湯在宇 米立甲 劉雙平 鄭誠(chéng)
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2 中國(guó)電建華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院
城市行車隧道的建設(shè)極大緩解了交通擁堵?tīng)顟B(tài),而通過(guò)增加隧道車道數(shù)則進(jìn)一步降低了單車通行成本,但由于隧道的相對(duì)封閉性,車輛排放的尾氣由于含有多種有害成分,如一氧化碳,二氧化氮以及煙塵,需要稀釋或及時(shí)排出隧道,二氧化碳濃度較高時(shí)也需要及時(shí)排出隧道[1-2]。因此,隧道建設(shè)需要對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)的設(shè)計(jì)。根據(jù)交通運(yùn)輸部發(fā)布的《公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則JTG/TD70/2-02-2014》(下文簡(jiǎn)稱《細(xì)則》)[3],隧道通風(fēng)分為自然通風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)兩大類。自然通風(fēng)是通過(guò)氣象因素形成的隧道內(nèi)空氣流動(dòng),以及機(jī)動(dòng)車從洞外帶入新鮮空氣來(lái)實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)外空氣交換,機(jī)械通風(fēng)是通過(guò)風(fēng)機(jī)作用使空氣沿著預(yù)定路線流動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)外空氣交換。如果自然通風(fēng)能達(dá)到《細(xì)則》中規(guī)定的稀釋CO,NO2,煙塵和空氣中的異味的作用,則可以顯著提高節(jié)能減排效果,同時(shí)又能提高行車安全。機(jī)動(dòng)車從洞外帶入新鮮空氣以及引起隧道內(nèi)空氣流動(dòng),即交通風(fēng)受交通流量和行車速度影響,而自然風(fēng)則受風(fēng)速和風(fēng)向影響。為此,研究公路隧道交通量,行車速度,自然風(fēng)速和風(fēng)向?qū)匪淼劳L(fēng)影響具有重要意義。
隧道自然通風(fēng)具有節(jié)能減排和降噪等特點(diǎn),學(xué)者們對(duì)公路隧道自然通風(fēng)特性進(jìn)行研究并取得了一定的成果[4-8],隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展,數(shù)值方法成為隧道通風(fēng)研究的一種重要方法。本文采用ANYSIS 的FLUENT 模塊對(duì)隧道自然通風(fēng)特征進(jìn)行三維數(shù)值模擬,使用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)研究行車速度和交通量,并耦合自然風(fēng)因素對(duì)隧道通風(fēng)的影響特征。
本文計(jì)算模型的建立是依據(jù)浙江省杭州市某在建隧道進(jìn)行的模擬計(jì)算。該隧道全長(zhǎng)1797 m,雙向六車道規(guī)模,隧道內(nèi)設(shè)隔離墻,單孔橫斷面高度為5.8 m,寬度為11 m,車輛單向行駛,最高速度為60 km/h。依托該隧道進(jìn)行三維建模,模型如圖1 所示,隧道高度5.8 m,寬度11.0 m,長(zhǎng)度為1000 m,汽車長(zhǎng)寬高分別為5.0 m,2.0 m 和2.0 m,三車并排行駛。計(jì)算模型采用Gambit2.4.6 創(chuàng)建并網(wǎng)格化,為適應(yīng)移動(dòng)網(wǎng)格技術(shù),模型網(wǎng)格使用四節(jié)點(diǎn)四面體單元進(jìn)行剖分,經(jīng)過(guò)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證,網(wǎng)格單元長(zhǎng)度取0.2 m 即可滿足,為滿足計(jì)算機(jī)資源要求,本文采用0.2 m 為單元長(zhǎng)度。模型入口為速度入口,出口為壓力出口,壁面為無(wú)滑移邊界。該隧道所處的室外平均風(fēng)速夏季為2.0 m/s,冬季為1.8 m/s,考慮到雙向行車,計(jì)算中考慮風(fēng)向與行車方向相同與相反兩種情況。該隧道預(yù)測(cè)平均小時(shí)交通量為3500 pcu/h,小客車占比0.8,小貨車占比0.15,大貨車占比0.05。為計(jì)算結(jié)果對(duì)比研究的一致性,本文計(jì)算采用小客車占比為1。
