尚延剛 余謹(jǐn)涵

(武漢地產(chǎn)集團(tuán)，湖北武漢 430024)

1 概述

城市隧道頂部開口型自然通風(fēng)方式是指沿隧道前進(jìn)方向的頂部間隔一定距離布置通風(fēng)口與外界大氣連通，充分利用隧道內(nèi)、外熱壓、自然風(fēng)壓和車輛行駛時的交通風(fēng)壓等動力進(jìn)行隧道內(nèi)、外空氣交流的一種通風(fēng)方式［1］。隧道頂部自然通風(fēng)口吸進(jìn)的新鮮空氣能夠稀釋隧道內(nèi)污染空氣達(dá)到降低污染空氣濃度的目的，通風(fēng)口排出的污染空氣能夠降低隧道內(nèi)污染空氣中的污染物總量從而達(dá)到分流空氣中污染物的目的，因此對于開設(shè)頂部開口的城市隧道，無論自然通風(fēng)口是處于進(jìn)風(fēng)還是排風(fēng)狀態(tài)，其對隧道到通風(fēng)系統(tǒng)產(chǎn)生的作用都認(rèn)為是有利的。城市公路隧道相對于山嶺公路隧道而言，通常埋深都較淺，覆土較薄，在不影響路面交通情況和地面建筑的情況前提下，有利于設(shè)置自然通風(fēng)口，設(shè)置自然通風(fēng)口不需要消耗電能，利用天然的壓差進(jìn)行通風(fēng)，具有十分顯著的經(jīng)濟(jì)效益［2］。顯而易見，頂部開口的面積越大，越有利于整個隧道系統(tǒng)的自然通風(fēng)，但是城市隧道對于占地要求相對較高，往往隧道沿線的綠化和景觀布置有一定的要求，限制條件較多，需要在有限的面積和約束之下對通風(fēng)口的大小、形狀以及間距等進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。目前在城市隧道的通風(fēng)系統(tǒng)中設(shè)置頂部通風(fēng)口已經(jīng)漸漸成為一種設(shè)計(jì)趨勢，然而對于通風(fēng)口的開口面積、開口形狀、通風(fēng)口間隔布置的區(qū)間長度等因素還沒有進(jìn)行過系統(tǒng)的研究，形成的結(jié)論對工程建設(shè)的指導(dǎo)意義不大［3］。本文旨在通過CFD數(shù)值計(jì)算手段，開展自然通風(fēng)機(jī)理與通風(fēng)口優(yōu)化研究，為武漢東湖通道口的自然通風(fēng)方式在城市道路隧道中的應(yīng)用提供支持。

2 計(jì)算工況

主要通過Fluent動網(wǎng)格技術(shù)模擬隧道內(nèi)行駛車輛引起的交通風(fēng)對自然通風(fēng)系統(tǒng)的作用機(jī)理，以及對自然通風(fēng)口進(jìn)、排風(fēng)的影響，通過自然通風(fēng)口處壓力和速度的變化評判自然通風(fēng)系統(tǒng)的效率，進(jìn)而優(yōu)化自然通風(fēng)口設(shè)計(jì)方案。這部分共分析計(jì)算了19種工況，工況表如表1所示，其中工況十五和工況十六為三維動網(wǎng)格數(shù)值模擬，其他工況為二維動網(wǎng)格數(shù)值模擬。自然通風(fēng)口優(yōu)化主要通過二維動網(wǎng)格數(shù)值模擬研究，以武漢市東湖通道右線自然通風(fēng)段為研究對象進(jìn)行分析計(jì)算，里程為DHTDK5+100～DHTDK6+500，模型長度1 400 m。由于計(jì)算時間限制，三維動網(wǎng)格數(shù)值模擬計(jì)算了長度為200 m的模型，重點(diǎn)分析了一組(3個)通風(fēng)口分布在小車和大車通過時的壓力和速度變化規(guī)律，對比分析了自然通風(fēng)機(jī)理。

表1 工況表

3 計(jì)算參數(shù)

本文主要以武漢市東湖通道右線自然通風(fēng)段為研究對象進(jìn)行分析計(jì)算，相關(guān)的分析結(jié)論也可供左線隧道參考。模型長度1 400 m(對應(yīng)隧道里程為DHTDK5+100～DHTDK6+500)。隧道內(nèi)交通風(fēng)由勻速行駛的車輛產(chǎn)生，車輛包括小型車和大型車。小型車尺寸:4.8 m×1.5 m(長 × 高)，大型車尺寸:8 m ×3.2 m(長 ×高)。

