頂部多開口隧道熱壓通風模擬研究

單美群 張旭 葉蔚

頂部多開口隧道熱壓通風模擬研究

單美群 張旭 葉蔚

同濟大學機械與能源工程學院

頂部多開口隧道能避免汽車尾氣在隧道峒口集中排放，且利用自然通風降低隧道運行成本。而實際運用中自然通風作用能否達到隧道的需風量要求是不可知的。本文通過對稱的隧道模型采用數(shù)值模擬的方法研究頂部多開口隧道阻滯工況自然通風規(guī)律。通過研究得到：可以用簡化的尾氣混合溫度模型研究隧道熱壓通風；奇數(shù)對稱頂部開口隧道有利于熱壓通風；對稱分布的頂部開口數(shù)量超過3個時，隧道頂部開口通風量呈“中間小，兩邊大”的分布。

阻滯工況多開口熱壓通風數(shù)值模擬

0 引言

為避免隧道內(nèi)污染物在隧道峒口集中排放，影響峒口周圍環(huán)境，同時降低隧道運行成本，隧道采用頂部開口的方式進行自然通風[1]。在交通阻滯工況，由于車輛運動不連續(xù)，交通風力的通風作用貢獻進一步降低。在交通阻滯工況若不考慮環(huán)境風的影響，忽略交通風力作用，隧道的通風方式為熱壓作用下的自然通風。

目前對自然通風的研究方法有W de Gids和H Phaff提出計算單側開口自然通風的模型[2]，AIRNET模型、NORMA模型、PASSPORT-AIR模型等[3]通風網(wǎng)絡模型，近年來采用CFD模擬與實驗相結合的方法研究自然通風已成為主流[4、5]。

本文采用數(shù)值模擬的方法利用簡化的尾氣混合溫度模型研究阻滯工況隧道不同頂部開口的熱壓通風規(guī)律。

1 研究方法

阻滯工況隧道內(nèi)的汽車尾氣與周圍空氣混合使得隧道內(nèi)空氣與環(huán)境空氣存在溫差，在溫差產(chǎn)生的空氣密度差的作用下實現(xiàn)熱壓通風。采用數(shù)值模擬的方法研究隧道熱壓通風時，建立隧道內(nèi)所有的汽車模型十分復雜，因此本文提出采用空氣與汽車尾氣混合溫度近似代替汽車排氣管的作用，簡化模型。

阻滯工況隧道內(nèi)車速低于10km/h，車間距6～12m，假設隧道內(nèi)的車輛均勻分布，汽車尾氣會與周圍空氣混合，由于汽車排氣管離地面的高度小于0.5m，因此假設在t時間隧道0.5m高度內(nèi)汽車尾氣能與周圍空氣混合均勻。按照能量守恒：

式中：Ca為隧道內(nèi)空氣比容，kJ/(kg·K)；Ce為尾氣比容，kJ/(kg·K)；Cm為混合氣體比容，kJ/(kg·K)；ρa為空氣密度，kg/m3；ρe為尾氣密度，kg/m3；ρm為混合氣體密度，kg/m3；Va為隧道0.5m高度內(nèi)的空氣體積，m3；Ve為t間內(nèi)隧道內(nèi)的汽車排氣體積，m3；Vm為空與尾氣混合后的體積，m3；ta為空氣溫度，℃；te為尾氣溫度，℃；tm為混合氣體溫度，℃。

可以得到隧道0.5m高度內(nèi)空氣與尾氣混合溫度，若給出環(huán)境溫度，就能得到隧道熱壓通風驅(qū)動力。

1.1模擬工況設置

隧道熱壓通風一般發(fā)生在交通阻滯工況，隧道內(nèi)的空氣溫度既受氣車尾氣的影響又受隧道壁面溫度的影響，而隧道壁面溫度與隧道所處土壤有關，本文研究武漢地區(qū)環(huán)境溫度30℃時，交通阻滯工況多開口隧道熱壓作用自然通風規(guī)律。

1.2模型驗證

1.2.1幾何模型

由于在隧道內(nèi)建立所有汽車三維模型工作量大且網(wǎng)格質(zhì)量差，因此為驗證空氣與汽車尾氣混合溫度近似代替汽車排氣管的作用的可行性，本文建立隧道二維模型進行研究，如圖1所示為汽車尾氣模型a，按交通阻滯工況，建立隧道內(nèi)所有汽車模型，模擬實際隧道熱壓通風過程，圖2為混合氣體溫度模型b，按能量守恒計算的混合氣體溫度，模擬簡化的隧道熱壓通風過程。模型隧道長464m，高3.2m，埋深9.7m，頂部開口距離地面0.5m，隧道出入口坡度7.3%，圖中x軸坐標范圍-132m～332m，為隧道入口到隧道出口的坐標范圍，y軸坐標范圍-9.7m～0.5m，為隧道底面到頂部開口的坐標范圍。

