復(fù)雜通風(fēng)方式下狹長(zhǎng)空間內(nèi)車輛啟動(dòng)氣流組織特性研究

魏帥舉 WEI Shuai-ju；孫軼凡 SUN Yi-fan；崔永龍 CUI Yong-long；李奇 LI Qi；繆越 MIAO Yue

（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200011）

0 引言

狹長(zhǎng)空間建筑日益發(fā)展，公路隧道或鐵路隧道等狹長(zhǎng)空間內(nèi)當(dāng)車輛啟動(dòng)時(shí)將會(huì)產(chǎn)生極易污染空間內(nèi)氣體環(huán)境的有害煙氣，影響車輛的正常運(yùn)行和相關(guān)人員的身體健康，所以采取合理有效的通風(fēng)方式，抑制狹長(zhǎng)空間內(nèi)煙氣的擴(kuò)散并及時(shí)排出至關(guān)重要[1]。在狹長(zhǎng)空間內(nèi)，通風(fēng)系統(tǒng)對(duì)車輛啟動(dòng)氣流組織具有重要影響，通過研究氣流組織特性，可以了解通風(fēng)系統(tǒng)的工作原理和效果，進(jìn)而優(yōu)化通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以提高車輛啟動(dòng)時(shí)的氣流效果和能量利用效率。不同的通風(fēng)方式會(huì)對(duì)氣流的流動(dòng)情況、速度分布和壓力變化等方面均會(huì)產(chǎn)生影響，尤其是組合形成的復(fù)雜通風(fēng)方式，其產(chǎn)生的氣流組織更為獨(dú)特，對(duì)排放物濃度和擴(kuò)散范圍的增減作用和車輛啟動(dòng)時(shí)安全性的影響均需研究分析，由此可見，通過建立合理的數(shù)學(xué)模型和計(jì)算方法，模擬仿真復(fù)雜通風(fēng)方式下狹長(zhǎng)空間內(nèi)車輛啟動(dòng)時(shí)氣流運(yùn)動(dòng)形式，了解氣流組織規(guī)律，針對(duì)氣流組織特性進(jìn)行研究具有重要意義。狹長(zhǎng)空間內(nèi)的車輛污染源為向右排放的高速煙氣射流，需要營(yíng)造橫向不均勻的空氣環(huán)境，減少污染物隨氣流的擴(kuò)散，其常見的通風(fēng)形式，包括縱向通風(fēng)、橫向通風(fēng)、送風(fēng)型半橫向通風(fēng)、排風(fēng)型半橫向通風(fēng)[2]，其中送風(fēng)型半橫向通風(fēng)在狹長(zhǎng)空間的左右壁面上均會(huì)開啟多個(gè)送風(fēng)口，雖然在氣流縱向流動(dòng)過程中沒有損失風(fēng)量，但右側(cè)的送風(fēng)氣流可能引起污染物的擴(kuò)散，不利于煙氣的及時(shí)排除，所以本文基于狹長(zhǎng)空間通風(fēng)設(shè)計(jì)理論，針對(duì)多種通風(fēng)模式，模擬仿真了三種不同通風(fēng)方式下狹長(zhǎng)空間內(nèi)車輛備車時(shí)氣體環(huán)境變化，綜合分析復(fù)雜通風(fēng)方式所產(chǎn)生的獨(dú)特氣流組織，以及對(duì)基礎(chǔ)通風(fēng)方式排煙效果的影響，為狹長(zhǎng)空間內(nèi)通風(fēng)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

1 氣流組織仿真方案

1.1 狹長(zhǎng)空間縱向通風(fēng)方案的確定

綜合比選了各常見通風(fēng)形式，并結(jié)合計(jì)算狹長(zhǎng)空間內(nèi)需風(fēng)量、實(shí)際工程條件與各方案的特點(diǎn)，提出了三種不同的狹長(zhǎng)空間通風(fēng)設(shè)計(jì)方案，三種通風(fēng)方案的詳細(xì)設(shè)計(jì)信息見表1。方案2 狹長(zhǎng)空間內(nèi)形成以排風(fēng)為主體的半橫向通風(fēng)，與縱向通風(fēng)相結(jié)合，在狹長(zhǎng)空間內(nèi)形成了獨(dú)特的氣流組織；方案3 則在兩側(cè)壁面反向風(fēng)口的作用下形成橫向通風(fēng)，并以縱向通風(fēng)為基礎(chǔ)，形成了縱向、橫向通向相結(jié)合的氣流組織形式；方案1 則單純以縱向通風(fēng)為主體，實(shí)現(xiàn)排煙效果。三種通風(fēng)方案模擬仿真模型以及送排風(fēng)口示意圖如圖1～圖3 所示。

