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        排風口布置對地下環(huán)路半橫向通風影響研究

        2022-07-21 07:44:42李積廣
        現代交通技術 2022年3期
        關鍵詞:匝道排風環(huán)路

        虞 宙 ,李積廣 ,梁 印

        (1.蘇交科集團股份有限公司,南京 210019;2.中建信和地產有限公司,長沙 410000)

        隨著城市化進程逐漸加快,為緩解地上建筑愈加密集的現象,將城市地下空間作為一種城市資源進行合理開發(fā)利用[1]成為我國城市建設的趨勢。其中地下環(huán)路作為聯(lián)系地下車庫與地上道路的紐帶[2],常被稱為“地下交通聯(lián)系隧道”,地下環(huán)路一般位于城市人口相對密集區(qū)域且空間相對封閉,同時具有與隧道相異的結構特點,主要表現為斷面高度較低、寬度較大,出入口及車道數較多且車流量大、車速普遍較慢等特點[3]。當車輛在地下環(huán)路內低速通行時,其排放的CO、NOx以及顆粒物等污染物[4]易發(fā)生積聚,須開啟地下環(huán)路內通風系統(tǒng)以降低污染物濃度。目前常用縱向和橫向兩種通風方式,橫向通風包含半橫向通風和全橫向通風[5-6]??v向通風方式在隧道內應用較為廣泛[7],但縱向通風需要在頂部設置射流風機,而地下環(huán)路因其斷面高度較低,若采用縱向通風方式會存在射流風機安裝空間不足的問題。當采用全橫向通風方式時須在地下環(huán)路內設置送風口和排風口,環(huán)路內通風橫向氣流和機動車活塞風縱向氣流相互交叉,在環(huán)路內形成的氣流相對紊亂,且須建立送風道和排風道,造價較高。當采用半橫向通風方式時,僅設置送風口或排風口,且氣體均沿車流方向縱向流動后排出。將半橫向通風方式用于地下環(huán)路時可在有效稀釋污染物、提高內部環(huán)境質量的同時避免全橫向通風中氣流流動紊亂的問題,也可解決在地下環(huán)路中風機安裝空間不足的弊端。

        目前國外大多采用全橫向或半橫向通風方式,而國內仍以縱向通風方式為主[7]。潘潔[2]針對不同斷面結構的地下聯(lián)系隧道提出通風方式的選擇方案;李奕杉[3]針對重慶八一地下聯(lián)系隧道研究了開啟不同區(qū)段通風系統(tǒng)時對全橫向通風效果的影響;任銳等[8]通過CFD(計算流體動力學)數值模擬方法針對排風口高度的不同對隧道內負壓分布區(qū)域以及污染物濃度稀釋效果的影響進行研究,提出采用半橫向通風時排風口布置高度不宜過低的結論;劉宏[9]結合數值模擬與模型試驗研究大型地下互通式岔口處氣流流動規(guī)律,得出岔口處不同分叉角度下氣流流動特點與相應的局部阻力系數;錢曉彬等[10]利用數值模擬分析了采用“頂部開口自然通風+半橫向集中式機械通風系統(tǒng)”對武漢CBD(中央商務區(qū))地下交通環(huán)廊不同火災場景下通風排煙效果的影響,結果表明該組合式通風方式可以較好控制環(huán)路內煙氣流動;施孝增[11]對前人研究成果進行歸納分析,提出地下車庫聯(lián)絡道中采用半橫向通風方式不僅可以達到通風要求,還能節(jié)約投資成本。相關研究成果表明半橫向通風可作為地下環(huán)路的通風方式。本項目對地下環(huán)路半橫向通風方式進行研究,從而達到提高通風效率的目的。

        由于地下環(huán)路連接著地下車庫和地上道路,其匝道出入口較多,在匝道與主環(huán)路交叉段氣流變化復雜,排風口開啟位置必然影響環(huán)路內流場分布以及通風效果,在排風機開啟數量以及風速均相同的情況下,在有效位置布置排風口更利于環(huán)路內污染物的排出,這不僅改善了通風效果,也使運營更為節(jié)能。本項目基于蘇州某地下環(huán)路建立模型,研究帶匝道的環(huán)路段排風口開啟位置對通風效果的影響。

