封曉黎, 胡彥杰, 宋曉, 李勇, 王亞瓊

(1.河北高速公路集團(tuán)有限公司榮烏分公司， 河北 保定 072550； 2.武漢中交交通工程有限責(zé)任公司；3.長安大學(xué) 公路學(xué)院)

1 引言

中國公路隧道發(fā)展迅速，截至2019年底，中國公路隧道共19 067處、總長約1 896.66萬m。為了保障公路隧道行車的安全性、舒適性，需要對(duì)隧道空氣質(zhì)量進(jìn)行控制，如何在經(jīng)濟(jì)節(jié)能的情況下滿足隧道通風(fēng)要求已成為特長公路隧道研究的重點(diǎn)，許多學(xué)者不滿足現(xiàn)有造價(jià)較高的全橫向通風(fēng)、半橫向通風(fēng)以及分段式縱向通風(fēng)方式，提出一種新的通風(fēng)方式——互補(bǔ)式通風(fēng)，并對(duì)該通風(fēng)方式的通風(fēng)效果進(jìn)行了驗(yàn)證，提出了該通風(fēng)方式的適應(yīng)條件等。

互補(bǔ)式通風(fēng)作為一種新型的通風(fēng)方式，研究者一直致力于這方面的相關(guān)研究，胡彥杰等在針對(duì)大別山隧道通風(fēng)方式研究時(shí)提出了雙洞互補(bǔ)式通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論和方法，在不增設(shè)通風(fēng)斜井的條件下，滿足大別山隧道左右線需風(fēng)量要求；夏豐勇基于大別山公路隧道研究了互補(bǔ)式通風(fēng)運(yùn)營模式，提出根據(jù)通風(fēng)負(fù)荷選用單U形通風(fēng)模式或雙U形通風(fēng)模式；王亞瓊等通過雙洞互補(bǔ)式通風(fēng)物理模型試驗(yàn)論證了互補(bǔ)式通風(fēng)方案的可行性。靜電除塵是降低特長隧道污染物濃度的重要手段，可有效降低通風(fēng)負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、節(jié)能的效果，在挪威、日本等國家已成功應(yīng)用于公路隧道中。韓星等從隧道需風(fēng)量計(jì)算方法出發(fā)，指出在一定坡度下，柴油車比例達(dá)到臨界比例時(shí)，才需要使用靜電除塵設(shè)備；楊洪海等采用物理試驗(yàn)方法驗(yàn)證靜電除塵系統(tǒng)在運(yùn)營公路隧道的實(shí)際除塵效果，表明隧道運(yùn)行靜電除塵設(shè)備后，可以顯著降低污染物濃度，改善空氣質(zhì)量；魯娜等介紹了ESP在隧道中的工作原理，表明ESP對(duì)粉塵顆粒的除塵效果顯著。雖然目前研究者對(duì)互補(bǔ)式通風(fēng)方案和隧道靜電除塵應(yīng)用進(jìn)行了較多研究，但是對(duì)互補(bǔ)式通風(fēng)方案和靜電除塵綜合影響的研究尚少，對(duì)“雙洞互補(bǔ)式+靜電除塵”組合通風(fēng)方案的研究還有待進(jìn)一步深入。

該文依托于榮烏高速公路營爾嶺隧道工程，采用流體力學(xué)軟件Fluent數(shù)值模擬，分析隧道“雙洞互補(bǔ)式+靜電除塵”組合通風(fēng)方式的換氣通道位置、射流風(fēng)機(jī)增壓對(duì)隧道通風(fēng)效果的影響，期望對(duì)隧道通風(fēng)方式的選擇以及隧道后期運(yùn)營起到一定的指導(dǎo)作用。

2 雙洞互補(bǔ)式通風(fēng)方式

對(duì)于雙洞單向公路隧道，當(dāng)隧道內(nèi)為單坡或左右線隧道的交通量與車型不同時(shí)，會(huì)導(dǎo)致兩條隧道的污染物排放量存在較大的差異，需風(fēng)量相差較大。互補(bǔ)式通風(fēng)方式的基本原理是在兩條隧道之間增設(shè)兩條換氣通道，將上下坡隧道聯(lián)結(jié)成一個(gè)整體的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)(圖1)。將下坡隧道相對(duì)新鮮的空氣通過2#換氣通道送入上坡隧道，對(duì)上坡隧道內(nèi)的污染相對(duì)嚴(yán)重空氣進(jìn)行稀釋，降低上坡隧道空氣中的污染物濃度；上坡隧道通過1#換氣通道將隧道內(nèi)的污染空氣送入下坡隧道，以降低上坡隧道內(nèi)風(fēng)速。通過換氣通道的雙向換氣，可降低上坡隧道的污染物濃度，增加下坡隧道的污染物濃度，但此時(shí)的上下坡隧道內(nèi)空氣質(zhì)量均滿足通風(fēng)要求。

圖1 互補(bǔ)式通風(fēng)系統(tǒng)

