縱向通風(fēng)方式下狹長空間內(nèi)車輛啟動氣流組織特性研究

李奇 LI Qi；崔永龍 CUI Yong-long；魏帥舉 WEI Shuai-ju；李坤 LI Kun

（中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院，上海 200011）

0 引言

在狹長空間內(nèi)，由于存在縱橫比大、橫截面小的特點(diǎn)，空間內(nèi)氣流組織難以直接排出[1]。當(dāng)在空間內(nèi)排布多臺車輛，啟動備車時會產(chǎn)生大量有害煙氣，污染整個空間的氣體環(huán)境，如果沒有采取合理有效的通風(fēng)方式，則會在狹長空間內(nèi)形成較差的空氣狀況，影響空間內(nèi)活動人員和車輛駕駛?cè)藛T的運(yùn)行操作，長時間則會危害各人員健康安全，送風(fēng)、排風(fēng)的通風(fēng)設(shè)計是有效抑制煙氣危險，為人員營造良好空氣環(huán)境的重要手段[2]。狹長空間的常見通風(fēng)形式，包括縱向通風(fēng)、橫向通風(fēng)、送風(fēng)型半橫向通風(fēng)、排風(fēng)型半橫向通風(fēng)，其中，縱向通風(fēng)由于建設(shè)費(fèi)用以及運(yùn)行費(fèi)用少、通風(fēng)開口易布置等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為公路隧道或鐵路隧道等狹長空間內(nèi)常見的通風(fēng)形式，此類通風(fēng)形式的示意圖如圖1 所示[3]。狹長空間內(nèi)，縱向通風(fēng)是通過所設(shè)置的通風(fēng)設(shè)備使氣流沿空間縱向方向流動，所產(chǎn)生的氣流運(yùn)動形式較為簡單，其他較為復(fù)雜的通風(fēng)方式可以在縱向通風(fēng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行組合變化，由此可見，縱向通風(fēng)方式的研究是狹長空間內(nèi)各類通風(fēng)方式研究的基礎(chǔ)，研究縱向通風(fēng)所產(chǎn)生的基本氣流規(guī)律，分析不同縱向通風(fēng)方式對污染物擴(kuò)散的抑制作用和空間內(nèi)空氣質(zhì)量的改善效果具有重要意義，可以為其余復(fù)雜通風(fēng)方式氣流組織研究提供技術(shù)支持，為狹長空間內(nèi)通風(fēng)方案優(yōu)化提供設(shè)計參考。本文基于狹長空間通風(fēng)設(shè)計理論，主要針對縱向通風(fēng)模式，模擬仿真了三種不同縱向通風(fēng)方式下狹長空間內(nèi)車輛備車時氣體環(huán)境變化，分析此類通風(fēng)方式下狹長空間內(nèi)氣流組織和污染物濃度分布規(guī)律，為狹長空間內(nèi)通風(fēng)方案設(shè)計提供參考。

圖1 狹長空間縱向通風(fēng)形式示意圖

1 氣流組織仿真方案

1.1 狹長空間縱向通風(fēng)方案的確定

綜合比選了各常見通風(fēng)形式，并結(jié)合計算狹長空間內(nèi)需風(fēng)量、實(shí)際工程條件與各方案的特點(diǎn)，提出三種基于縱向通風(fēng)方式的狹長空間通風(fēng)設(shè)計方案，三種通風(fēng)方案的詳細(xì)設(shè)計信息見表1。通風(fēng)口設(shè)置差異，方案1 中、尾部區(qū)域的送、排風(fēng)口均設(shè)置在狹長空間的頂部，而方案2 中、尾部區(qū)域的送、排風(fēng)口則設(shè)置在狹長空間的左右壁面；自然補(bǔ)風(fēng)的差異，方案3 補(bǔ)風(fēng)口設(shè)置在首部區(qū)域，而方案2 則設(shè)置在狹長空間的尾部區(qū)域。三種通風(fēng)方案模擬仿真模型以及送排風(fēng)口示意圖如圖2～圖4 所示。

表1 三種通風(fēng)方案的詳細(xì)信息

圖2 通風(fēng)方案1 模型與送排風(fēng)口示意圖

圖3 通風(fēng)方案2 模型與送排風(fēng)口示意圖

圖4 通風(fēng)方案3 模型與送排風(fēng)口示意圖

1.2 評價指標(biāo)的確定

狹長空間內(nèi)通風(fēng)量需保證通行人員能承受的煙氣污染量和有害氣體衛(wèi)生極限。對于有害氣體衛(wèi)生極限，由于所排放煙氣的各有害污染物成分中，一氧化碳（CO）含量與其濃度限值之比最高，認(rèn)為CO 危害最大，因此選用CO濃度作為評價指標(biāo)。對于人員所能承受的煙氣污染量選取煙氣濃度作為評價指標(biāo)。