3.1 邊界條件

交通車流引起的隧道內(nèi)部的空氣流動屬于非定常流動，流場中的流動變化模擬需要在一定的初始條件下才能進(jìn)行描述，對于不同類型的問題，初始條件對數(shù)值計(jì)算的影響也是不同的。通常如果初始條件給定的不合理，所要計(jì)算的問題會隨著計(jì)算時間的推移慢慢偏離初始條件的影響，在非定常流動的數(shù)值計(jì)算中，不合理的初始條件極易造成數(shù)值計(jì)算結(jié)果的誤差甚至是造成數(shù)值解遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離理論解析解。通常對于非定常流動求解的一般思路是:先通過某個特定的方法得到一個大致解，形成一個近似的初始場，進(jìn)而以此初始場為初始條件，進(jìn)行迭代求解。邊界條件是在求解區(qū)域邊界上所要求解變量或者其一階導(dǎo)數(shù)所需要滿足的條件與約束。

隧道入口處的邊界條件包含:質(zhì)量入口、速度入口以及壓力入口等參數(shù)，質(zhì)量和速度等變量在隧道入口處都是一個變化的量，無法進(jìn)行合理的設(shè)置以及預(yù)測，在本次計(jì)算過程中，隧道入口暫定為壓力入口邊界條件(pressure-inlet)，采用隧道入口的壓力等于大氣壓力的初始條件;隧道出口:為了研究交通風(fēng)對隧道內(nèi)壓力和速度場的影響，出口設(shè)置為outflow用在求解流動問題之前，這種邊界條件用在流動速度和壓力細(xì)節(jié)未知的場合，適合于在出口上的流動為完全發(fā)展的情況;自然通風(fēng)口:設(shè)置為出口通風(fēng)邊界條件(outlet-vent)，環(huán)境(出口)的壓力為大氣壓。在數(shù)值計(jì)算中把汽車設(shè)置成具備一定粗糙度和移動速度的墻體，認(rèn)為汽車是一個能夠移動的剛性體，對于實(shí)際情況而言，這是合理的。

3.2 網(wǎng)格類型

影響網(wǎng)格類型選擇的主要因素包括:劃分網(wǎng)格的耗時，計(jì)算的時間代價，數(shù)值耗散的大小以及收斂速度等各種因素，尤其需要注意是否能夠滿足自然通風(fēng)模型所需要動網(wǎng)格方式要求。當(dāng)所計(jì)算的數(shù)值模型具有較為復(fù)雜的幾何外形的時候，采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格或者塊結(jié)構(gòu)網(wǎng)格要花費(fèi)極大的計(jì)算時間代價，有一些時候甚至根本無法得到合理的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。對于三角形網(wǎng)格和四面體網(wǎng)格，可以通過使用尺寸函數(shù)進(jìn)行局部加密網(wǎng)格，從而對網(wǎng)格數(shù)量進(jìn)行合理控制，然而，四邊形網(wǎng)格和六面體網(wǎng)格由于不能實(shí)現(xiàn)這個功能，會在不需要加密網(wǎng)格的地方產(chǎn)生大量不必要的單元，對網(wǎng)格數(shù)量的控制極為不利。

3.3 網(wǎng)格數(shù)量設(shè)計(jì)

數(shù)值耗散是在三維及多維條件下數(shù)值模擬計(jì)算的主要誤差來源，準(zhǔn)確的說，所有解決流體問題的計(jì)算格式都會產(chǎn)生耗散現(xiàn)象，數(shù)值耗散在誤差分析中屬于截?cái)嗾`差的一種，是控制方程的偏導(dǎo)數(shù)與離散估計(jì)值形成的差值。數(shù)值耗散最小的網(wǎng)格是結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，因?yàn)榭梢院土鲃釉谝粭l直線上，但是三角形網(wǎng)格和四面體網(wǎng)格和流動無法形成一條直線，因此相比于結(jié)構(gòu)網(wǎng)格而言數(shù)值耗散也較大。此外，網(wǎng)格的分辨率也會影響到數(shù)值耗散量的大小，兩者之間成反比關(guān)系。通常來說，對網(wǎng)格的精細(xì)化剖分是可以解決數(shù)值耗散的問題的，然后在流體的數(shù)值計(jì)算中，越復(fù)雜的網(wǎng)格對于計(jì)算機(jī)的要求越高，CPU計(jì)算的時間和資源要求越高，往往要花費(fèi)更大的代價進(jìn)行一次數(shù)值計(jì)算。綜上所述，在進(jìn)行CFD數(shù)值計(jì)算過程中，原則上在能夠滿足計(jì)算精度的前提和條件下，我們的網(wǎng)格精度越小，網(wǎng)格劃分越少，在數(shù)值計(jì)算中的計(jì)算效率越高，基于以上分析，在這次自然通風(fēng)的數(shù)值計(jì)算中，尤其需要注意的是車輛周圍區(qū)域和自然通風(fēng)口附近區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)劃分與流場變化。