        1 模型建立

        基于蘇州某地下環(huán)路結構及通風系統(tǒng)參數,采用ICEM 網格劃分軟件建立物理模型,并利用FLUENT 軟件進行數值模擬。由于環(huán)路較大,對模型進行簡化,僅建立帶匝道段的地下環(huán)路模型。匝道段物理模型如圖1 所示,模型中主環(huán)路長度為200 m,寬度為9 m,匝道寬度為6.5 m,高度均為4.5 m,主環(huán)路內放置兩列污染物釋放源,模型中以1 m×1 m×1 m 的六面體方塊代替,釋放源中心距為10 m,橫向中心距為3 m,排風口位于環(huán)路一側側壁上,排風口下沿距環(huán)路底部為3.5 m,尺寸為2 m×0.5 m,中心距為10 m,排風風速為4 m/s。為更準確模擬污染物從排風口排出的效果,該模型在每個排風口處建立一個小立方體用于收集污染物,以代替污染物排出。

        模擬中環(huán)路入口采用速度入口邊界,風速為2 m/s,湍流強度為2.9%,當量直徑為6 m,主環(huán)路和匝道出口均采用outflow(自由出流)。污染物釋放源釋放面采用速度邊界,速度為0.36 m/s,CO 質量分數為0.000 5 且釋放溫度為360 K,湍流強度為5%,當量直徑為1.0 m。排風口采用速度邊界,風速為4 m/s,湍流強度為3.4%,當量直徑為0.8 m。環(huán)路壁面及污染物釋放源壁面均采用non-slip wall(無滑移壁面)。工況設置如表1 所示。

        表1 工況設置

        標準k-ε雙方程模型因其使用范圍廣、精度合理等特點被廣泛應用于隧道通風模擬中[12],且對比實驗與數值模擬結果后,標準k-ε模型可較好模擬隧道內流體流動[13],因此采用標準k-ε雙方程模型進行模擬,其控制方程[14]如下。

        標準k-ε方程為

        其中湍流速度μt為

        式中,k為湍動能;ε為耗散率;ρ為流體密度;μ為動力黏度;Gk為由于平均速度梯度引起k的產生項;Gb為由于浮力引起k的產生項;YM為可壓縮湍流中的脈動擴張;C1ε、C2ε和C3ε均為模型常數,Cμ=0.09、σk=1.0、σε=1.3。

        2 分析與討論

        2.1 速度場分布

        環(huán)路內斷面平均風速縱向變化如圖2 所示。由圖2 可知,在經過匝道時由于氣體的分流作用,主環(huán)路氣體流量減小,4 種工況下氣流速度均出現驟減現象。當排風口部分開啟時,在開啟部位由于環(huán)路內部分氣體被排出,速度出現減小的現象,但由于排風口開啟數量不變、排風口風速不變,因此在出口處風速不變,均小于排風口關閉時風速,且風速越小,環(huán)路內通風效果越差。

        由于機動車高度一般在1.3~1.6 m,車內人員頭部距地面高度在1.2 m 左右[15],綜合考慮取特征高度1.2 m 和排風口中心高度3.75 m 處進行風速流場分布分析。1.2 m 高度處環(huán)路內風速縱向分布云圖如圖3 所示,3.75 m 高度處環(huán)路內風速縱向分布云圖如圖4 所示,可更直觀分析對于帶匝道的環(huán)路段開啟不同位置排風口時對環(huán)路內風速流場分布的影響情況。

        當不開啟排風口(可認為采用縱向通風方式)時,匝道前方的環(huán)路內風速處于較高水平,當氣流經過匝道時大量氣體流入匝道,氣流速度場在匝道前后形成明顯對比。由于匝道前方氣流量較大,可對污染物進行稀釋,降低污染物濃度。在匝道后方采取機械通風措施,即開啟排風口,當開啟匝道前方或匝道附近排風口時,主環(huán)路與匝道分流點后方易出現低速區(qū),該區(qū)域易形成污染物積聚區(qū);當開啟分流點后方排風口時,該低速區(qū)消失,可有效改善污染物局部積聚現象。

