朱娉婷　鄧志輝（西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院　成都　610031）

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公路隧道洞口污染物竄流的對比研究

朱娉婷鄧志輝
（西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院成都610031）

【摘要】為了研究不同公路隧道形式相鄰洞口的污染物竄流規(guī)律，以隧道通風(fēng)速度和洞口間距為變量，對單向雙洞、單洞連續(xù)以及雙洞連續(xù)三種隧道形式的竄流洞口分別進(jìn)行了數(shù)值模擬統(tǒng)計。根據(jù)模擬結(jié)果，從自由射流運(yùn)動特征的角度，對比分析了三種洞口竄流的特點(diǎn)以及洞口外污染物分布情況及形成的原因。

【關(guān)鍵詞】公路隧道；洞口竄流；污染物分布；自由射流

0　引言

隨著高速公路的建設(shè)發(fā)展，公路隧道及隧道群的建設(shè)成為需要重點(diǎn)攻關(guān)的工程建設(shè)項(xiàng)目，各種形式的隧道也都有出現(xiàn)。其中，單向雙洞隧道、單洞連續(xù)隧道以及雙洞連續(xù)隧道的單個洞口排風(fēng)的廢氣流會被鄰洞的入口吸入造成污染物竄流，這種竄流現(xiàn)象會影響隧道通風(fēng)的效率。因此，研究這三種隧道形式下洞口竄流規(guī)律以及污染物分布情況就顯得十分必要。

目前研究隧洞口污染物擴(kuò)散的方法大多是現(xiàn)場測量以及模型試驗(yàn)，國內(nèi)外均作了較早的研究[1,2]。如今數(shù)值模擬的方法已得到廣泛應(yīng)用，洞口污染物竄流問題方面，中科院就單向雙洞隧道的洞口混風(fēng)做出了探討并提出了改善措施[3]，西南交通大學(xué)將測試與模擬結(jié)合也得到了各種工況下的擴(kuò)散竄流規(guī)律[4]，重慶交通大學(xué)則是對單向雙洞以及單洞連續(xù)隧道都做出了規(guī)律性的研究[5]。以上工作雖對洞口污染物竄流有所研究，但是并未涉及雙洞連續(xù)隧道，而且都是針對一種隧道形式研究各因素下的規(guī)律，并未對其運(yùn)動機(jī)理做出分析說明，也沒有具體比較三種竄流形式各自的特點(diǎn)。為此，本文將針對這兩方面，以Fluent流體計算軟件為平臺，分別模擬單向雙洞隧道、單洞連續(xù)隧道以及雙洞連續(xù)隧道洞口污染物竄流情況，并從氣體擴(kuò)散機(jī)理的角度分析對比它們之間的差異，為隧道通風(fēng)的設(shè)計優(yōu)化提供參考依據(jù)。

1　隧道建模

1.1物理建模

假設(shè)隧道洞口處截面為豎直的山體壁面，洞口外的地形開闊并水平，將隧道斷面簡化為矩形9m×5m，隧道段各取70m長，約為斷面當(dāng)量直徑的10倍，毗鄰隧道的洞外的大氣計算區(qū)域左、右、上方向各取50m，即當(dāng)量直徑的8倍左右，而單向雙洞的洞外區(qū)域在射流方向上取當(dāng)量直徑的30倍左右，約200m。各隧道具體模型見示意圖1。

圖1　三種類型隧道示意圖Fig.1 The schematic diagramsfthree tunnels

1.2數(shù)學(xué)模型

根據(jù)本文研究對象，基于Fluent數(shù)值模擬軟件，可將流動視為不可壓縮流體穩(wěn)定流動，數(shù)學(xué)模型采用不可壓縮恒定流的k－ ε方程、SIMPLE算法，并選擇組分運(yùn)輸模型。

遵循的湍流流動控制方程有質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程及組分運(yùn)輸守恒方程。

（1）質(zhì)量守恒方程

式中，r為密度；t為時間；u為速度；Δ為拉普拉斯算子。

（2）動量守恒方程

式中，g為重力加速度；f為外部施加的力矢量；t為粘性力張量；p為壓力。

（3）能量守恒方程

式中，h為焓；qr為熱輻射通量；T為溫度。

（4）組分運(yùn)輸守恒方程

式中，Yl為第l組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)；Dl為第l組分?jǐn)U散系數(shù)；ml'''為第l組分的單位體積生成率。

