萬中碩 劉 雨 謝艷萍

（重慶科技學(xué)院，重慶 401331）

0 引言

伴隨著科技的日益發(fā)展，我國(guó)的交通也愈發(fā)便利。特長(zhǎng)隧道、分合流隧道也日益增多。而針對(duì)多匝道特長(zhǎng)公路隧道而言，隧道內(nèi)相對(duì)閉合、隧道長(zhǎng)度大、隧道內(nèi)車流量大，當(dāng)隧道內(nèi)發(fā)生汽車阻滯時(shí)僅僅只依靠隧道進(jìn)出口處的自然通風(fēng)不能夠完全帶走車輛行駛過程中排出的廢氣和煙塵；需要機(jī)械通風(fēng)來進(jìn)行輔助。本項(xiàng)目通過運(yùn)用軟件模擬交通阻滯情況下隧道分叉口處不同通風(fēng)方式下隧道內(nèi)汽車尾氣污染物分布情況；進(jìn)而對(duì)比分析其通風(fēng)效果。

1 研究現(xiàn)狀

特長(zhǎng)公路隧道通風(fēng)問題在國(guó)內(nèi)研究較晚，多借鑒國(guó)外的經(jīng)驗(yàn)；目前國(guó)內(nèi)的相關(guān)規(guī)范數(shù)量不多。1999 年重慶公路科研設(shè)計(jì)院主持編寫《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTJ026.1—1999)為公路隧道的設(shè)計(jì)提供指引與參考[1]。此規(guī)范于2014 年在《公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG/T D70/2-01—2014）與《公路隧道照明設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG/T D70/2-02—2014）頒布的同時(shí)廢止。近幾年來國(guó)內(nèi)也有大批學(xué)者關(guān)注并研究隧道的通風(fēng)問題。2020 年學(xué)者劉凡[2]通過CFD 模擬了高速公路隧道合流段的夾角角度與通風(fēng)特性的關(guān)系。2017 年，學(xué)者姜學(xué)鵬[3]通過SES 模擬不同隧道風(fēng)口布置于不同位置的通風(fēng)效果。學(xué)者夏永旭介紹并分析了特長(zhǎng)公路隧道縱向-全橫向混合通風(fēng)方式[4]及秦嶺終南山公路隧道的5 種通風(fēng)方式[5]:兩豎井三段送排式縱向通風(fēng)；三豎井四段送排式縱向通風(fēng)；四豎井五段送排式縱向通風(fēng)；兩豎井三段混合式通風(fēng)；三豎井四段混合式通風(fēng)。

2 項(xiàng)目概況

本項(xiàng)目來源于工程實(shí)際，以某多匝道城市公路隧道為依托。此隧道由一條主線隧道、兩支線隧道構(gòu)成，設(shè)計(jì)車速50km/h，海拔高度約為400m。此隧道設(shè)計(jì)為雙洞單向交通。本模型選取右線隧道示例。由于此隧道的全長(zhǎng)過長(zhǎng)為簡(jiǎn)化模型故選取其極具特征的分岔口周圍模擬研究，通過模擬不同通風(fēng)方式下污染物的運(yùn)動(dòng)分析其通風(fēng)效果。為實(shí)際工程中的通風(fēng)建設(shè)提供理論依據(jù)。

3 軟件模擬計(jì)算

3.1 模型分析

模型使用fluent 自帶的DesignModeler 模塊進(jìn)行繪制，將所選取的隧道段以1:1 的比例進(jìn)行建模。主干線的入口截面圖及支干線出口的截面圖見圖1，模型的整體平面圖見圖2。在隧道的各個(gè)進(jìn)出口及頂部布置風(fēng)機(jī)，通過控制不同風(fēng)機(jī)的運(yùn)行來改變通風(fēng)方式。需要模擬隧道阻滯工況，故在隧道內(nèi)增加汽車，兩車間距為1.5 米。車身長(zhǎng)4.5 米。主干線進(jìn)出口截面面積為115.3,支干線截面面積為88.9 。支干線長(zhǎng)度為61，主干線長(zhǎng)度為150 。

圖1 主干線及支線的入口截面圖

3.2 研究思路

在隧道的主干線進(jìn)出口、支線出口及分叉口的頂部皆設(shè)有風(fēng)機(jī)，通過控制不同風(fēng)機(jī)運(yùn)行進(jìn)行組合以實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)的不同通風(fēng)方式。組合方式詳見表1。風(fēng)機(jī)位置平面布置圖及編號(hào)如圖2 所示。通過綜合對(duì)比分析不同通風(fēng)方式下隧道內(nèi)污染物的分布及質(zhì)量分?jǐn)?shù)來確定通風(fēng)效果。