在不同的氣流組織下，污染物在狹長空間內(nèi)會表現(xiàn)出不同的縱向、橫向、高度方向的分布。由于設(shè)計通風(fēng)系統(tǒng)的目的為保障人員呼吸的安全，因此在高度方向上主要考慮地面人員呼吸高度（1.5m 高）、駕駛員呼吸高度（2.15m 高）的污染物濃度分布。

在分析污染物濃度的橫向分布時，考慮到狹長空間內(nèi)的車輛啟動時會產(chǎn)生向右的高速煙氣射流，導(dǎo)致右側(cè)的污染物濃度明顯高于左側(cè)。因此，將車輛左側(cè)區(qū)域（1.5m 高）劃為地面人員活動區(qū)（左側(cè)人行區(qū)），車輛備車狀態(tài)時建議地面人員在車輛左側(cè)區(qū)域活動。在對比各通風(fēng)設(shè)計方案的污染物濃度大小時，主要考慮車輛左側(cè)人行區(qū)（1.5m 高）、車輛右側(cè)排煙區(qū)（1.5m 高）、車輛駕駛員呼吸區(qū)（2.15m 高）的污染物濃度。亦可分析污染物濃度的左、右分布不均勻性，認(rèn)為左、右側(cè)污染物濃度差異較大（右側(cè)高于左側(cè)）的通風(fēng)設(shè)計方案更好。

在分析污染物濃度的縱向分布時，可以根據(jù)各排車輛的位置劃分出若干區(qū)域，計算各區(qū)域內(nèi)的局部污染物平均濃度，進(jìn)行對比。

2 結(jié)果與分析

2.1 狹長空間內(nèi)縱向通風(fēng)所產(chǎn)生的氣流特性

對于方案1 和方案2，由于縱向通風(fēng)的特點(diǎn)，在送風(fēng)氣流的影響下，狹長空間內(nèi)車輛啟動時產(chǎn)生的煙氣向首部區(qū)域方向流動，導(dǎo)致首部區(qū)域污染物濃度較高。當(dāng)首部1～3#車輛備車時，由于逆空氣流向，所以基本不會存在向尾部流動的煙氣，因此從圖5～圖6 中可以看出此工況下尾部車輛附近的污染物濃度基本為0。

圖5 各通風(fēng)方案下各人行區(qū)呼吸高度、排煙區(qū)及車輛駕駛員呼吸區(qū)局部CO 平均濃度

圖6 各通風(fēng)方案下各人行區(qū)呼吸高度、排煙區(qū)及車輛駕駛員呼吸區(qū)局部煙氣平均濃度

方案1 中、尾部區(qū)域的送、排風(fēng)口均設(shè)置在狹長空間的頂部，而方案2 中、尾部區(qū)域的送、排風(fēng)口則設(shè)置在狹長空間的左右壁面；針對自然補(bǔ)風(fēng)，方案3 補(bǔ)風(fēng)口設(shè)置在首部區(qū)域，而方案2 則設(shè)置在狹長空間的尾部區(qū)域，從圖5～圖6 中進(jìn)行初步分析可以發(fā)現(xiàn)，縱向通風(fēng)方式和自然補(bǔ)風(fēng)方式的差異使得方案2 的通風(fēng)設(shè)計優(yōu)于方案1 和3，在各種工況下可以獲得最佳效果，人員活動區(qū)和車輛駕駛員區(qū)可以保持最小的污染物濃度。

2.2 不同縱向通風(fēng)方式對狹長空間內(nèi)氣流組織特性的影響

在2.1 節(jié)中展示了不同通風(fēng)方式下局部CO 平均濃度和煙氣平均濃度分布情況，分析了CO 和煙氣兩者濃度的分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)其趨勢基本保持一致，故本節(jié)主要針對不同工況下CO 平均濃度的分布情況，分析方案1、方案2 兩種不同縱向通風(fēng)方式下氣流組織特性。將方案1、2 兩種通風(fēng)設(shè)計方案下的各左側(cè)人行區(qū)（呼吸高度h=1.5m）、右側(cè)排煙區(qū)（1.5m 高）、各車輛駕駛員呼吸區(qū)（2.15m 高）的局部CO 平均濃度分布情況依次通過圖7 至圖9 進(jìn)行展現(xiàn)，后續(xù)將會分別分析1～3#車輛備車、4～6#車輛備車、6～8#車輛備車三種備車工況下氣流組織特性。

圖7 方案1 和2 各工況下各人行區(qū)呼吸高度局部CO 平均濃度

圖8 方案1 和2 各工況下各排煙區(qū)局部CO 平均濃度

圖9 方案1 和2 各工況下各車輛駕駛員呼吸區(qū)局部CO 平均濃度

對于方案1 和方案2，由于縱向通風(fēng)的特點(diǎn)，尾部區(qū)域產(chǎn)生的煙氣隨送風(fēng)氣流向首部區(qū)域方向流動，導(dǎo)致首部區(qū)域污染物濃度較高。