        2.2 CO 濃度分布

        環(huán)路內斷面CO 濃度縱向變化如圖5 所示。由圖5 可知,在主環(huán)路與匝道分流點后方的環(huán)路內,CO 濃度出現小幅度上升之后又小幅度降低,再沿著環(huán)路逐漸升高,這是由于大量氣體從匝道流出環(huán)路,導致環(huán)路后方出現氣體斷流,降低氣體流動性,使CO 濃度升高。當采用縱向通風方式(排風口均關閉的通風方式)時,雖然CO 并未從環(huán)路中排出,但環(huán)路入口的集中送風可稀釋CO 濃度,使環(huán)路內CO 濃度整體水平位于4 個工況中最低值。開啟不同位置排風口:當開啟匝道前方或附近排風口,CO 濃度均高于排風口均關閉或開啟匝道后方排風口時的濃度值;排風口均關閉或開啟匝道后方排風口時,二者在環(huán)路后半段CO 濃度值變化曲線基本相同,因此在環(huán)路不具備縱向通風條件時可通過開啟匝道后方排風口來提高通風效率。

        1.2m 高度處環(huán)路內CO 濃度縱向分布云圖如圖6 所示,3.75 m 高度處環(huán)路內CO 濃度縱向分布云圖如圖7 所示,可更直觀分析對于帶匝道的環(huán)路段開啟不同位置排風口時對環(huán)路內CO 濃度場分布的影響情況。

        匝道前方CO 濃度值云圖差異性不大,當氣體經過匝道后CO 濃度值云圖差異性逐漸顯現,主要表現為:當開啟匝道前方或附近位置的排風口時,CO 濃度在距入口段115~120 m 開始出現明顯增加的現象,且在匝道拐角處出現污染物聚集現象,該現象在開啟匝道前方排風口時較為明顯;當排風口全閉或開啟匝道后方排風口時,CO 濃度在距入口段140 m 附近開始出現明顯增加現象,且匝道拐角處污染物聚集現象消失。因此在不具備縱向通風條件下,考慮耗能相同,可開啟匝道后方排風口進行通風以提高通風效果并降低環(huán)路內污染物濃度。

        為驗證排風口開啟位置對環(huán)路通風效率的影響,環(huán)路內CO 濃度值如表2 所示,并將其與環(huán)路內不設置通風系統(tǒng)時CO 濃度值進行對比。通過FLUENT 數值模擬軟件計算得出,在不開啟通風系統(tǒng)即隧道入口無縱向通風且排風口均關閉時,環(huán)路出口處CO 濃度值為149.37 ×10-6kg/kg。

        表2 環(huán)路內CO 濃度值

        其中

        由表2 可知,采用縱向通風(即排風口全部關閉)并開啟匝道后方的排風口時,出口處CO 濃度降低40%以上,明顯高于開啟匝道前方及匝道分流點處排風口的CO 濃度值減小率,因此在地下環(huán)路不滿足縱向通風條件時,開啟匝道后方的排風口可使通風效果達到最好。由于通風效率不僅受排風口開啟位置的影響,還與排風口尺寸、排風機數量以及風速等因素有關,后續(xù)可開展相關研究以提高通風效率。

        3 結論

        采用ICEM 網格劃分軟件和FLUENT 數值模擬軟件分別建立帶匝道的地下環(huán)路段并進行數值模擬,分析開啟不同位置排風口時環(huán)路內速度場以及CO 濃度場的變化。研究結果表明,當開啟匝道前方或匝道附近排風口時,主環(huán)路與匝道后方易出現低速區(qū),該區(qū)域易形成污染物積聚現象,且CO 濃度在距入口段115~ 120 m 開始出現明顯增加現象。當開啟分流點后方排風口時,該低速區(qū)消失,有效改善污染物局部積聚的現象且CO 濃度在距入口段140 m 附近開始出現明顯增加現象,在環(huán)路出口處其CO 濃度減小率均大于開啟分流點前方或分流點處排風口時的CO 濃度減小率,表明此時通風效率最高。因此在考慮耗能相同的情況下,匝道前方污染物通過匝道出口排出并開啟匝道后方排風口進行通風,可提高通風效果,從而降低環(huán)路內污染物濃度。

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