□劉小波 付 偉 李 輝 陳 瑞 明華軍

自然通風(fēng)下高海拔隧道關(guān)鍵高度斷面污染物濃度預(yù)測(cè)模型研究

□劉小波 付 偉 李 輝 陳 瑞 明華軍

隨著水電開發(fā)西移，越來越多高海拔隧道為水利水電工程服務(wù)，自然通風(fēng)在高海拔隧道中價(jià)值更大，依據(jù)關(guān)鍵因素對(duì)關(guān)鍵高程斷面污染物濃度影響，建立預(yù)測(cè)模型,并進(jìn)行對(duì)比分析，證明了模型有效性，可用于高海拔隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)。

自然通風(fēng)；高海拔隧道；關(guān)鍵高度斷面；模型預(yù)測(cè)

受國內(nèi)水電工程開發(fā)程度，以及南水北調(diào)工程規(guī)劃需求影響，越來越多水利水電工程建設(shè)于西南高原地區(qū)。西南地區(qū)特殊的地形地貌使得越來越多的高海拔隧道不同涌現(xiàn)。隧道是一個(gè)相對(duì)密閉的空間，公路隧道內(nèi)空氣污染物主要來自過往車輛尾氣產(chǎn)生的CO，如果通風(fēng)效果不好，很容易引發(fā)安全事故。同時(shí)，這些專用隧道在水利水電工程建設(shè)過程中，以及完工后，車流量均不大。在隧道內(nèi)安裝機(jī)械通風(fēng)設(shè)備對(duì)工程前期成本和后期運(yùn)營(yíng)成本要求均較大，故希望盡可能采取自然通風(fēng)方式。而隧道內(nèi)1.5m高度斷面決定了司乘人員安全。

筆者前期的研究成果表明，交通量、隧道長(zhǎng)度、汽車尾氣排放量對(duì)公路隧道污染物擴(kuò)散影響較大。因此，本文借用流體力學(xué)軟件FLUENT，僅主要從上述影響因素出發(fā)，進(jìn)行自然通風(fēng)下高海拔公路單向隧道污染物擴(kuò)散分析，以建立自然通風(fēng)下高海拔公路單向隧道，距底板1.5m高程斷面最大CO濃度的預(yù)測(cè)模型。

1.計(jì)算模型

模擬隧道為單洞單向行駛、150m長(zhǎng)度隧道，車輛以54km/h時(shí)速，勻速、等間距運(yùn)行。自然風(fēng)速與行車方向相同，汽車均靠右行駛。隧道運(yùn)行時(shí)間為設(shè)計(jì)交通量下行車時(shí)間。建立隧道計(jì)算模型斷面為城門洞型。隧道寬10m，高7m，由直徑為10m的半圓形和高為2m的矩形組成。將汽車簡(jiǎn)化為寬度2m；駕駛室高1.5m、長(zhǎng)2m；車前蓋高1m、長(zhǎng)1.5m；車后備箱蓋高1m、長(zhǎng)1m。汽車尾氣管處于車后右下方，大小 0.5m× 0.5m。

邊界條件設(shè)置為：汽車尾氣管設(shè)定為質(zhì)量流量入口邊界；隧道進(jìn)口設(shè)定為速度進(jìn)口邊界；隧道出口設(shè)定為壓強(qiáng)為當(dāng)?shù)卮髿鈮旱膲毫Τ隹谶吔纭?/p>

根據(jù)《輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法（中國第五階段）》（GB18352.5 -2013）要求，采用基礎(chǔ)汽車尾氣排放量為CO摩爾質(zhì)量為4.8ppm。

表1 不同交通量、不同隧道運(yùn)行時(shí)刻關(guān)鍵高程斷面最大CO濃度

表2 不同交通量、不同長(zhǎng)度隧道運(yùn)行時(shí)刻關(guān)鍵高程斷面最大CO濃度

2.模擬結(jié)果與分析

2.1 交通量影響下的預(yù)測(cè)模型

表1為不同交通量下，不同隧道運(yùn)行時(shí)刻，關(guān)鍵高程斷面最大CO濃度值。

圖1 不同進(jìn)口風(fēng)速下關(guān)鍵高程斷面最大CO濃度隨隧道運(yùn)行時(shí)間演化圖

參考相對(duì)較高交通量時(shí)，關(guān)鍵高程斷面的最大CO濃度隨交通量密度和隧道運(yùn)行時(shí)間的關(guān)系，建立如下關(guān)系式：

其中，Q為交通量為360輛車/小時(shí)N倍時(shí)，隧道運(yùn)行t秒后，關(guān)鍵高程斷面最大CO濃度，單位為ppm。

2.2 隧道長(zhǎng)度影響下的預(yù)測(cè)模型

表2為不同交通量、不同長(zhǎng)度隧道運(yùn)行時(shí)刻，關(guān)鍵高程斷面最大CO濃度值。分析建立關(guān)鍵高程斷面在不同時(shí)刻最大CO濃度增量的關(guān)系式，如下所示：

其中，△Q為交通量為360輛車/小時(shí)N倍，在隧道長(zhǎng)度為L(zhǎng)時(shí)，隧道運(yùn)行t秒后，關(guān)鍵高程斷面最大CO濃度值，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)隧道的差值，單位為ppm。

2.3 預(yù)測(cè)模型驗(yàn)證

圖1為隧道長(zhǎng)度450m、設(shè)計(jì)小時(shí)交通量2160輛車、進(jìn)口風(fēng)速為1.0m/s時(shí)，關(guān)鍵高程斷面最大CO濃度隨時(shí)間演化過程的計(jì)算實(shí)際值與上述濃度預(yù)測(cè)模型值。由圖可見，從長(zhǎng)期角度，該模型應(yīng)當(dāng)能較好地模擬關(guān)鍵高程斷面的最大污染物濃度。

3.結(jié)論

從自然通風(fēng)下高海拔隧道關(guān)鍵高度斷面最大污染物濃度預(yù)測(cè)入手，通過分析特征影響因素對(duì)該斷面最大污染物濃度的影響規(guī)律，使用理論結(jié)合數(shù)值擬合的方式，建立了相應(yīng)的預(yù)測(cè)模型。通過對(duì)比分析，證明從長(zhǎng)期角度，該模型應(yīng)當(dāng)能較好地模擬關(guān)鍵高程斷面的最大污染物濃度，能夠作為高海拔隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)的依據(jù)參考?！?/p>

2016-11-12

劉小波，男，漢族，河北省水利水電第二勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，工程師。

付 偉，男，漢族，中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，高級(jí)工程師。

李 輝，女，漢族，三峽大學(xué)土木與建筑學(xué)院，在讀碩士研究生。

陳 瑞，女，漢族，三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，在讀碩士研究生。

明華軍，男，漢族，三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，講師。