摘 要：【目的】為探究常規(guī)交通工況下淺層城市隧道內(nèi)的通風(fēng)特性和污染物擴(kuò)散規(guī)律?！痉椒ā恳脏嵵菔心辰M合立交工程隧道段項(xiàng)目為研究對(duì)象，截取隧道入口段430 m為計(jì)算案例，采用數(shù)值模擬的方法構(gòu)建機(jī)械通風(fēng)混合自然通風(fēng)的三維隧道模型，開展了不同工況下的模擬對(duì)比分析?！窘Y(jié)果】在常規(guī)交通工況下，不考慮自然風(fēng)的影響，隧道內(nèi)的活塞風(fēng)大小順序?yàn)榛旌贤L(fēng)、機(jī)械通風(fēng)、無通風(fēng)、自然通風(fēng)；射流風(fēng)機(jī)的開啟，對(duì)隧道內(nèi)的風(fēng)速提升約44%。在隧道污染物完全擴(kuò)散的初始段，隧道內(nèi)污染物濃度大小順序?yàn)闊o通風(fēng)、自然通風(fēng)、機(jī)械通風(fēng)、混合通風(fēng)。【結(jié)論】在設(shè)計(jì)和運(yùn)營(yíng)隧道通風(fēng)系統(tǒng)時(shí)，對(duì)射流風(fēng)機(jī)的使用和優(yōu)先選擇混合通風(fēng)，可以提高隧道內(nèi)的空氣質(zhì)量和安全性。

關(guān)鍵詞：淺層城市隧道；混合通風(fēng)；通風(fēng)特性；污染物擴(kuò)散；數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：U453.5" " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1003-5168（2023）21-0078-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.21.018

Numerical Simulation Study on Ventilation Characteristics of Shallow Urban Tunnels

CHU Fei1 XU Haijie1 YANG Zeming1 SHAO Wei1 TIAN Fangzheng1 ZHANG Wenjian2 LI Ruixin2

（1.China Railway Engineering Consulting Group Zhengzhou Design Institute， Zhengzhou 450000， China;

2. Zhengzhou University， Zhengzhou 450001， China）

Abstract： [Purposes] This paper aims to investigate the ventilation characteristics and pollutant diffusion patterns in shallow urban tunnels under normal traffic conditions. [Methods] This study takes a certain combined interchange project tunnel section in Zhengzhou as the research object， and selects a 430 m section at the tunnel entrance as the calculation example. A three-dimensional tunnel model of mechanical ventilation， mixed ventilation， and natural ventilation was constructed using numerical simulation， and comparative analysis was conducted under different working conditions. [Findings] Under normal traffic conditions and without considering the influence of natural wind， the order of piston wind in the tunnel is mixed ventilation， mechanical ventilation， no ventilation， and natural ventilation. The opening of the jet fan increases the wind speed in the tunnel by about 44%. In the initial stage of complete diffusion of pollutants in the tunnel， the order of pollutant concentration in the tunnel is no ventilation， natural ventilation， mechanical ventilation， and mixed ventilation. [Conclusions] When designing and operating tunnel ventilation systems， the use of jet fans and the priority selection of mixed ventilation can improve the air quality and safety in the tunnel.

Keywords： shallow urban tunnel; mixed ventilation; ventilation characteristics; pollutant diffusion; numerical simulation

0 引言

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，在大城市和特大城市中普遍存在交通擁堵問題。在城市地面交通用地受限的背景下，城市地下空間得到大規(guī)模利用，修建城市隧道可起到緩解地面擁堵、提高交通效率的作用，同時(shí)還能夠降低噪聲污染，改善城市環(huán)境^［1］。

