(nèi)放置兩列污染物釋放源,模型中以1 m×1 m×1 m 的六面體方塊代替,釋放源中心距為10 m,橫向中心距為3 m,排風(fēng)口位于環(huán)路一側(cè)側(cè)壁上,排風(fēng)口下沿距環(huán)路底部為3.5 m,尺寸為2 m×0.5 m,中心距為10 m,排風(fēng)風(fēng)速為4 m/s。為更準(zhǔn)確模擬污染物從排風(fēng)口排出的效果,該模型在每個(gè)排風(fēng)口處建立一個(gè)小立方體用于收集污染物,以代替污染物排出。

模擬中環(huán)路入口采用速度入口邊界,風(fēng)速為2 m/s,湍流強(qiáng)度為2.9%,當(dāng)量直徑為6 m,主環(huán)路和匝道出口均采用outflow(自由出流)。污染物釋放源釋放面采用速度邊界,速度為0.36 m/s,CO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.000 5 且釋放溫度為360 K,湍流強(qiáng)度為5%,當(dāng)量直徑為1.0 m。排風(fēng)口采用速度邊界,風(fēng)速為4 m/s,湍流強(qiáng)度為3.4%,當(dāng)量直徑為0.8 m。環(huán)路壁面及污染物釋放源壁面均采用non-slip wall(無(wú)滑移壁面)。工況設(shè)置如表1 所示。

表1 工況設(shè)置

標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程模型因其使用范圍廣、精度合理等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于隧道通風(fēng)模擬中[12],且對(duì)比實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果后,標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型可較好模擬隧道內(nèi)流體流動(dòng)[13],因此采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程模型進(jìn)行模擬,其控制方程[14]如下。

標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程為

其中湍流速度μt為

式中,k為湍動(dòng)能;ε為耗散率;ρ為流體密度;μ為動(dòng)力黏度;Gk為由于平均速度梯度引起k的產(chǎn)生項(xiàng);Gb為由于浮力引起k的產(chǎn)生項(xiàng);YM為可壓縮湍流中的脈動(dòng)擴(kuò)張;C1ε、C2ε和C3ε均為模型常數(shù),Cμ=0.09、σk=1.0、σε=1.3。

2 分析與討論

2.1 速度場(chǎng)分布

環(huán)路內(nèi)斷面平均風(fēng)速縱向變化如圖2 所示。由圖2 可知,在經(jīng)過(guò)匝道時(shí)由于氣體的分流作用,主環(huán)路氣體流量減小,4 種工況下氣流速度均出現(xiàn)驟減現(xiàn)象。當(dāng)排風(fēng)口部分開(kāi)啟時(shí),在開(kāi)啟部位由于環(huán)路內(nèi)部分氣體被排出,速度出現(xiàn)減小的現(xiàn)象,但由于排風(fēng)口開(kāi)啟數(shù)量不變、排風(fēng)口風(fēng)速不變,因此在出口處風(fēng)速不變,均小于排風(fēng)口關(guān)閉時(shí)風(fēng)速,且風(fēng)速越小,環(huán)路內(nèi)通風(fēng)效果越差。

由于機(jī)動(dòng)車(chē)高度一般在1.3～1.6 m,車(chē)內(nèi)人員頭部距地面高度在1.2 m 左右[15],綜合考慮取特征高度1.2 m 和排風(fēng)口中心高度3.75 m 處進(jìn)行風(fēng)速流場(chǎng)分布分析。1.2 m 高度處環(huán)路內(nèi)風(fēng)速縱向分布云圖如圖3 所示,3.75 m 高度處環(huán)路內(nèi)風(fēng)速縱向分布云圖如圖4 所示,可更直觀分析對(duì)于帶匝道的環(huán)路段開(kāi)啟不同位置排風(fēng)口時(shí)對(duì)環(huán)路內(nèi)風(fēng)速流場(chǎng)分布的影響情況。

當(dāng)不開(kāi)啟排風(fēng)口(可認(rèn)為采用縱向通風(fēng)方式)時(shí),匝道前方的環(huán)路內(nèi)風(fēng)速處于較高水平,當(dāng)氣流經(jīng)過(guò)匝道時(shí)大量氣體流入匝道,氣流速度場(chǎng)在匝道前后形成明顯對(duì)比。由于匝道前方氣流量較大,可對(duì)污染物進(jìn)行稀釋,降低污染物濃度。在匝道后方采取機(jī)械通風(fēng)措施,即開(kāi)啟排風(fēng)口,當(dāng)開(kāi)啟匝道前方或匝道附近排風(fēng)口時(shí),主環(huán)路與匝道分流點(diǎn)后方易出現(xiàn)低速區(qū),該區(qū)域易形成污染物積聚區(qū);當(dāng)開(kāi)啟分流點(diǎn)后方排風(fēng)口時(shí),該低速區(qū)消失,可有效改善污染物局部積聚現(xiàn)象。