圖1 通風(fēng)方案1 模型與送排風(fēng)口示意圖

圖2 通風(fēng)方案2 模型與送排風(fēng)口示意圖

圖3 通風(fēng)方案3 模型與送排風(fēng)口示意圖

表1 三種通風(fēng)方案的詳細(xì)信息

一般情況下，狹長(zhǎng)空間內(nèi)最多有1/3 的車輛同時(shí)備車，即3 臺(tái)車輛同時(shí)備車，然后依次駛出。當(dāng)首部區(qū)域前三臺(tái)車輛首先進(jìn)行備車時(shí)，狹長(zhǎng)空間內(nèi)車輛數(shù)最大，空間最為逼仄，備車過程中所形成的氣體環(huán)境最為不利，所以本文主要分析首部區(qū)域1～3#車輛備車時(shí)在不同通風(fēng)方式下所形成的氣流組織特性。

1.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)的確定

車輛備車啟動(dòng)過程中會(huì)排放大量有害氣體，由于狹長(zhǎng)空間結(jié)構(gòu)的特殊性，其通風(fēng)狀況相對(duì)較差，車輛所產(chǎn)生的煙氣由于燃料燃燒不補(bǔ)充，其所含有害污染物成分中，一氧化碳（CO）含量與其濃度限值之比最高，因此選用CO 濃度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，同時(shí)選定煙氣濃度作為人員所能承受煙氣污染量的評(píng)價(jià)指標(biāo)[3]。可以通過對(duì)比不同方案局部CO、煙氣平均濃度折線圖，定量分析其在狹長(zhǎng)空間內(nèi)各區(qū)域的污染物分布情況，也可通過備車工況下狹長(zhǎng)空間內(nèi)氣流組織與污染物濃度分布云圖分析污染物在空間內(nèi)的整體擴(kuò)散情況。

在狹長(zhǎng)空間內(nèi)中，各車輛的煙氣射流方向朝向右側(cè)，通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)為盡快排除產(chǎn)生的煙氣、減少煙氣向周邊區(qū)域的擴(kuò)散，即需要營(yíng)造不均勻的空氣環(huán)境，使污染物在右側(cè)的濃度分布高于左側(cè)，以利于污染物的及時(shí)排除。因此，將狹長(zhǎng)空間的各排車輛的左側(cè)區(qū)域（1.5m 高）作為地面人員活動(dòng)區(qū)（左側(cè)人行區(qū)）、各排車輛的右側(cè)區(qū)域（1.5m 高）作為右側(cè)排煙區(qū)、各車輛駕駛員所處區(qū)域作為駕駛員呼吸區(qū)（2.15m 高），以減小左側(cè)人行區(qū)、車輛駕駛員呼吸區(qū)的污染物濃度為目標(biāo)。

2 結(jié)果與分析

2.1 復(fù)雜通風(fēng)方式下狹長(zhǎng)空間內(nèi)氣流組織特性

當(dāng)狹長(zhǎng)空間內(nèi)首部區(qū)域的三臺(tái)車輛備車時(shí)，三種方案均以縱向通風(fēng)為基礎(chǔ)，排除車輛啟動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的有害煙氣，方案2 狹長(zhǎng)空間左右壁面開啟了12 個(gè)排風(fēng)口，從而形成了以排風(fēng)為主體的半橫向通風(fēng)，與縱向通風(fēng)相結(jié)合，在狹長(zhǎng)空間內(nèi)形成了獨(dú)特的氣流組織；方案3 則在左側(cè)壁面開啟了7 個(gè)送風(fēng)口，同時(shí)在右側(cè)壁面開啟了7 個(gè)排風(fēng)口，橫向通風(fēng)在兩側(cè)壁面反向風(fēng)口的作用下形成，并以縱向通風(fēng)為基礎(chǔ)，形成了縱向、橫向通向相結(jié)合的氣流組織形式。方案1 則單純以縱向通風(fēng)為主體，實(shí)現(xiàn)排煙效果，后續(xù)將會(huì)針對(duì)三種方案進(jìn)行綜合分析，探究復(fù)雜通風(fēng)方式所產(chǎn)生的獨(dú)特氣流組織，以及對(duì)基礎(chǔ)通風(fēng)方式排煙效果的影響，得出其中可在狹長(zhǎng)空間內(nèi)產(chǎn)生最佳氣體環(huán)境的方案。