圖1 計(jì)算模型
為研究隧道通風(fēng)特征,本文考慮隧道交通量,行車速度,自然風(fēng)速和風(fēng)向,車輛行駛采用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)實(shí)現(xiàn),F(xiàn)LUENT 湍流模型采用k-ε 雙方程模型,重點(diǎn)分析隧道內(nèi)風(fēng)速變化規(guī)律。
由在隧道下部的車輛行駛所形成的交通風(fēng),其風(fēng)速?gòu)乃淼赖撞康巾敳恐饾u減小,因此研究行車速度對(duì)通風(fēng)影響主要關(guān)注隧道上部風(fēng)速的變化特征。圖2 所示為并排三輛車在隧道內(nèi)行駛的橫斷面風(fēng)速分布圖,圖2a 車速為30 km/h,圖2b 車速為60 km/h。由圖可知,車輛上方空氣在車輛行駛形成的交通風(fēng)作用下發(fā)生流動(dòng),風(fēng)速沿隧道中心呈左右兩側(cè)對(duì)稱分布,在距隧道地面相同高度中心位置風(fēng)速大于隧道側(cè)壁風(fēng)速。隨著車輛行駛速度的增大,空氣流動(dòng)速度顯著增加。車速為30 km/h 工況下,車輛上方空氣流動(dòng)最小速度為1.94 m/s,而車速為60 km/h 工況下,車輛上方空氣流動(dòng)最小速度為3.23 m/s。
圖2 隧道橫斷面風(fēng)速
圖3 所示為隧道縱斷面風(fēng)速分布特征,圖3a 和3b 行車速度分別為55 km/h 和60 km/h,車輛行駛方向?yàn)閺淖笙蛴?。由圖可知,隧道縱斷面風(fēng)速以車輛中心呈前后對(duì)稱分布,速度范圍為1.04 m/s 至2.09 m/s的區(qū)域,車輛后方比前方略大。這是由于車輛行駛后方空氣擾流強(qiáng)度較大,其速度分布范圍大于車輛前方。對(duì)比圖3a 和圖3b 可知,兩種工況下風(fēng)速縱斷面分布較為相似,僅在車輛上方速度2.09 m/s 至3.13 m/s 分布區(qū)域,60 km/h 工況大于55 km/h 工況。表明隧道內(nèi)由車輛行駛產(chǎn)生的隧道交通風(fēng)分布特征受車輛行駛速度的影響,車輛行駛速度越大,其產(chǎn)生的交通風(fēng)風(fēng)速越大。
圖3 隧道縱斷面風(fēng)速
通過(guò)模擬不同行車速度工況下隧道橫斷面風(fēng)速,行車速度為30 km/h,35 km/h,40 km/h,45 km/h,50 km/h,55 km/h 和60 km/h,車輛上部最小風(fēng)速分別為 1.94 m/s,2.23 m/s,2.45 m/s,2.71 m/s,2.89 m/s,3.07 m/s 和3.23 m/s。
針對(duì)不同交流量工況進(jìn)行數(shù)值模擬,取隧道橫斷面風(fēng)速數(shù)據(jù),分析交通量對(duì)隧道通風(fēng)影響。圖4 為三種車速工況下隧道橫斷面風(fēng)速與交通量關(guān)系,由圖可知,由車輛行駛形成的隧道風(fēng)速隨著交流量的增加而增大,這一增加趨勢(shì)隨交通量增加而越來(lái)越小,此外,這一增加趨勢(shì)隨著行車速度的增加而小幅增大。由此可見(jiàn),交通量對(duì)隧道風(fēng)速影響較為明顯,在相同車速下,交通量的增加可以明顯增大隧道風(fēng)速。本隧道工程按交通量與車型比例設(shè)計(jì)CO 和煙霧稀釋以及通風(fēng)換氣所需的風(fēng)速為2.5 m/s,即按照平均小時(shí)交通量為3500 pcu/h 所需風(fēng)速。由此可知,當(dāng)車速大于40 km/h時(shí)由行車產(chǎn)生的交通風(fēng)即可實(shí)現(xiàn)隧道CO 和煙霧稀釋以及通風(fēng)換氣的目的。
圖4 隧道橫斷面風(fēng)速與交通量關(guān)系