圖2 風(fēng)機(jī)布置編號(hào)圖及模型平面圖

表1 風(fēng)機(jī)組合方式

3.3 網(wǎng)格化分

網(wǎng)格劃分的目的就是將空間連續(xù)的計(jì)算域劃分成足夠小的計(jì)算域。網(wǎng)格的質(zhì)量影響計(jì)算的精準(zhǔn)性，網(wǎng)格稀疏導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果的精度不高，網(wǎng)格過于密集會(huì)大大增加計(jì)算時(shí)間[6]。對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)口等部位進(jìn)行加密處理，對(duì)變化不大的區(qū)域，網(wǎng)格尺寸適當(dāng)放大，如此既保證計(jì)算精度有兼顧計(jì)算效率。對(duì)于加密處理的網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，即網(wǎng)格數(shù)量超過限制時(shí)不再影響測(cè)量精度[7]。對(duì)于固體壁面還要增加設(shè)置邊界層。最終選擇使用mesh 模塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分的網(wǎng)格為四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。最終劃分的網(wǎng)格總量約為2800 萬，邊界層劃分共5層，增長(zhǎng)率為1.2。網(wǎng)格的整體質(zhì)量較為后續(xù)計(jì)算提供可靠保證。

3.4 模擬計(jì)算

本項(xiàng)目采用fluent 軟件進(jìn)行隧道通風(fēng)數(shù)值仿真計(jì)算。并做出如下假設(shè)，假設(shè)流體為不可壓縮流體，流體為連續(xù)性流動(dòng)滿足連續(xù)性方程。此模型遵循質(zhì)量守恒、能量守恒以及動(dòng)量守恒定律。故在計(jì)算過程中需要開啟能量方程、K-湍流方程；由于需要觀測(cè)污染物在空氣中的軌跡故需要開啟組分運(yùn)輸方程；開啟重力并設(shè)置重力參考點(diǎn)，采用壓力基求解器進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算。

3.5 邊界條件設(shè)定

進(jìn)口處參數(shù)選擇為速度進(jìn)口，出口處的參數(shù)選擇為壓力出口。汽車尾氣中的污染物設(shè)定為邊界進(jìn)口，設(shè)置條件時(shí)選擇質(zhì)量流量進(jìn)口，單位為kg/s。co 的排放量依照規(guī)范《公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/TD/70/2-02-2014）計(jì)算，由該規(guī)范得知：交通阻滯時(shí)，阻滯段的平均co 設(shè)計(jì)濃度取同時(shí)經(jīng)歷時(shí)間不宜超過20 分鐘[8]。交通阻滯時(shí)車輛按怠速考慮，2000 年機(jī)動(dòng)車尾氣中co 的基準(zhǔn)排放量應(yīng)取按每年2.0%的遞減率計(jì)算2021 年為計(jì)算出隧道內(nèi)co 的排放量為計(jì)算其所需稀釋co 通風(fēng)量為則風(fēng)機(jī)送風(fēng)速度為經(jīng)查閱文獻(xiàn)得知隧道內(nèi)自然風(fēng)速為故將模型進(jìn)口風(fēng)速設(shè)置為將計(jì)算的co排放量進(jìn)行單位換算得到總排放量為每輛車尾氣中co 排放量為隧道內(nèi)溫度設(shè)置為300k，求解方法選擇壓力速度偶和算法中的SIMPLE 算法，設(shè)置殘差為采用Hybrid 方法進(jìn)行初始化，設(shè)置迭代步數(shù)為3000 步。

3.6 結(jié)果輸出

創(chuàng)建Y 值為1.5、3、6、8 的四個(gè)等值面，并截取每種通風(fēng)方式下每個(gè)面的co 組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)云圖（如圖3、圖4），截取8 等值面的速度云圖（見圖5）。

圖3 1.5 等值面的co 組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)云圖

圖4 各等值面的co 組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)云圖

圖5 8 高等值面的速度云圖

4 結(jié)果分析

根據(jù)方案1 的污染物質(zhì)量分?jǐn)?shù)云圖可以觀測(cè)出污染物整體向隧道的頂部及出口運(yùn)動(dòng)，通過1.5 高、3 高、6 高處等值面的云圖對(duì)比分析可得出由于co 密度小于空氣在浮升力的作用下向上擴(kuò)散，在風(fēng)機(jī)射流擴(kuò)散的作用下隧道前段的污染物擴(kuò)散至中后段，致使中段的co 質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，co 聚集在隧道中段難以排出。綜合分析方案2 的污染物云圖可發(fā)現(xiàn)，在入口處射流風(fēng)機(jī)和通風(fēng)井排風(fēng)的共同作用下隧道中段和前段的co 可以有效排出；主線后段及支線后段的co 在風(fēng)壓作用下逐步向出口處擴(kuò)散。但在射流風(fēng)機(jī)及通風(fēng)井共同作用下在隧道的分岔口處會(huì)形成渦流，污染物在此處會(huì)有殘留。分析方案3 的co 云圖可發(fā)現(xiàn)，在單一通風(fēng)井排風(fēng)的作用下隧道下部（1.5 高）co 的運(yùn)動(dòng)受機(jī)械排風(fēng)的影響較小，中高部co 的擴(kuò)散受排風(fēng)作用明顯。隧道前段和中段的co 在通風(fēng)井處匯聚最終通過風(fēng)井排出。但主隧道及支線尾段的co 難以排出。

經(jīng)對(duì)比三種方案的計(jì)算云圖發(fā)現(xiàn)在通風(fēng)量、風(fēng)速相同的情況下，縱向射流通風(fēng)與通風(fēng)井排出式+射流風(fēng)機(jī)通風(fēng)對(duì)低平面的co 擴(kuò)散影響明顯，從整體來看通風(fēng)井排出式+射流風(fēng)機(jī)通風(fēng)的排污效果要優(yōu)于縱向射流通風(fēng)。