某城市交通隧道通风的数值模拟研究

摘要：隧道内部的气流组织受到多种因素共同作用下的耦合影响，形成复杂的非稳态流场及污染物浓度场分布。本文采用数值模拟方法，对某城市交通隧道在正常行车和堵塞行车情况下的通风效果进行分析，得出正常行车情况下交通通风力满足隧道通风要求，但在堵塞行车情况时必须开启射流风机和诱导风机的结论，并对风机的布置方案给出建议。

关键词：隧道通风；数值模拟；活塞风；动网格；

Abstract: the tunnel of the internal air distribution by various factors under the combined action of coupling effects, to form complex unsteady flow field and pollutant concentration field distribution. Based on the numerical simulation method, in a certain city traffic tunnel in normal traffic jams and driving under the circumstance of ventilated effect for analysis, that of normal traffic situation the wind tunnel ventilation traffic meet requirements, but as the blocked traffic must be open jet fan and the conclusions of the induced fan, and the layout of the fan give advice.

Keywords: tunnel ventilation; Numerical simulation; The piston wind; Dynamic meshing

中图分类号：U463.83+8文献标识码：A文章编号：

1、工程简介

隧道作为一个相对闭塞的有限空间，来往车辆在内部排放大量CO、NOx、烟雾等有害物质，使隧道内空气质量严重恶化。为使隧道内空气质量达到行车要求，通常需要采用一定的通风方式将新鲜空气引入隧道内，降低隧道内部污染物的平均浓度[1]。故隧道内部的气流组织受到多种因素共同作用下的耦合影响，包括通风设备的作用、车辆行驶的活塞风效应、车辆尾气的排放，匝道及横向开口的气流运动等，形成复杂的非稳态流场及污染物浓度场分布。

本项目位于市中心地段，交通需求量较大，最大交通流量为2800辆/时。根据道路专业提供的推荐方案，隧道采用单向行驶，其封闭段长度为600m。单向行驶隧道间设有车行疏散通道（车行横通道）和人行疏散通道（人行横通道），并且在隧道里采用旁通道路的设计方式，分别设置与地下一层车库连接的匝道。隧道通风系统采用射流风机纵向通风方式，隧道内设置9台5#射流风机，匝道内设置10台诱导风机。风机在正常情况（行车速度50km/h）下不开启，在堵塞情况下（行车速度20km/h）开启。

2、物理模型的建立

本物理模型中，汽车行驶可视为恒定流处理[1]，根据最大设计交通流量等距设置车辆模块，假定所有汽车以同一方向、同一速度行驶。为正确分析交通通风力对隧道通风气流的影响，需要对车辆模块进行的动网格设置，模拟车辆在隧道中同向移动，如图1所示。计算区域采用四面体网格进行划分，网格数约60万个。

图1隧道及车辆的物理模型

3、数学模型的建立

在隧道通风计算过程中，可把空气作为不可压缩流体对待[1]，故标准k-模型的输运方程可简化为

(1)

(2)

式中有关参数可参考有关文献[2]。

隧道外的大气环境可视为一个无限空间，因此隧道进出口设置为压力边界条件；同样与匝道连接的地下停车场可视为一个有限的大空间，因此停车场的进出口设置为压力边界条件；风机出口设置为速度出流边界条件；而隧道内部气流由于压力差的作用而流入风机，因此风机进口处设置为压力边界条件，全压值与风机参数一致；车辆尾气排放口采用速度边界条件，设定尾气出流速度，及所含的一氧化碳量；车辆边界采用动网格生成；物理模型其余边界设置为壁面边界条件，其绝对粗糙度取混凝土风道的绝对粗糙度值[3]。

4、隧道通风数值模拟

4.1 工况选择

本次数值模拟主要针对隧道的通风气流组织和污染物分布，进行预测、比较和分析，因此分别模拟三种工况下的流场和浓度场分布，包括：

工况1：正常行车(50km/h)时，射流风机及诱导风机不开启；

工况2：阻堵行车(20km/h)时，射流风机及诱导风机不开启；

工况3：阻堵行车(20km/h)时，射流风机和诱导风机全部开启。

4.2 结果及分析

表1是三种工况下隧道内的平均风速。工况1和工况3的平均风速相差不大，正常行车工况下的交通通风力能达到机械通风时相似的通风换气效果。而工况2不满足隧道内风速不应小于2.5m/s的要求[1]。

表1 三种工况下道内的平均风速

隧道内的具体流场分布见图2。正常行车工况下，隧道出口处风速由于活塞风效应，基本等于行车速度14m/s (50km/h)。但中间段，特别是匝道上游区域，由于与停车场的连接，活塞风效应受到明显影响，风速下降至0~2m/s范围。匝道下游区域，交通通风力重新增强，风速逐渐增加，至隧道出口出现最大值。当阻塞行车时，气流规律基本与上述工况1的情况相似，但速度值明显下降。除隧道进出口外，其余区域不能满足要求[1]，说明当隧道风机关闭时，车辆的行驶速度对隧道内的通风量具有明显的影响效果。

开启风机后，隧道气流风速明显增加。虽然工况1与工况3的平均风速风速相差不大，但开启风机时，隧道沿程的流场分布更均匀，普遍处于3~4m/s范围内。而且射流风机和诱导风机开启后，主干道和匝道均形成良好的通风路径，停车场进出口对隧道内气流的影响不明显，隧道整体上满足要求[1]。

(a)工况1 (b)工况2 (c)工况3

图2 不同工况下隧道1.1m高度处的流场分布平面图

表2是隧道内的一氧化碳ppm值。工况2不能满足一氧化碳浓度小于250ppm的要求。隧道内的具体流场分布见图3。虽然工况1和工况3的隧道平均风速差别不大，但阻塞行车时，隧道内车辆的数量、排放量大大增加，故阻塞行车时，即使开启风机，一氧化碳ppm值也明显大于正常行车情况。

表2 三种工况下隧道内一氧化碳的ppm值

(a)工况1(b)工况2(c)工况3

图3 不同工况下隧道1.1m高度处CO浓度分布平面图

5、方案建议

（1）正常行车情况下由汽车产生的交通通风力能满足隧道通风和一氧化碳含量的要求，但在堵塞行车情况时，必须开启射流风机和诱导风机。

（2）射流风机和诱导风机的布置应尽量形成连贯的气流路径，提高通风换气率。

（3）在堵塞行车情况时，射流风机、诱导风机可全部开启，保证隧道内的污染物浓度低于标准，并防止气体污染物扩散至停车场中。射流风机的机械风力能克服隧道阻力和诱导风机的逆向气流影响。

（4）就初投资成本、运营成本，比较使用变频射流风机和固定转速射流风机的费用。使用变频射流风机时，风机全部开启，根据一氧化碳浓度调节转速；使用固定转速射流风机，则调节开启风机的台数。相比之下，前者具有更良好、更均匀的气流组织。

（5）射流风机应尽量远离隧道壁面，以减小出流的压力损失。

参考文献

[1] JTJ 026.1-1999. 《公路隧道通风照明设计规范》.1999.

[2] 王福军. 计算流体动力学分析─CFD软件原理与应用. 北京：清华大学出版社，2004.

[3] 陆耀庆. 《实用供热空调设计手册》. 北京：中国建筑工业出版社，2008.

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。