圖1 汽車尾氣模型a

圖2 混合氣體溫度模型b

1.2.2邊界條件

研究表明，對狹長的豎方形空腔中的自然對流問題RNG k-ε湍流模型計算結果優(yōu)于標準k-ε模型[6]，因此在模型選擇方面選用RNG k-ε湍流模型，采用標準的壁面函數(shù)，考慮溫差引起的浮升力的作用，采用boussinesq假設。

模擬環(huán)境溫度30℃工況，怠速工況汽車排氣溫度400℃，排氣量0.017m3/s，對于模型a排氣管設為質(zhì)量入口，模型b則按式（1），假設1min內(nèi)汽車尾氣能與周圍空氣混合均勻計算，尾氣混合溫度為35℃，將隧道地面設為定壁溫邊界條件。隧道壁面溫度受隧道所處土壤溫度影響，將武漢地區(qū)夏季土壤溫度作為隧道定壁溫邊界條件，并且考慮土壤導熱設置10m的虛擬厚度。因自然通風的方向不確定，隧道開口設為壓力入口。用非穩(wěn)態(tài)方法計算，設置SIMPLE算法，壓力差值選擇體積力加權格式（Body Force Weighted），動量、能量等項采用兩階迎風離散格式計算。

1.2.3模型驗證結果分析

由圖3、4可以看出汽車尾氣模型a、混合氣體溫度模型b在隧道2m高度上的溫度、風速分布趨勢相似。從溫度分布圖3可以看出隧道頂部開口段溫度最低，越靠近兩邊出入口溫度越高，在隧道出口段兩模型溫度值差別不大，在隧道入口段兩模型溫差很大，溫差最大有1.28℃，相對誤差4%。圖4風速分布圖顯示在隧道頂部開口段兩模型風速分布相同，其他段模型a風速值均大于模型b，且隧道入口段差值更大一些，最大差值0.08m/s，相對誤差為16%。

圖3 隧道2m高溫度分布

圖4 隧道2m高風速分布

從隧道通風量圖5可以看出模型a各開口通風量均大于模型b，最大通風量相對誤差13%，但兩模型各開口通風量分布相同。

圖5 隧道開口通風量

由以上結果可以得到混合氣體模型和汽車尾氣模型隧道內(nèi)溫度、風速及風量分布趨勢相同，兩模型溫度、風速、風量最大相對誤差分別為4%、16%、13%。本文就采用尾氣混合溫度模型研究頂部多開口隧道熱壓通風規(guī)律。

2 頂部多開口隧道熱壓通風數(shù)值模擬

2.1幾何模型

如圖6所示為本文的隧道模型，該模型尺寸與圖1、2相同，進出口的坡度為7.3%，隧道長464m，寬11.2m，高3.2m，埋深9.7m，隧道頂部開口高于地面0.5m，x軸坐標范圍-132m～332m，為隧道入口到隧道出口的坐標范圍，y軸坐標范圍0m～11.2m，為隧道寬度范圍，z軸坐標范圍-9.7m～0.5m，為隧道底面到頂部開口的坐標范圍。隧道頂部開口面積69m2，開口寬度2m，本文通過改變隧道頂部開口的數(shù)量（開口長度）來研究阻滯工況多開口隧道熱壓通風效果。

圖6 隧道模型

2.2模擬結果分析

2.2.1一個頂部開口分析

圖7為隧道1.6m高度上不同寬度處的溫度分布圖。圖7溫度分布圖表明隧道頂部開口段溫度最低，越靠近隧道出入口，空氣溫度越高；隧道軸線（Y= 5.6m）上空氣溫度在頂部開口處最低，在其他段上溫度略高；隧道內(nèi)溫度分布在頂部開口處左右對稱，在隧道寬度上沿軸線也對稱。

圖7隧道1.6m高溫度分布

圖8 為隧道5.6m寬不同高度上的溫度分布，圖8表明同一寬度不同高度上隧道溫度分布相同。

圖8 隧道5.6m寬溫度分布

2.2.2兩個對稱頂部開口分析

圖9為設有兩個對稱頂部開口的隧道5.6m寬溫度分布圖，圖中溫度最低且較平的兩段為頂部開口，從圖中看出頂部開口處空氣溫度明顯低于隧道出入口處空氣溫度，因此隧道頂部開口段和隧道出入口段空氣存在密度差，隧道內(nèi)氣流由頂部開口流入，分別從隧道出入口流出。而在兩頂部開口之間的隧道，由于兩頂部開口溫度分布相同，由兩頂部開口和隧道中間段形成的“U形管”兩側沒有密度差，因此就沒有熱壓通風作用，該部分空氣溫度比較高。