城市隧道的大規(guī)模建設(shè)同時(shí)也帶來了一系列問題。城市隧道具有埋深淺、交通量大、長(zhǎng)度短等特征，隧道位置多處于城市核心區(qū)域，周邊人流密集，隧道內(nèi)以CO為主的污染物容易在隧道內(nèi)匯聚，在隧道出口集中排出，這也就對(duì)城市隧道內(nèi)的空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)提出了更高的要求，以保證隧道內(nèi)駕駛?cè)藛T和隧道周邊人群的人身健康^［2］。目前，針對(duì)城市隧道環(huán)境的研究主要集中在汽車行駛速度^［3］、隧道內(nèi)火災(zāi)^［4］、通風(fēng)口布置形式^［5-6］等方面，而對(duì)城市隧道中頂部開口和射流風(fēng)機(jī)耦合作用下污染物傳播特性的研究尚處于起步階段。

本研究立足鄭州市某組合立交工程隧道段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，選取隧道入口段430 m構(gòu)建不同通風(fēng)工況下的三維模型，探究正常交通工況下淺層城市隧道內(nèi)的通風(fēng)特性和污染物擴(kuò)散規(guī)律，為隧道的設(shè)計(jì)和后期運(yùn)營(yíng)提供參考。

1 數(shù)值模擬設(shè)計(jì)

1.1 隧道模型建立

該組合立交工程道路等級(jí)為城市主干道，雙洞雙向六車道，主線隧道設(shè)計(jì)速度為50 km/h。隧道段全長(zhǎng)1 325 m，頂部開口區(qū)域?yàn)?80 m，暗埋段區(qū)域全長(zhǎng)1 145 m。本研究選取隧道入口段430 m，參照隧道實(shí)際設(shè)計(jì)尺寸，采用SCDM軟件建立隧道模型，如圖1所示。

隧道為矩形箱涵結(jié)構(gòu)，單洞橫斷面尺寸為15 m×8.9 m，隧道凈空尺寸為13 m×7 m，位于距離隧道入口150 m處，射流風(fēng)機(jī)出口風(fēng)速為37.0 m/s，軸向推力為138 N，葉輪直徑為1 000 mm。具體模擬工況為：隧道尺寸為430 m×13 m×7 m，汽車尺寸為4.5 m×1.8 m×1.6 m。

為了方便計(jì)算，在不影響計(jì)算結(jié)果精度的前提下，對(duì)隧道內(nèi)的流體進(jìn)行適當(dāng)?shù)募僭O(shè)：①隧道內(nèi)流體是連續(xù)介質(zhì)；②隧道內(nèi)流體具有不可壓縮性；③隧道內(nèi)流體為恒定流。

同時(shí)忽略對(duì)隧道內(nèi)氣流組織影響較小的因素，如轉(zhuǎn)彎處和坡度，不考慮隧道內(nèi)表面的部分結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，忽略隧道斷面邊角處的倒角。

1.2 網(wǎng)格驗(yàn)證及邊界條件設(shè)定

為保證模型計(jì)算的精確性，將隧道模型劃分為342萬(wàn)、244萬(wàn)、119萬(wàn)和90萬(wàn)4種結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格數(shù)目進(jìn)行網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證，得到網(wǎng)格數(shù)量為244萬(wàn)和342萬(wàn)時(shí)，汽車運(yùn)動(dòng)6 s后不同測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速之間誤差小于5%。所以選擇網(wǎng)格數(shù)量為244萬(wàn)的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的方案來探究隧道內(nèi)的速度場(chǎng)變化。

在邊界條件設(shè)定中，設(shè)置隧道進(jìn)出口為壓力邊界，隧道壁面設(shè)置為無滑移邊界，隧道內(nèi)射流風(fēng)機(jī)設(shè)置為fan邊界，設(shè)定壓力突變?yōu)?50 Pa實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效果。隧道內(nèi)的污染物的設(shè)定采用組分輸運(yùn)模型，設(shè)定汽車排氣口為質(zhì)量入口邊界，定義為質(zhì)量流率0.025 kg/s，CO組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)設(shè)定為0.009 8^［7］。隧道內(nèi)的汽車運(yùn)動(dòng)采用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)、動(dòng)態(tài)分層模型，湍流模型采用realizable k-e模型，壓力-速度耦合采用SIMPLE算法。