由于縱向通風(fēng)的特點(diǎn)，在送風(fēng)氣流的影響下，狹長(zhǎng)空間內(nèi)車輛啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的煙氣會(huì)沿著尾部區(qū)域向首部區(qū)域的方向流動(dòng)，導(dǎo)致首部區(qū)域污染物濃度較高，因此從圖4、圖5 中可以看出當(dāng)首部1～3#車輛備車時(shí)，三種方案在尾部車輛附近的污染物濃度均會(huì)維持較低水平，大量有害煙氣會(huì)聚集在首部區(qū)域。

圖4 各通風(fēng)方案下各人行區(qū)呼吸高度、排煙區(qū)及車輛駕駛員呼吸區(qū)局部CO 平均濃度

圖5 各通風(fēng)方案下各人行區(qū)呼吸高度、排煙區(qū)及車輛駕駛員呼吸區(qū)局部煙氣平均濃度

方案2、3 在縱向通風(fēng)的基礎(chǔ)上分別實(shí)現(xiàn)了半橫向通風(fēng)和橫向通風(fēng)，通風(fēng)方式的綜合效果會(huì)帶動(dòng)氣流組織產(chǎn)生復(fù)雜變化。狹長(zhǎng)空間內(nèi)以縱向分析，從圖中可以看出在方案1 只有縱向通風(fēng)條件下，首部區(qū)域車輛備車時(shí)中部、尾部區(qū)域的污染物濃度基本為0，而方案2、3 所產(chǎn)生的復(fù)雜氣流組織會(huì)使得車輛啟動(dòng)所產(chǎn)生的有害煙氣向中部、尾部區(qū)域蔓延，相比于方案1 其污染物濃度會(huì)有所升高；從狹長(zhǎng)空間的橫向分析，方案2、3 所產(chǎn)生的復(fù)雜氣流組織也會(huì)帶動(dòng)車輛在右側(cè)排煙區(qū)所產(chǎn)生的煙氣向人員活動(dòng)區(qū)和車輛駕駛區(qū)蔓延，從圖中可以看出當(dāng)位于人員活動(dòng)區(qū)和駕駛員區(qū)時(shí)，方案1、2、3 在首部區(qū)域所形成的污染物濃度依次增高，人員活動(dòng)區(qū)內(nèi)此現(xiàn)象尤為明顯。

從分布圖6 可以看出，對(duì)于方案1，送風(fēng)氣流在尾部區(qū)域流向首部區(qū)域的過程中變得較為均勻，對(duì)于煙氣射流的直接排除起到了導(dǎo)流作用，減少了煙氣的擴(kuò)散，同時(shí)由于排風(fēng)口均設(shè)在頂部，帶動(dòng)從狹長(zhǎng)空間尾部流向首部的氣流較早地向高處排風(fēng)口位置流動(dòng)，減少了煙氣向首部區(qū)域的蔓延，因此狹長(zhǎng)空間右側(cè)排煙區(qū)偏向1#車輛首部區(qū)域的污染物濃度較低。

圖6 通風(fēng)方案1 首部區(qū)域三臺(tái)備車時(shí)氣流組織與污染物濃度分布圖

2.2 半橫向通風(fēng)方式對(duì)狹長(zhǎng)空間內(nèi)氣流組織特性的影響

綜合分析圖7 氣流組織和污染物濃度分布云圖，并結(jié)合前文分析發(fā)現(xiàn)，對(duì)于方案2，狹長(zhǎng)空間左右壁面上的排風(fēng)口，在發(fā)揮作用之時(shí)會(huì)擾亂縱向通風(fēng)所產(chǎn)生的均勻縱向氣流，無法及時(shí)從排風(fēng)口排出時(shí)又會(huì)與壁面相碰撞，形成不穩(wěn)定的氣流組織，同時(shí)中部區(qū)域的頂部送風(fēng)氣流向下遇到車輛障礙后向四周擴(kuò)散，帶動(dòng)車輛啟動(dòng)所排放的煙氣向人員活動(dòng)區(qū)或駕駛員區(qū)擴(kuò)散，進(jìn)而影響到車輛左側(cè)的人員活動(dòng)以及車輛駕駛；而且前三臺(tái)車輛排放的污染物亦有少量擴(kuò)散到了狹長(zhǎng)空間內(nèi)的尾部區(qū)域。