3.4 二維與三維的計(jì)算關(guān)系

軸對稱的假設(shè)可以使空間坐標(biāo)從三個簡化為兩個，控制方程的形式和數(shù)目也會減少，對于計(jì)算代價的節(jié)省有顯著的優(yōu)點(diǎn)。隧道結(jié)構(gòu)本身屬于長條形、線性結(jié)構(gòu)，東湖隧道的橫斷面也是軸對稱結(jié)構(gòu)，可以看作是一個軸對稱的工程結(jié)構(gòu)體，因此在CFD計(jì)算中采用軸對稱的方法就可以采用二維計(jì)算模型從而使控制方程的形式和數(shù)目大為減化，加快此次計(jì)算的收斂速度。

在隧道自然通風(fēng)系統(tǒng)的數(shù)值模擬研究中，二維計(jì)算模型的計(jì)算周期較短，計(jì)算代價較小，但其計(jì)算合理性和準(zhǔn)確性需要通過三維計(jì)算進(jìn)行驗(yàn)證和修正。

3.5 通風(fēng)口風(fēng)量

每個風(fēng)口風(fēng)量通過下式計(jì)算:

其中，N為單個風(fēng)口總風(fēng)量;Vi為風(fēng)口出口處(h=10.1 m)各個點(diǎn)的速度，每隔0.1 m選取一個點(diǎn)。對于長度為4 m的通風(fēng)口，每個風(fēng)口共40個點(diǎn);對于長度為6 m的通風(fēng)口，每個風(fēng)口共60個點(diǎn);對于長度為8 m的通風(fēng)口，每個風(fēng)口共80個點(diǎn);b為各個選定速度點(diǎn)之間間距，取0.1 m;l為通風(fēng)口橫向?qū)挾?，?.85 m;α為二維計(jì)算結(jié)果折減系數(shù)，取為0.23，此時的二維風(fēng)量計(jì)算結(jié)果基本與三維計(jì)算的風(fēng)量結(jié)果一致。二維動網(wǎng)格模型對于風(fēng)口風(fēng)量的變化有加強(qiáng)效應(yīng)，風(fēng)量的絕對值根據(jù)三維動網(wǎng)格模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了修正，將結(jié)果折減系數(shù)取為0.23，此時，風(fēng)速基本能夠反映相同工況參數(shù)下三維模型的計(jì)算結(jié)果。

自然通風(fēng)系統(tǒng)局部通風(fēng)示意圖見圖1。

圖1 自然通風(fēng)系統(tǒng)局部通風(fēng)示意圖

4 結(jié)論與建議

基于對自然通風(fēng)機(jī)理的認(rèn)識及分析，對東湖隧道自然通風(fēng)口優(yōu)化設(shè)計(jì)有以下結(jié)論與建議，東湖通道自然通風(fēng)口設(shè)置參數(shù)建議取值如表2所示。

表2 東湖通道自然通風(fēng)口設(shè)置參數(shù)建議取值

1)在地面條件允許的情況下，建議增加每組通風(fēng)口的數(shù)量(5個～6個)，減小各組通風(fēng)口的間距。各組通風(fēng)口間距應(yīng)處于一定的范圍內(nèi)，不宜過大。目前江蘇省頒布的DGJ32/TJ 102-2010城市隧道豎井型自然通風(fēng)設(shè)計(jì)與驗(yàn)收規(guī)范［5］僅給出了通風(fēng)口間距上限，即不加輔助風(fēng)機(jī)時，豎井間距不得大于240 m，對于通風(fēng)口間距的下限(通風(fēng)口間距應(yīng)大于一定距離)并未作出明確的規(guī)定?，F(xiàn)有設(shè)計(jì)方案已經(jīng)符合《規(guī)范》對相鄰兩組通風(fēng)口間距的要求，建議在維持原有通風(fēng)口分組間距方案基礎(chǔ)上，通過調(diào)整通風(fēng)口長度、每組通風(fēng)口數(shù)量、相鄰?fù)L(fēng)口間距和通風(fēng)口形式以更有效的利用自然通風(fēng)口通風(fēng)換氣。