2 結(jié)果與分析

本研究設(shè)定4種不同工況進(jìn)行對(duì)比分析，具體見表1。汽車間距為推薦車距50 m安全距離，建立車隊(duì)模型為9車輛，三車道行駛。

通過對(duì)不同工況進(jìn)行模擬，分析城市隧道機(jī)械通風(fēng)與自然通風(fēng)的耦合效應(yīng)及通風(fēng)規(guī)律。

2.1 隧道內(nèi)風(fēng)速場(chǎng)的擴(kuò)散分析

為了探究隧道內(nèi)風(fēng)速場(chǎng)的擴(kuò)散規(guī)律，本研究基于汽車運(yùn)動(dòng)20 s后的隧道模型進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，通過對(duì)隧道內(nèi)汽車運(yùn)動(dòng)方向多個(gè)截面的平均速度進(jìn)行對(duì)比分析，探究隧道內(nèi)部整體的風(fēng)速場(chǎng)變化規(guī)律。通過對(duì)隧道內(nèi)不同工況的風(fēng)速場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比分析，分析隧道的通風(fēng)規(guī)律。隧道整體風(fēng)速分布如圖2所示，隧道初始段風(fēng)速分布如圖3所示。

由圖2、圖3可知，通過對(duì)工況進(jìn)行分析，能夠得到隧道在機(jī)械通風(fēng)作用下整體風(fēng)速變化規(guī)律。對(duì)工況1和工況2進(jìn)行對(duì)比分析，得到隧道內(nèi)在無機(jī)械通風(fēng)作用下的平均風(fēng)速為1.36 m/s，該風(fēng)速是僅由隧道內(nèi)汽車運(yùn)動(dòng)形成的交通風(fēng)。而在僅有機(jī)械通風(fēng)作用下，隧道內(nèi)的平均風(fēng)速為1.96 m/s，表明射流風(fēng)機(jī)的開啟，對(duì)隧道內(nèi)的風(fēng)速有明顯的提升作用，提升幅度大約44%。對(duì)工況3進(jìn)行分析可知，經(jīng)頂部開口后的城市隧道內(nèi)流場(chǎng)流速與不開口工況相比發(fā)生下降；對(duì)工況4進(jìn)行分析可知，隧道內(nèi)的風(fēng)速在射流風(fēng)機(jī)和頂部開口的作用下得到提升。工況3在隧道僅有頂部開口進(jìn)行自然通風(fēng)的情況下，隧道內(nèi)的平均風(fēng)速為1.27 m/s，與不開口工況相比發(fā)生下降，表明自然通風(fēng)對(duì)隧道內(nèi)活塞風(fēng)有干擾作用，與已有學(xué)者實(shí)測(cè)結(jié)果一致^［8］。經(jīng)分析得到隧道頂部開口使得隧道內(nèi)整體的風(fēng)速下降約7%。

在機(jī)械通風(fēng)和自然通風(fēng)同時(shí)作用的情況下，隧道內(nèi)的整體風(fēng)速達(dá)到2.13 m/s，相較于無通風(fēng)作用下提升約57%，在4種工況下最高，表明隧道在射流風(fēng)機(jī)和頂部開口的共同開啟時(shí)，對(duì)隧道內(nèi)風(fēng)速的提升有很明顯的促進(jìn)作用。

隧道內(nèi)固定截面處的逐時(shí)平均風(fēng)速變化趨勢(shì)如圖4所示。由圖4可知，在160 m截面處的平均風(fēng)速均在汽車通過截面5 s后趨于平穩(wěn)，工況2和工況4由于射流風(fēng)機(jī)作用，在汽車通過前后的截面時(shí)平均風(fēng)速均有所提升，其中在20 s時(shí)混合通風(fēng)截面平均風(fēng)速穩(wěn)定在2.7 m/s左右，相較于僅機(jī)械通風(fēng)工況下（2.3 m/s）有所提升。