圖7 通風(fēng)方案2 首部區(qū)域三臺(tái)備車時(shí)氣流組織與污染物濃度分布圖

對(duì)于方案1 縱向通風(fēng)而言，由于通風(fēng)氣流在縱向流動(dòng)過程中沒有風(fēng)量排出，污染物逐步被送入狹長(zhǎng)空間內(nèi)的新風(fēng)稀釋，所以污染物濃度的峰值較低，且首部區(qū)域的污染物濃度相對(duì)于排風(fēng)型半橫向通風(fēng)更低。相比之下，方案1的通風(fēng)方式更佳，可以形成更加良好的氣流組織，便于人員活動(dòng)和駕駛車輛。

2.3 橫向通風(fēng)方式對(duì)狹長(zhǎng)空間內(nèi)氣流組織特性的影響

綜合分析圖8 氣流組織和污染物濃度分布云圖，并結(jié)合前文分析發(fā)現(xiàn)，方案3 與方案1 相比，橫向送風(fēng)射流產(chǎn)生了送風(fēng)口高度橫向上較大的向右風(fēng)速，沖擊車輛備車時(shí)所產(chǎn)生的有害煙氣，使得污染物氣體無法及時(shí)從右側(cè)壁面排風(fēng)口排出，被沖擊的煙氣撞擊右邊排風(fēng)口兩側(cè)的壁面，并在復(fù)雜氣流組織的卷吸下向左側(cè)人員活動(dòng)區(qū)和駕駛員區(qū)擴(kuò)散，同時(shí)縱向通風(fēng)產(chǎn)生的縱向氣流帶動(dòng)擴(kuò)散而來的煙氣更多地聚集在狹長(zhǎng)空間的首部區(qū)域，而方案1 縱向通風(fēng)過程中沒有風(fēng)量排出，污染物逐步被送入狹長(zhǎng)空間內(nèi)的新風(fēng)稀釋，所以污染物濃度的峰值較低，相較于方案1，方案3 首部區(qū)域的污染物濃度會(huì)更高。相比之下，方案1 的通風(fēng)方式更佳，可以形成更加良好的氣流組織，便于人員活動(dòng)和駕駛車輛。

圖8 通風(fēng)方案3 首部區(qū)域三臺(tái)備車時(shí)氣流組織與污染物濃度分布圖

3 結(jié)論

通過對(duì)三種通風(fēng)方式下狹長(zhǎng)空間內(nèi)車輛啟動(dòng)時(shí)氣流組織模擬仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比和分析可以得出以下結(jié)論。

①狹長(zhǎng)空間內(nèi)以縱向分析，方案2、3 所產(chǎn)生的復(fù)雜氣流組織會(huì)使得車輛啟動(dòng)所產(chǎn)生的有害煙氣向中部、尾部區(qū)域蔓延，相比于方案1 其污染物濃度會(huì)有所升高；從狹長(zhǎng)空間的橫向分析，當(dāng)位于人員活動(dòng)區(qū)和駕駛員區(qū)時(shí)，方案1、2、3 在首部區(qū)域所形成的污染物濃度依次增高，人員活動(dòng)區(qū)內(nèi)此現(xiàn)象尤為明顯。②對(duì)于縱向通風(fēng)而言，由于通風(fēng)氣流在縱向流動(dòng)過程中沒有風(fēng)量排出，污染物逐步被送入狹長(zhǎng)空間內(nèi)的新風(fēng)稀釋，所以污染物濃度的峰值較低，且首部區(qū)域的污染物濃度相對(duì)于橫向通風(fēng)和排風(fēng)型半橫向通風(fēng)更低。③在縱向通風(fēng)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的半橫向通風(fēng)和橫向通風(fēng)會(huì)產(chǎn)生不穩(wěn)定的氣流組織，帶動(dòng)車輛啟動(dòng)所產(chǎn)生的煙氣向周圍擴(kuò)散，而對(duì)于方案1 只要縱向通風(fēng)時(shí)，送風(fēng)氣流在尾部區(qū)域流向首部區(qū)域的過程中變得較為均勻，對(duì)于煙氣射流的直接排除起到了導(dǎo)流作用，可以減少煙氣的擴(kuò)散，所以相比之下，方案1 的通風(fēng)方式更佳，可以形成更加良好的氣流組織，便于人員活動(dòng)和駕駛車輛。