2)工況一、工況二和工況三對比分析了隧道內(nèi)行車車速對自然通風(fēng)的影響。工況二(車速為40 km/h)各組通風(fēng)口中峰值排風(fēng)量相對于工況一(車速為60 km/h)的峰值排風(fēng)量下降約30%。工況三(車速為20 km/h)各組通風(fēng)口中峰值排風(fēng)量相對于工況一(車速為60 km/h)的峰值排風(fēng)量下降約30%。因此，保證隧道的暢通運(yùn)營，以最大限度的發(fā)揮自然通風(fēng)口的作用。

3)工況一、工況四和工況五對比分析了車輛組成對自然通風(fēng)的影響，大型車對排風(fēng)效果的影響較為顯著。工況四(全為小車)各組通風(fēng)口中峰值排風(fēng)量相對于工況一(四輛大車和四輛小車)的峰值排風(fēng)量下降約30%。

4)工況五、工況六和工況七對比分析了通風(fēng)口長度(沿X軸)對自然通風(fēng)的影響。風(fēng)量計(jì)算時，通風(fēng)口寬度與設(shè)計(jì)方案一致，取為7.85 m。通風(fēng)口長度從4 m加長為6 m，使得峰值排風(fēng)量上升約50%。通風(fēng)口長度從4 m加長為8 m，使得峰值排風(fēng)量上升約1倍。通風(fēng)口的峰值排風(fēng)量與通風(fēng)口長度呈線性關(guān)系，建議在條件允許的情況下可以增大通風(fēng)口長度(6 m～8 m)，從而更好的利用自然通風(fēng)口進(jìn)行換氣。

5)工況五、工況八和工況九對比分析了每組通風(fēng)內(nèi)部相鄰?fù)L(fēng)口的間距對自然通風(fēng)效果的影響。研究結(jié)果表明，改變通風(fēng)口之間的間距(6 m變?yōu)? m或10 m)，保持通風(fēng)口長度不變，對自然通風(fēng)口的峰值排風(fēng)量的影響不明顯。因此，建議在不改變現(xiàn)有方案通風(fēng)口分組間距及布置位置的基礎(chǔ)上，通過減小通風(fēng)口間距(2 m～6 m)，增加通風(fēng)口長度或數(shù)量，以增大自然通風(fēng)口的峰值進(jìn)、排風(fēng)量。

6)工況十、工況十一和工況十二對比分析了分組設(shè)置通風(fēng)口時，每組中通風(fēng)口數(shù)量對自然通風(fēng)的影響。研究結(jié)果表明，增加每組中通風(fēng)口數(shù)量對風(fēng)口的進(jìn)、排風(fēng)效果并不能產(chǎn)生顯著影響。但是，由于風(fēng)口數(shù)量增加，總體進(jìn)、排風(fēng)效果增大，建議每組布置5個～6個通風(fēng)口。

7)工況五和工況十三對比分析了車道層高度變化對自然通風(fēng)的影響。研究結(jié)果表明，降低車道層高度，增大車輛斷面與隧道橫斷面比值，能夠增加通風(fēng)口進(jìn)、排風(fēng)量。此外，降低自然通風(fēng)口高度也有利于提高自然通風(fēng)口的換氣效率。在工程條件允許的基礎(chǔ)上，建議將隧道高度降為4.5 m。

8)工況五和工況十四對比分析了設(shè)置局部導(dǎo)流(45°切角)對自然通風(fēng)的影響。設(shè)置局部導(dǎo)流(45°切角)后，與其他參數(shù)相同的工況相比，各組通風(fēng)口中峰值排風(fēng)量上升約50%，其效果與加大通風(fēng)口長度相似。因此，建議在有條件增加通風(fēng)口長度的情況下，應(yīng)增加通風(fēng)口長度;當(dāng)由于場地限制無法增加通風(fēng)口長度時，也可以通過設(shè)置通風(fēng)口局部導(dǎo)流達(dá)到相似的效果;在增加通風(fēng)口長度的同時設(shè)置局部導(dǎo)流能夠進(jìn)一步加強(qiáng)自然通風(fēng)口換氣效果。

［1］葛家美.城市隧道頂部開孔自然通風(fēng)研究［D］.成都：西南交通大學(xué)，2010.

［2］胡春艷.市政公路隧道頂部開孔自然通風(fēng)研究［D］.成都：西南交通大學(xué)，2007.

［3］陳玉遠(yuǎn)，甘 甜.自然通風(fēng)在城市道路隧道中的應(yīng)用研究［J］.隧道建設(shè)，2012，32(3)：350-354.

［4］涂江峰.豎井型城市隧道火災(zāi)煙氣流動模擬分析［J］.潔凈與空調(diào)技術(shù)，2012，73(1)：1-3，13.

［5］DGJ32/TL 102-2010，城市隧道豎井型自然通風(fēng)設(shè)計(jì)與驗(yàn)收規(guī)范［S］.