湯在宇 米立甲 劉雙平 鄭誠(chéng)

1 浙江華東工程咨詢有限公司

2 中國(guó)電建華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院

0 引言

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。

1 隧道模型建立

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

2 計(jì)算結(jié)果及分析

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。

2.1 行車速度對(duì)通風(fēng)影響

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。

2.2 隧道交通量對(duì)通風(fēng)影響

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

2.3 自然風(fēng)速和風(fēng)向?qū)νL(fēng)影響

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

3 結(jié)語(yǔ)

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。