（5）理想氣體狀態(tài)方程

i

式中，R為氣體常數(shù)；M為混合氣體分子質(zhì)量；下標(biāo)i為第i種組分。

邊界條件的處理是，隧道進(jìn)口和出口采用速度邊界，隧道壁面、山體和地面均默認(rèn)wall邊界，其他大氣環(huán)境為自由邊界。本文取CO作為污染物的代表，為方便計算，所有進(jìn)口面CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)設(shè)為100%，計算域內(nèi)無其他熱源，無環(huán)境風(fēng)，不考慮車輛行駛帶來的氣流影響。

2　工況模擬及結(jié)果分析

2.1洞口竄流與洞口間距的關(guān)系

圖2　隧道竄流與洞口間距的關(guān)系Fig.2 The relationship between interporosityflowand spacing

為簡化計算，先假定所有隧道的進(jìn)排風(fēng)速度相等，并取值5m/s，研究連續(xù)隧道的上下游間距S和單向雙洞隧道的上下行間距H對各自洞口竄流的影響。由于隧道進(jìn)口的CO濃度已設(shè)為100%，且各進(jìn)排風(fēng)口速度相等，所以可直接用竄流洞口的CO體積濃度作為相對百分濃度來表示竄流混風(fēng)的程度大小。另外雙洞連續(xù)隧道的兩個竄流洞口是對稱相等的，只取其中一個洞口研究即可。

從圖2可以大致看出，無論是單向雙洞，還是單洞和雙洞的連續(xù)隧道，其竄流洞口的CO濃度都是隨著間距的增大而減小。擬合三條曲線列于表1，由公式可以更明顯看出，相對于單洞連續(xù)隧道竄流隨間距增大均勻減小的線性關(guān)系，其他兩種隧道更接近于指數(shù)形式和冪函數(shù)形式變化，即隨間距增大，竄流的減小會漸趨平緩。

表1　進(jìn)排風(fēng)相等時竄流洞口CO百分濃度與隧道間距的擬合公式Table1 The fitting formulas betweenCO concentration andhole spacingwhen VinequalsVout

2.2洞口竄流與隧道通風(fēng)速度的關(guān)系

取一組工況，其中單向雙洞隧道間距H=2m，連續(xù)隧道間距S=46m；令各個隧道內(nèi)的進(jìn)排風(fēng)速度相等，并在隧道設(shè)計通風(fēng)風(fēng)速大小范圍（≤10m/s）[8]內(nèi)取值。模擬計算不同的通風(fēng)速度下，各隧道竄流洞口的CO相對百分濃度。

圖3中可以很明顯地看出，無論何種隧道形式，不管通風(fēng)速度大小的取值如何變化，CO相對百分濃度基本不變，而實(shí)際數(shù)據(jù)計算其變化范圍也只是在5%以內(nèi)，所以可以判斷在進(jìn)排風(fēng)速度相等的前提下，單向雙洞隧道、單洞連續(xù)隧道以及雙洞連續(xù)隧道洞口CO竄流量都與隧道通風(fēng)速度基本無關(guān)。隧道風(fēng)速為5m/s時，洞口一半高度（Y=2.5m）處沿程方向截面的CO體積濃度等值線圖見圖4。

圖3　竄流洞口CO百分濃度與隧道通風(fēng)速度的關(guān)系Fig.3 The relationship between interporosity flow and ventilation speed

圖4　 CO體積濃度等值線圖比較Fig.4 Comparison of CO concentration contour

3　與自由射流的對比分析

隧道洞口污染物擴(kuò)散問題（圖4（a））與氣體自由射流（圖6）有較大的相似性，自由射流是指射出的氣體與周圍氣體之間速度有很大的梯度。氣體從出口AD射出，核心段的速度均勻，但由于紊流的橫向脈動使射流不斷帶入周圍介質(zhì)發(fā)生質(zhì)量交換，使得邊界不斷擴(kuò)張，射流的速度也在逐漸下降。擴(kuò)散角α與出口斷面上的紊流強(qiáng)度有關(guān)，紊流強(qiáng)度越大，說明射流口的紊亂越嚴(yán)重，與周圍介質(zhì)混合的能力越大。擴(kuò)散角越大，被帶動的周圍介質(zhì)增多，射流速度下降的程度也會沿程加大[7]。

但是這種自由射流只是與洞口排風(fēng)自由出流現(xiàn)象類似，而洞口進(jìn)風(fēng)這種向內(nèi)吸入的自由入流情況是不同的。自由出流只在一個有限的錐形區(qū)域內(nèi)擴(kuò)散，而自由入流則由于洞口處存在負(fù)壓，使得周圍的氣體和洞口之間產(chǎn)生了壓力差而自動流入洞口。