3 計(jì)算模型的建立

運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent建立三維模型進(jìn)行數(shù)值模擬，由于隧道長度較長、規(guī)模過大，完全采用1∶1的三維模型計(jì)算對(duì)計(jì)算機(jī)要求很高，一般計(jì)算較難實(shí)現(xiàn)，故在隧道模型中設(shè)置多孔介質(zhì)階躍邊界條件來模擬沿程阻力損失，利用局部阻力損失代替沿程阻力損失，從而利用較少的資源實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道通風(fēng)系統(tǒng)的整體數(shù)值模擬。

3.1 控制方程

公路隧道在運(yùn)營期間隧道內(nèi)氣體的流動(dòng)狀態(tài)為紊流狀態(tài)，因此選用K-ε計(jì)算模型進(jìn)行求解，控制方程組如式(1)～(5)所示。

連續(xù)方程:

(1)

動(dòng)量方程:

(2)

k方程:

(3)

ε方程:

(4)

黏性系數(shù)方程:

μt=cμρk2/ε

(5)

式中：u為平均速度；u′為脈動(dòng)速度；x為位置張量(i,j=1,2,3)；μ為動(dòng)力黏性系數(shù)；μt為湍流黏性系數(shù)；k為湍流動(dòng)能；ε為耗散率；c1=1.44，c2=1.92，cμ=0.09，σk=1.0，σε=1.92。

3.2 模型參數(shù)與邊界條件

隧道全長5 660 m，設(shè)置阻力格柵(多孔介質(zhì)階躍邊界條件)來模擬沿程阻力損失后將模型縮短至600 m，阻力格柵分別位于模型50、100、300、350、500、550 m處，通過調(diào)節(jié)阻力格柵參數(shù)大小，以實(shí)現(xiàn)換氣通道相對(duì)位置的改變。模型統(tǒng)一采用四面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，網(wǎng)格尺寸為2 m，不設(shè)邊界層，劃分后的網(wǎng)格如圖2所示，參數(shù)如表1所示。

圖2 互補(bǔ)式通風(fēng)方式數(shù)值仿真模型

表1 數(shù)值模型參數(shù)

4 研究結(jié)果與分析

在數(shù)值仿真計(jì)算過程中，保持兩條換氣通道中換氣風(fēng)量相同，變量為換氣通道的相對(duì)位置、射流風(fēng)機(jī)增壓以及除塵設(shè)備的除塵效率，用以研究換氣通道相對(duì)位置以及射流風(fēng)機(jī)增壓對(duì)“互補(bǔ)式+靜電除塵”通風(fēng)方式通風(fēng)效果的影響。

4.1 換氣通道位置對(duì)污染物濃度的影響規(guī)律

通過改變換氣通道到上坡隧道入口的距離，針對(duì)換氣通道位于不同位置進(jìn)行模擬，共選取7個(gè)工況進(jìn)行對(duì)比研究，分別為換氣通道距離上坡隧道入口600、1 200、1 800、2 400、3 000、3 600、4 200 m。數(shù)值模擬過程中射流風(fēng)機(jī)增壓固定為175 Pa，換氣通道風(fēng)量為350 m3。各工況上坡隧道出口污染物濃度(CU)、下坡隧道污染物濃度(CD)以及隧道出口處污染物濃度比值CU/CD計(jì)算結(jié)果如圖3、4所示。

圖3 隧道污染物濃度分布

圖4 隧道出口污染物濃度比CU/CD

從圖3(a)可以看出：上坡隧道出口污染物濃度隨著換氣通道至上坡隧道入口距離的增加呈下降趨勢，且下降趨勢與換氣通道位置變化呈線性關(guān)系。換氣通道在600 m處與在4 200 m處相比，上坡隧道污染物濃度在未安裝除塵設(shè)備，除塵設(shè)備效率為70%、80%時(shí)分別降低了0.074 1、0.005 78、0.005 54 m-1，由此可以看出安裝除塵設(shè)備后，隧道內(nèi)污染物濃度顯著降低，但隨著除塵設(shè)備除塵效率的增加，改變換氣通道位置對(duì)上坡隧道出口污染物濃度的影響反而降低，分析原因主要是除塵設(shè)備降低了隧道內(nèi)污染物濃度，降低了下坡隧道相對(duì)新鮮的空氣對(duì)上坡隧道污染物的稀釋作用。

從圖3(b)可以看出：下坡隧道出口污染物濃度隨著換氣通道至上坡隧道入口距離的增加呈上升趨勢，換氣通道在600 m處與在4 200 m處相比，下坡隧道污染物濃度在未安裝除塵設(shè)備，除塵設(shè)備效率為70%、80%時(shí)分別增加了0.007 12、0.003 91、0.003 34 m-1，這是由于上坡隧道空氣中的污染物濃度隨著換氣通道至上坡隧道入口距離的增加而升高，通過2#換氣通道進(jìn)入下坡隧道，從而升高了下坡隧道空氣中的污染物濃度；安裝除塵設(shè)備后，改變換氣通道位置對(duì)下坡隧道出口污染物濃度的影響顯著降低，且除塵效率越高，換氣通道相對(duì)位置對(duì)下坡隧道出口污染物濃度的影響越小，主要是除塵設(shè)備降低了隧道內(nèi)污染物濃度，降低了上坡隧道污染空氣進(jìn)入下坡隧道對(duì)下坡隧道空氣的影響。