從圖7～圖9 中可以看出，當(dāng)處于備車工況1 即首部區(qū)域1～3#車輛備車時，對于方案1，由于排風(fēng)口均設(shè)在頂部，帶動從尾部區(qū)域流向首部區(qū)域的氣流較早地向高處排風(fēng)口位置流動，減少了煙氣向狹長空間首部區(qū)域的蔓延，因此首部的污染物濃度較低；同時因?yàn)榕棚L(fēng)口均設(shè)在頂部，煙氣射流沖擊右側(cè)壁面后在排風(fēng)氣流的帶動下向左側(cè)蔓延，造成左側(cè)2#車輛附近的污染物濃度高于方案2?？紤]到實(shí)際運(yùn)行中車輛位置變動等因素，將1～3#車輛的人員呼吸區(qū)綜合考慮，認(rèn)為方案2 在備車工況1 下的表現(xiàn)略優(yōu)于方案1。

當(dāng)中部區(qū)域車輛備車時，首部區(qū)域車輛已經(jīng)駛離，因此優(yōu)先考慮靠近尾部區(qū)域的人員活動區(qū)；同理，備車工況2 即尾部區(qū)域車輛備車時亦優(yōu)先考慮靠近尾部的人員活動區(qū)。因此，對于備車工況2～3，從圖中可以看出，尾部區(qū)域方案2 的污染物濃度普遍低于方案1，污染物在縱向通風(fēng)的作用下向首部區(qū)域流動，壁面開口進(jìn)行送排風(fēng)的通風(fēng)方式可以更有效率地幫助煙氣流動，首部區(qū)域的污染物濃度會普遍高于頂部開口通風(fēng)的方案1，使得尾部區(qū)域可以獲得更加良好的空氣狀況，因此得出方案2 的通風(fēng)效果更佳。

2.3 不同自然補(bǔ)風(fēng)方式對狹長空間內(nèi)氣流組織特性的影響

針對方案2、3 采取相同的送排風(fēng)布局，形成類似的縱向通風(fēng)條件，但改變了兩個方案的補(bǔ)風(fēng)設(shè)置，以此來分析不同補(bǔ)風(fēng)方式對狹長空間內(nèi)氣流組織特性的影響。從分布圖10、圖11 看出，對于方案2 和3，送風(fēng)氣流在尾部區(qū)域流向首部區(qū)域的過程中變得較為均勻，對于煙氣射流的直接排除起到了導(dǎo)流作用，減少了煙氣的擴(kuò)散；狹長空間內(nèi)靠近首部的頂部排風(fēng)氣流帶動部分煙氣向首部方向流動，并蔓延至車輛左側(cè)的人員活動區(qū)。

圖10 通風(fēng)方案2 首部三臺備車時氣流組織與污染物濃度分布圖

圖11 通風(fēng)方案3 首部三臺備車時氣流組織與污染物濃度分布圖

方案3 與方案2 相比，首部區(qū)域開啟的兩側(cè)的門補(bǔ)風(fēng)氣流加劇了煙氣從首部區(qū)域往車輛左側(cè)人員活動區(qū)的蔓延，導(dǎo)致人行區(qū)、車輛駕駛員呼吸區(qū)的污染物濃度更高。所以按照方案2 將補(bǔ)風(fēng)口設(shè)置在狹長空間的尾部區(qū)域，在整個通風(fēng)過程中可以獲得更加良好的氣流狀況。

3 結(jié)論

通過對基于縱向通風(fēng)方式的三種通風(fēng)設(shè)計方案下狹長空間內(nèi)車輛啟動時氣流組織模擬仿真結(jié)果進(jìn)行對比和分析可以得出以下結(jié)論。

①由于縱向通風(fēng)的特點(diǎn)，在送風(fēng)氣流的影響下，狹長空間內(nèi)車輛啟動時產(chǎn)生的煙氣向首部區(qū)域方向流動，導(dǎo)致首部區(qū)域污染物濃度較高，且送風(fēng)氣流在尾部區(qū)域流向首部區(qū)域的過程中變得較為均勻，對于煙氣射流的直接排除起到了導(dǎo)流作用，減少了煙氣的擴(kuò)散。

②不同備車工況下相比于方案1，方案2 的壁面開口進(jìn)行送排風(fēng)的通風(fēng)方式可以更有效率地幫助煙氣流動，以獲得更加良好的空氣狀況，方案1 則會形成不穩(wěn)定氣流，造成部分煙氣向左側(cè)人員活動區(qū)或者車輛駕駛區(qū)蔓延，因此相比之下方案2 可以形成更加良好的氣流組織形式。

③方案3 與方案2 相比，首部區(qū)域開啟的兩側(cè)的門補(bǔ)風(fēng)氣流加劇了煙氣從首部區(qū)域往車輛左側(cè)人員活動區(qū)的蔓延，導(dǎo)致人行區(qū)、車輛駕駛員呼吸區(qū)的污染物濃度更高。所以按照方案2 將補(bǔ)風(fēng)口設(shè)置在狹長空間的尾部區(qū)域，在整個通風(fēng)過程中可以獲得更加良好的氣流狀況。