隧道洞口外沿出流方向不同距離處的CO相對百分濃度數(shù)據(jù)列于表2，并在圖5中做出曲線，且計算出三種竄流隧道與單洞射流在CO分布上的偏差。

圖5　洞口外沿出流方向CO相對百分濃度Fig.5 CO concentration along the direction of flow

圖6　自由射流運(yùn)動特征結(jié)構(gòu)Fig.6 The structure of free jet

表2　隧道洞口外沿出流方向CO相對百分濃度Table 2 CO concentration along the direction of flow

單向雙洞隧道的洞外CO濃度也在不斷下降，且相對與單洞射流的下降趨勢更快。這是由于洞口1-1和4-4的氣體流動方向是相反的，在距離洞口一定距離處，邊界層處必會相重疊，洞口1-1周圍的相對高壓區(qū)和洞口4-4附近的相對低壓區(qū)的存在導(dǎo)致其發(fā)生相互作用。這種相互作用使洞口1-1的自由出流發(fā)生了變化，CO氣流向洞口4-4的方向發(fā)生了偏移（圖4（b）），排出的CO也被部分帶入到鄰洞中，原本出流方向上的CO量減少，CO濃度也比單洞射流低3.49%～27.17%，下降更快。

單洞連續(xù)隧道洞外CO濃度降低規(guī)律上與單洞射流最為接近，但數(shù)值上要略大，偏差大部分在1%左右。這是由于洞口2-2附近負(fù)壓區(qū)的存在，使得洞口1-1排出CO的相對速度較大，不易發(fā)散，就有更多的CO氣體進(jìn)入下游洞口中。而在洞外18m附近出現(xiàn)的極低值，可能的原因是出流和入流在此處邊界層相遇并達(dá)到最大，空氣組分較多，導(dǎo)致了CO濃度比單洞射流小了約8%。

雙洞連續(xù)隧道，洞口間的氣體相對更加紊亂，洞口排出CO后受鄰洞負(fù)壓區(qū)影響，射流向內(nèi)偏移，一定距離內(nèi)CO濃度與單向雙洞類似，但是由于上下游兩個洞口都排出CO，這樣在中間區(qū)域，兩股氣流勢必相遇，使得CO氣流向兩側(cè)稍有遷移，形成了圖4（d）情況，也導(dǎo)致了該區(qū)域CO濃度急劇升高，比單向雙洞大了20%左右，氣流相遇遷移也導(dǎo)致擴(kuò)散主體速度有所降低，如此CO在繼續(xù)向前擴(kuò)散時濃度必然下降更快，到43m處已經(jīng)比單洞射流低了約39%。

4　結(jié)論

（1）在隧道通風(fēng)速度相等的情況下，無論何種形式的隧道洞口竄流量都與隧道風(fēng)速的大小無關(guān)，而與隧道洞口的間距有關(guān)，且隨間距的增大而減小。

（2）單向雙洞、單洞連續(xù)以及雙洞連續(xù)隧道的竄流的本質(zhì)是由不同洞口間的壓力差造成的，不同的洞口形式造成洞外壓力場的差異也使得洞外CO濃度情況不同，單洞連續(xù)時與單洞射流最為接近，而單向雙洞和雙洞連續(xù)整體上都要偏低，距離越遠(yuǎn)，偏差越大，分別能達(dá)到30%和40%左右。

參考文獻(xiàn)：

[1] Ide Y, Ueyama S. Wind tunnel modeling of gas dispersion from a road portal outlet[J]. The Science of Total Environment, 1987,59:211-221.

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[5]張連賀.公路隧道洞口污染氣體竄流研究[D].重慶:重慶交通大學(xué),2012.

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[7]蔡增基,龍?zhí)煊?流體力學(xué)泵與風(fēng)機(jī)（第五版）[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2009.

Comparative Study on the Pollutant Interporosity Flow of Highway Tunnel

Zhu Pingting Deng Zhihui
( Mechanical Engineering Collegeof Southwest Jiaotong University,Chengdu,610031)

【Abstract】In order to study the interporosity flow problem in different forms of highway tunnel, as the speed of tunnel ventilation and the tunnel spacing for variables, simulate the interporosity flow issue of the double-hole tunnel, the single-hole continuous tunnel and the double-hole continuous tunnel. According the results of simulation, in the perspective of free jet flow, analysis and illustrates the interporosity flow characteristic of the three types tunnel, also the reasons of the pollutant distribution.

【Keywords】highway tunnel; interporosity flow; pollutant distribution; free jet

中圖分類號U459.2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號：1671-6612（2016）01-109-05

作者簡介：朱娉婷（1992-），女，在讀碩士研究生，E-mail：xzlegend@163.com

通訊作者：鄧志輝（1962-），男，副教授，E-mail：DZHWKL007@163.com

收稿日期：2015-06-03