圖9 兩個對稱開口隧道5.6m寬溫度分布圖

2.2.3多個對稱頂部開口分析

圖10所示為開口數(shù)量增加時隧道5.6m寬2m高溫度分布圖，圖中溫度最低且較平的小段為頂部開口，小平段的個數(shù)代表頂部開口個數(shù)。頂部設有2個、4個開口時，在隧道中間段溫度高于其他段。因此對于開口面積一定，頂部開口數(shù)量變化的隧道，交通阻滯工況利用熱壓自然通風時，偶數(shù)對稱開口隧道，在隧道中間段會出現(xiàn)局部高溫段；奇數(shù)對稱開口隧道有利于消除隧道中間局部高溫段，因此，頂部開口位于隧道中間有利于隧道熱壓通風。

圖10不同開口數(shù)量隧道5.6m寬2m高溫度分布圖

圖11 ～15所示為開口面積一定，開口數(shù)量不同時隧道各個開口通風量，正值為空氣流入隧道，負值為空氣排出隧道。圖中所示開口數(shù)量的變化影響隧道各個開口通風量的大小，但不影響各個開口的通風狀態(tài)，即頂部開口為隧道進風狀態(tài)，隧道出入口為排風狀態(tài)。隨著開口數(shù)量增加，隧道各個頂部開口通風量逐漸減少，且隧道各個開口通風量呈“中間小，兩邊大”的分布。圖10所示對于某個開口隧道頂部開口段和隧道出入口段溫差不變，因此兩段空氣密度差不變，則隧道提供的熱壓差g(ρa-ρ)(H2-H1)即流動的動力基本不變化，則流動阻力大的支路，其流動動能小，其通風量小，而處于隧道中間段的頂部開口距離隧道兩側出入口最遠，其阻力最大，因此開口數(shù)量超過3個時，隧道各開口的通風量呈“中間小，兩邊大”的分布。

圖11 一個頂部開口通風量

圖12 兩個頂部開口通風量

圖13 三個頂部開口通風量

圖14 四個頂部開口通風量

圖15 五個頂部開口通風量

3 結論

本文采用數(shù)值模擬的方法研究頂部多開口隧道阻滯工況熱壓通風規(guī)律，研究結果表明：

1）混合氣體溫度模型和汽車尾氣模型隧道內(nèi)溫度風速及風量分布趨勢相同，可以用簡化的混合氣體溫度模型研究隧道熱壓通風。

2）偶數(shù)對稱頂部開口隧道，頂部開口中間段溫度較高，而奇數(shù)對稱頂部開口有利于隧道熱壓通風。

3）對稱分布的頂部開口數(shù)量超過3個時，隧道頂部開口通風量呈“中間小，兩邊大”的分布。

[1]葛家美.城市隧道頂部開孔自然通風研究[D].成都:西南交通大學,2010

[2]W De Gids H P.Ventilation Rates and Energy Consumption due to Open Windows[Z].Netherlands:1982

[3]Dascalaki E,Santamouris M,Argiriou A,et al.Predicting single sided natural ventilation rates in buildings[J].Solar Energy,1995, 55(5):327-341

[4]Yi Jiang.Buoyancy-driven single-sided natural ventilation[J].International Journal of Heat and Mass Transfer,2003,46:973-988

[5]陳雨,許志浩,馬國川.關于自然通風CFD算法幾點探討[J].制冷與空調(diào)(四川),2011,(1):78-81

[6]陶文銓.數(shù)值傳熱學[M].西安:西安交通大學出版社,1990

Sim ula tion of Buoya nc y-drive n Na tura l Ve ntila tion in Tunne l w ith Multiple Top Ope nings

SHAN Mei-qun,ZHANG Xu,YE Wei
School of Mechanical Engineering,Tongji University

Top openings in tunnel can be used to promote natural ventilation and to avoid exhausting only at the exit of the tunnels.However,the outcome of adding top openings to the tunnel could be unpredictable in practices.This paper applied the numerical method to simulate the effect of natural ventilation in tunnel with top openings under traffic block conditions by adopting a symmetrical tunnel model.The results shown that:1)the simplified exhaust gas mixing temperature model can be used to study on the buoyancy-driven natural ventilation in tunnel;2)tunnel with odd uniform top openings is advantageous to the natural ventilation;3)when tunnel has more than three uniform top openings,the ventilation rate increases from middle opening to the sides openings.

traffic block,multiple top openings,buoyancy-driven natural ventilation,numerical simulation

1003-0344（2014）06-051-5

2013-10-18

張旭（1955～），男，博士，教授；上海市同濟大學機械與能源工程學院（201804）；E-mail:xuzhang@tongji.edu.cn