本工程室外氣象參數(shù)有大氣壓,通風(fēng)計(jì)算干球溫度和平均風(fēng)速組成,其值在夏季分別為100.09 kPa,32.3°C和2.0 m/s,冬季分別為102.11 kPa,4.3°C和1.8 m/s。自然風(fēng)風(fēng)向存在多變性,為此結(jié)合自然風(fēng)速,風(fēng)向與行車速度對(duì)隧道通風(fēng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。圖5 為2 m/s風(fēng)速自然風(fēng)在順風(fēng)(圖5a)與逆風(fēng)(圖5c)及無(wú)風(fēng)(圖5b)時(shí)車輛以60 km/h 速度行駛的隧道橫斷面風(fēng)速分布圖,風(fēng)速2 m/s 逆風(fēng)與順風(fēng)是自然風(fēng)對(duì)行車通風(fēng)的兩個(gè)極值。對(duì)比圖5a 與圖5b 可知,順風(fēng)向自然風(fēng)與交通風(fēng)相互作用顯著提高了隧道風(fēng)速,其風(fēng)速略大于交通風(fēng)與自然風(fēng)的線性疊加,這是由于自然風(fēng)主要以縱向?yàn)橹?,交通風(fēng)存在局部橫向,自然風(fēng)的引入使得局部橫向交通風(fēng)向縱向轉(zhuǎn)變,降低了湍流強(qiáng)度,從而使得兩者綜合速度略大于兩者線性疊加。對(duì)比圖5c 與圖5b 可知,逆風(fēng)向自然風(fēng)對(duì)交通風(fēng)抑制作用明顯,兩者相互作用后的風(fēng)速小于兩者的線性相減,這是由于自然風(fēng)與交通風(fēng)對(duì)流增強(qiáng)了湍流強(qiáng)度,導(dǎo)致能量消耗,從而降低了綜合風(fēng)速。因此,當(dāng)自然風(fēng)與行車方向相反時(shí),需要采用其他方式進(jìn)行通風(fēng),才能達(dá)到CO 和煙霧稀釋以及通風(fēng)換氣的目的。
圖5 自然風(fēng)與交通風(fēng)相互作用橫斷面風(fēng)速分布圖
此外,針對(duì)自然風(fēng)風(fēng)速和風(fēng)向與行車速度多因素綜合影響隧道通風(fēng)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。圖6 所示為交通量為1000 pcu/h 工況下不同行車速度隧道風(fēng)速與自然風(fēng)速關(guān)系圖,自然風(fēng)風(fēng)速為負(fù)表示風(fēng)向與行車方向相反,自然風(fēng)風(fēng)速為正表示兩者同向。由圖可知,自然風(fēng)風(fēng)向與行車方向相反對(duì)隧道風(fēng)速的抑制作用明顯大于兩者同向時(shí)對(duì)隧道風(fēng)速增加的幅度,并且抑制作用隨逆向自然風(fēng)風(fēng)速增加而增強(qiáng)。此外,逆向自然風(fēng)對(duì)隧道風(fēng)速的抑制作用隨行車速度的增大而增強(qiáng)。
圖6 隧道風(fēng)速與自然風(fēng)速關(guān)系圖
本文利用FLUENT 商用軟件,采用k-ε 雙方程湍流模型對(duì)自然風(fēng)與交通風(fēng)在隧道內(nèi)通風(fēng)特征進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算,分析了行車速度,交通量,自然風(fēng)風(fēng)速與風(fēng)向?qū)λ淼劳L(fēng)影響規(guī)律,其結(jié)論如下:
1)由車輛行駛產(chǎn)生的交通風(fēng)風(fēng)速隨著行車速度的增大而增加,這一增加趨勢(shì)隨行車速度增大而減小。當(dāng)車速大于40 km/s 時(shí),僅靠交通風(fēng)可實(shí)現(xiàn)隧道通風(fēng)換氣目的。
2)隧道交通量對(duì)隧道通風(fēng)存在影響,交通風(fēng)風(fēng)速隨交通量增加而增大,但隨著行車速度增大,交通風(fēng)風(fēng)速增加量降低。
3)自然風(fēng)風(fēng)速與風(fēng)向?qū)λ淼劳L(fēng)的影響明顯,自然風(fēng)與交通風(fēng)的綜合風(fēng)速不是簡(jiǎn)單的線性疊加,其改變了空氣流動(dòng)的湍流強(qiáng)度。當(dāng)自然風(fēng)風(fēng)向與車輛行駛方向相同時(shí),其顯著提高隧道風(fēng)速,當(dāng)兩者相反時(shí)則起明顯的抑制作用。