摘 要：高速公路隧道中空間相對狹窄、閉塞，汽車產(chǎn)生的尾氣不能快速擴散。隨著空氣中一氧化碳（CO）量的增加，大量顆粒物也會使隧道空氣的能見度降低，造成安全隱患。因此隧道內(nèi)的通風除塵顯得尤為必要，文章將介紹集點排式通風系統(tǒng)的原理，并通過計算流體力學軟件（CFD）建立κ-ε湍流模型利用數(shù)值模擬方法探討該通風系統(tǒng)在無動力除塵方面的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：點排式；無動力除塵；CFD

引言

中國已成為世界上隧道最多、最復雜、發(fā)展最快的國家。在大規(guī)模的高速公路及鐵路建設(shè)當中，為除塵而裝配的射流風機存在由于因長時間空轉(zhuǎn)而造成的電能大量耗散問題。為保證隧道的長期安全、經(jīng)濟運營，隧道必須采用合理的的通風系統(tǒng)設(shè)計，在低能耗的基礎(chǔ)上最大限度提高隧道除塵效率，隧道無動力除塵設(shè)計迫在眉睫。文章基于點排式通風原理設(shè)計了公路隧道的無動力除塵模型，在自然通風的狀態(tài)下，利用Fluent系統(tǒng)模擬隧道湍流通風時的流體流動狀態(tài)，從而了解隧道的通風狀況，為公路隧道的無動力除塵設(shè)計提供可靠的依據(jù)。

1 公路隧道除塵方法概述

公路隧道通風的目的是要保證隧道正常交通運行時能稀釋汽車尾氣中的CO濃度和煙霧濃度，保持隧道內(nèi)空氣清新，又要在隧道一旦發(fā)生火災(zāi)時具有一定的排煙能力。公路隧道通風方法可分為自然通風和機械通風。自然通風是指利用壓強差、溫度差或密度差進行通風的方式。機械通風方式按隧道內(nèi)空氣流動的方向分為三類，即使用通風風道的縱流方式；只設(shè)送風道或排風道的半橫流方式；以及送風和排風兩個風道都設(shè)置的橫流方式。

通風方式的選擇，應(yīng)該從隧道的長度、交通量、坡度，地形等多方面考慮決定，而且要采用對該隧道最經(jīng)濟的方法來進行比較而定。過去從車道風速受限制考慮，所以著眼于采用橫流或半橫流通風方式，然而這兩種通風方式均設(shè)有風道，必然增大隧道斷面，增大建設(shè)費用，另外管路系統(tǒng)的壓力損失也較大?？v流方式無需通風管道，從而也無需增大隧道斷面。特別是在單向交通隧道中能全部利用汽車活塞風作用，是一種經(jīng)濟的節(jié)能型通風方式。

近年來，各發(fā)達國家先后頒布了對于公路隧道通風系統(tǒng)安全設(shè)計的標準或技術(shù)手冊。如歐共體EC（European Commission）的公路隧道安全設(shè)施設(shè)置標準，美國的MEMORIAL隧道排煙測試報告，荷蘭的公路隧道設(shè)施建議RWS和日本的道路公團MEPC等。對比各國長隧道排煙改善系統(tǒng)不難發(fā)現(xiàn)，隧道通風系統(tǒng)由最初的全區(qū)排煙改為集中排氣式有日漸增加的趨勢。

2 集點排氣式通風系統(tǒng)（Point Extraction Ventilation）

2.1 設(shè)計依據(jù)和條件

參照《公路隧道通風照明設(shè)計規(guī)范》并參考PIARC（國際道路協(xié)會常設(shè)委員會）的推薦值。

單向交通隧道：L*N≥6×105；

L：隧道長度（m）；

N：設(shè)計交通量（輛/h）

單向交通隧道設(shè)計風速≤10m/s

2.2 點排式通風系統(tǒng)

布設(shè)排氣管道于隧道上方空間，并搭配裝設(shè)噴氣式通風機（Jet Fan）輔助氣流方向，如圖1所示。在管道下方每隔相同距離（具體長度由隧道實際長度決定）設(shè)置特定電動風門，利用數(shù)控技術(shù)可實現(xiàn)各個排氣（煙）口的打開或閉合。

當汽車排放尾氣時，隧道內(nèi)部氣體量增加。在將氣體視為理想不壓縮流體的情況下，隧道內(nèi)壓強變大，在內(nèi)外界壓強梯度的作用下，氣態(tài)污染物（主要為CO）從隧道內(nèi)經(jīng)由排氣（煙）口，沿通風管道被排放到外界，從而達到除塵目的。

3 隧道通風系統(tǒng)整體方案驗證

根據(jù)《公路隧道通風照明設(shè)計規(guī)范》和《工業(yè)通風設(shè)計手冊》，所設(shè)計的隧道采用集點排氣式通風方式（Point Extraction Ventilation），風速8m/s。在模型設(shè)計時為保證長、寬、高的比例，取隧道中央長50m的排氣段作為模型建立的依據(jù)。為了使模型在Fluent中顯示的流場更能充分的反應(yīng)流場狀態(tài)，又考慮電腦的實際運行問題，所設(shè)計的網(wǎng)格大小為0.5。采用κ-ε湍流模型。

圖2為迭代70次所得的殘差圖，從圖中反映出各項數(shù)據(jù)在第60次迭代計算時已經(jīng)完全收斂。為了了解流場中流體流速的大小及方向，所得流體速度矢量圖（圖3），從圖中可以看出流體從入口進入后，在隧道中央的通風口分成三個方向，一個方向從通風管道左側(cè)流動，另一個方向從通風管道右側(cè)流出，還有一個方向從隧道出口流出。從流場壓強圖（圖4）可以看出流體在管道內(nèi)由于流體流速較大，故而壓強較小。從所建簡易模型模擬流場狀況看，流體流動分布合理，符合隧道設(shè)計的要求。當然，在具體工程中還應(yīng)該考慮實際地形地貌特點。

本次設(shè)計也考慮到隧道建成運行后可能遇到的火災(zāi)隱患問題。。當在隧道行車事故導致火災(zāi)時，開啟距離事故區(qū)域最近的電動風門，閉合其他位置的風門并將出口處風機反轉(zhuǎn)，可有效地將發(fā)生事故區(qū)域的煙熱迅速排除?？s小煙氣流動范圍，延長人員逃生時間。

4 結(jié)束語

文章通過理論分析設(shè)計了點排式通風系統(tǒng)，并通過數(shù)值模擬方法模擬了該通風系統(tǒng)內(nèi)部氣體流動方向。由數(shù)值模擬結(jié)果，我們不難發(fā)現(xiàn)，該通風系統(tǒng)滿足無動力除塵的要求，即除了空氣自重外不再依靠任何其他的外界動力。至于文中提到的射流風機只是起到在特定環(huán)境中輔助氣體流動方向的作用，電動風門是結(jié)合實際情況考慮到有可能出現(xiàn)的火災(zāi)隱患對該通風系統(tǒng)做的進一步完善。與無動力除塵的初衷并不相悖。盡管數(shù)值模擬與預(yù)計效果擬合度較高，但模擬過程是在理想情況下進行，并不能夠完全反映實際。集點排氣式通風系統(tǒng)仍需要大量的實驗進行驗證，但其應(yīng)用前景十分樂觀。

作者簡介：屠立新（1995-），男，蘭州大學資源環(huán)境學院，研究方向：環(huán)境功能材料。