2.2 隧道內(nèi)污染物濃度場(chǎng)的擴(kuò)散分析

通過對(duì)隧道風(fēng)速場(chǎng)進(jìn)行分析，可知在汽車運(yùn)動(dòng)20 s后，隧道初始段的風(fēng)場(chǎng)基本趨于平穩(wěn)，也就是說通過對(duì)不同工況的隧道初始段進(jìn)行對(duì)比，更容易得出隧道內(nèi)的污染物擴(kuò)散規(guī)律。隧道整體污染物分布如圖5所示，隧道初始段污染物分布如圖6所示。

本研究根據(jù)隧道內(nèi)污染物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化來表征污染物濃度變化規(guī)律^［9］。通過對(duì)工況1～2進(jìn)行分析，能夠得到隧道在射流風(fēng)機(jī)作用下隧道內(nèi)整體污染物的變化規(guī)律。由圖5、圖6可知，隧道內(nèi)沿汽車運(yùn)動(dòng)方向的污染物濃度呈上升趨勢(shì)。原因是隧道內(nèi)流場(chǎng)在汽車運(yùn)動(dòng)形成的交通風(fēng)的作用下向隧道出口方向流動(dòng)，污染物在隧道風(fēng)的作用下向汽車運(yùn)動(dòng)方向遷移，隨著汽車在隧道內(nèi)運(yùn)動(dòng)距離的增加，污染物的堆積現(xiàn)象會(huì)越發(fā)嚴(yán)重^［10］。

工況3隧道僅有頂部開口進(jìn)行自然通風(fēng)，與工況1相比，兩者的污染物濃度在隧道初始段最為相近。從隧道整體來看，兩種工況的污染物逐時(shí)變化曲線重合，表明僅通過自然通風(fēng)，對(duì)隧道內(nèi)整體的污染物變化沒有明顯的積極作用^［9］。

工況2隧道僅有機(jī)械通風(fēng)，與工況4混合通風(fēng)相比，兩者的污染物濃度在隧道初始段均為較低水平。從隧道整體來看，不同工況的污染物濃度變化受射流風(fēng)機(jī)影響較大，表明隧道自然通風(fēng)需要與機(jī)械通風(fēng)結(jié)合，才能達(dá)到更好的通風(fēng)效果。

在機(jī)械通風(fēng)和自然通風(fēng)同時(shí)作用的情況下，隧道內(nèi)的污染物濃度達(dá)到最低水平，表明隧道在射流風(fēng)機(jī)和頂部開口的共同開啟，對(duì)隧道內(nèi)污染物的擴(kuò)散最為有效。

3 結(jié)論

本研究利用數(shù)值模擬的方法對(duì)淺層城市隧道的流場(chǎng)特性進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論。

①在設(shè)計(jì)車速和單機(jī)械通風(fēng)條件下，隧道內(nèi)始終存在較高風(fēng)速，而單自然通風(fēng)隧道則由于頂部開口存在，自然風(fēng)擾動(dòng)會(huì)削弱隧道內(nèi)的交通風(fēng)作用，隧道內(nèi)的整體風(fēng)速呈現(xiàn)工況4（混合通風(fēng)）＞工況2（機(jī)械通風(fēng)）＞工況1（無通風(fēng)）＞工況3（自然通風(fēng)）的狀態(tài)。

②在不考慮自然風(fēng)的影響下，無機(jī)械通風(fēng)作用下的隧道內(nèi)污染物濃度沿隧道縱向呈現(xiàn)逐漸增大的變化趨勢(shì)，在有機(jī)械通風(fēng)作用下隧道內(nèi)污染物短期無法完全擴(kuò)散，隧道整體污染物總量并沒有明顯降低。在污染物完全擴(kuò)散的隧道初始段，污染物濃度呈現(xiàn)工況1（無通風(fēng)）＞工況3（自然通風(fēng)）＞工況2（機(jī)械通風(fēng)）＞工況4（混合通風(fēng)）的狀態(tài)。

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收稿日期：2023-06-13

作者簡(jiǎn)介：楚飛 （1978—）， 男 ，本科 ，高級(jí)工程師 ，研究方向：暖通空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)。