2.2 CO 濃度分布

環(huán)路內(nèi)斷面CO 濃度縱向變化如圖5 所示。由圖5 可知,在主環(huán)路與匝道分流點(diǎn)后方的環(huán)路內(nèi),CO 濃度出現(xiàn)小幅度上升之后又小幅度降低,再沿著環(huán)路逐漸升高,這是由于大量氣體從匝道流出環(huán)路,導(dǎo)致環(huán)路后方出現(xiàn)氣體斷流,降低氣體流動(dòng)性,使CO 濃度升高。當(dāng)采用縱向通風(fēng)方式(排風(fēng)口均關(guān)閉的通風(fēng)方式)時(shí),雖然CO 并未從環(huán)路中排出,但環(huán)路入口的集中送風(fēng)可稀釋CO 濃度,使環(huán)路內(nèi)CO 濃度整體水平位于4 個(gè)工況中最低值。開(kāi)啟不同位置排風(fēng)口:當(dāng)開(kāi)啟匝道前方或附近排風(fēng)口,CO 濃度均高于排風(fēng)口均關(guān)閉或開(kāi)啟匝道后方排風(fēng)口時(shí)的濃度值;排風(fēng)口均關(guān)閉或開(kāi)啟匝道后方排風(fēng)口時(shí),二者在環(huán)路后半段CO 濃度值變化曲線(xiàn)基本相同,因此在環(huán)路不具備縱向通風(fēng)條件時(shí)可通過(guò)開(kāi)啟匝道后方排風(fēng)口來(lái)提高通風(fēng)效率。

1.2m 高度處環(huán)路內(nèi)CO 濃度縱向分布云圖如圖6 所示,3.75 m 高度處環(huán)路內(nèi)CO 濃度縱向分布云圖如圖7 所示,可更直觀分析對(duì)于帶匝道的環(huán)路段開(kāi)啟不同位置排風(fēng)口時(shí)對(duì)環(huán)路內(nèi)CO 濃度場(chǎng)分布的影響情況。

匝道前方CO 濃度值云圖差異性不大,當(dāng)氣體經(jīng)過(guò)匝道后CO 濃度值云圖差異性逐漸顯現(xiàn),主要表現(xiàn)為:當(dāng)開(kāi)啟匝道前方或附近位置的排風(fēng)口時(shí),CO 濃度在距入口段115～120 m 開(kāi)始出現(xiàn)明顯增加的現(xiàn)象,且在匝道拐角處出現(xiàn)污染物聚集現(xiàn)象,該現(xiàn)象在開(kāi)啟匝道前方排風(fēng)口時(shí)較為明顯;當(dāng)排風(fēng)口全閉或開(kāi)啟匝道后方排風(fēng)口時(shí),CO 濃度在距入口段140 m 附近開(kāi)始出現(xiàn)明顯增加現(xiàn)象,且匝道拐角處污染物聚集現(xiàn)象消失。因此在不具備縱向通風(fēng)條件下,考慮耗能相同,可開(kāi)啟匝道后方排風(fēng)口進(jìn)行通風(fēng)以提高通風(fēng)效果并降低環(huán)路內(nèi)污染物濃度。

為驗(yàn)證排風(fēng)口開(kāi)啟位置對(duì)環(huán)路通風(fēng)效率的影響,環(huán)路內(nèi)CO 濃度值如表2 所示,并將其與環(huán)路內(nèi)不設(shè)置通風(fēng)系統(tǒng)時(shí)CO 濃度值進(jìn)行對(duì)比。通過(guò)FLUENT 數(shù)值模擬軟件計(jì)算得出,在不開(kāi)啟通風(fēng)系統(tǒng)即隧道入口無(wú)縱向通風(fēng)且排風(fēng)口均關(guān)閉時(shí),環(huán)路出口處CO 濃度值為149.37 ×10-6kg/kg。

表2 環(huán)路內(nèi)CO 濃度值

其中

由表2 可知,采用縱向通風(fēng)(即排風(fēng)口全部關(guān)閉)并開(kāi)啟匝道后方的排風(fēng)口時(shí),出口處CO 濃度降低40%以上,明顯高于開(kāi)啟匝道前方及匝道分流點(diǎn)處排風(fēng)口的CO 濃度值減小率,因此在地下環(huán)路不滿(mǎn)足縱向通風(fēng)條件時(shí),開(kāi)啟匝道后方的排風(fēng)口可使通風(fēng)效果達(dá)到最好。由于通風(fēng)效率不僅受排風(fēng)口開(kāi)啟位置的影響,還與排風(fēng)口尺寸、排風(fēng)機(jī)數(shù)量以及風(fēng)速等因素有關(guān),后續(xù)可開(kāi)展相關(guān)研究以提高通風(fēng)效率。

3 結(jié)論

采用ICEM 網(wǎng)格劃分軟件和FLUENT 數(shù)值模擬軟件分別建立帶匝道的地下環(huán)路段并進(jìn)行數(shù)值模擬,分析開(kāi)啟不同位置排風(fēng)口時(shí)環(huán)路內(nèi)速度場(chǎng)以及CO 濃度場(chǎng)的變化。研究結(jié)果表明,當(dāng)開(kāi)啟匝道前方或匝道附近排風(fēng)口時(shí),主環(huán)路與匝道后方易出現(xiàn)低速區(qū),該區(qū)域易形成污染物積聚現(xiàn)象,且CO 濃度在距入口段115～ 120 m 開(kāi)始出現(xiàn)明顯增加現(xiàn)象。當(dāng)開(kāi)啟分流點(diǎn)后方排風(fēng)口時(shí),該低速區(qū)消失,有效改善污染物局部積聚的現(xiàn)象且CO 濃度在距入口段140 m 附近開(kāi)始出現(xiàn)明顯增加現(xiàn)象,在環(huán)路出口處其CO 濃度減小率均大于開(kāi)啟分流點(diǎn)前方或分流點(diǎn)處排風(fēng)口時(shí)的CO 濃度減小率,表明此時(shí)通風(fēng)效率最高。因此在考慮耗能相同的情況下,匝道前方污染物通過(guò)匝道出口排出并開(kāi)啟匝道后方排風(fēng)口進(jìn)行通風(fēng),可提高通風(fēng)效果,從而降低環(huán)路內(nèi)污染物濃度。