由圖4可知：換氣通道相對(duì)位置對(duì)兩條隧道出口處污染物濃度比值CU/CD有著顯著的影響，隨著換氣通道至上坡隧道入口距離的增加，CU/CD逐漸降低，表明上坡隧道和下坡隧道出口處的污染物濃度隨著換氣通道至上坡隧道入口距離的增加而逐漸接近，有效緩解了上坡隧道的通風(fēng)壓力。安裝除塵設(shè)備后，CU/CD降低趨勢變緩，這是由于除塵設(shè)備降低了隧道縱向方向的污染物濃度，進(jìn)而縮小了兩條隧道內(nèi)污染物濃度差值，降低了下坡隧道相對(duì)新鮮空氣對(duì)上坡隧道空氣的稀釋作用。

4.2 射流風(fēng)機(jī)增壓對(duì)污染物濃度的影響規(guī)律

在縱向通風(fēng)方式下，隧道內(nèi)污染物濃度沿隧道內(nèi)行車方向不斷累積，射流風(fēng)機(jī)位于隧道頂部，運(yùn)行時(shí)，將空氣從射流風(fēng)機(jī)后方吸入，并從出口高速噴出，從而推動(dòng)隧道內(nèi)空氣順風(fēng)機(jī)噴射氣流方向流動(dòng)。

通過改變射流風(fēng)機(jī)增壓，研究射流風(fēng)機(jī)增壓對(duì)“互補(bǔ)式+靜電除塵”通風(fēng)方式通風(fēng)效果的影響，針對(duì)不同射流風(fēng)機(jī)增壓進(jìn)行模擬，共選取6個(gè)工況進(jìn)行對(duì)比研究，分別為射流風(fēng)機(jī)增壓為75、100、125、150、175、200 Pa。數(shù)值模擬過程中換氣通道至上坡隧道入口距離為3 600 m，換氣通道風(fēng)量為300 m3。各工況上坡隧道出口污染物濃度CU、下坡隧道出口污染物濃度CD計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

圖5 隧道污染物濃度分布

由圖5可以看出：隨著隧道內(nèi)射流風(fēng)機(jī)增壓的升高，上坡隧道出口污染物濃度CU與下坡隧道出口污染物濃度CD均呈下降趨勢，且安裝除塵設(shè)備與未安裝除塵設(shè)備相比，變化趨勢更為平緩，射流風(fēng)機(jī)增壓為75 Pa與175 Pa相比，在未安裝除塵設(shè)備和除塵效率70%、80%時(shí)，上坡隧道出口污染物濃度CU分別降低了13%、8%、8%，下坡隧道出口污染物濃度CD分別降低了31%、24%、23%，這是由于射流風(fēng)機(jī)增壓升高使得隧道內(nèi)縱向風(fēng)速增加，進(jìn)而增大了隧道通風(fēng)量，使得沿隧道縱向方向污染物濃度減小，導(dǎo)致通過除塵設(shè)備的空氣中污染物總量降低，使得除塵設(shè)備的除塵效果下降。

5 結(jié)論

通過建立數(shù)值仿真模型，對(duì)換氣通道相對(duì)位置以及射流風(fēng)機(jī)增壓對(duì)“互補(bǔ)式+靜電除塵”通風(fēng)方式通風(fēng)效果進(jìn)行研究，將模擬計(jì)算得出的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，得出如下結(jié)論：

(1) 隨著換氣通道距上坡隧道入口距離的增加，上坡隧道出口處的污染物濃度CU逐漸降低，下坡隧道出口處的污染物濃度CD逐漸增加，上坡隧道出口污染物濃度與下坡隧道出口污染物濃度比值CU/CD降低，兩條隧道出口污染物濃度逐漸接近。

(2) 安裝除塵設(shè)備后，隧道出口污染物濃度顯著降低，除塵效果顯著，隨著除塵設(shè)備除塵效率的增加，隧道內(nèi)通過換氣通道進(jìn)入下坡隧道的空氣中污染物濃度降低，降低了改變換氣通道位置對(duì)隧道出口污染物濃度的影響，互補(bǔ)式通風(fēng)方式通風(fēng)效果減弱。

(3) 隨著隧道內(nèi)射流風(fēng)機(jī)增壓的升高，隧道出口處的污染物濃度CU、CD均逐漸減少；但隨著射流風(fēng)機(jī)增壓值的增大，隧道內(nèi)縱向風(fēng)速增加，進(jìn)而增加了隧道通風(fēng)風(fēng)量，使得沿隧道縱向方向污染物濃度減小，通過換氣通道內(nèi)除塵設(shè)備的煙塵總量減少，降低了除塵設(shè)備的除塵效率。