行車速度對半敞開式公路隧道自然通風的影響

巢萬里，李冬霞

(1.湖南省交通科學研究院，湖南 長沙 410015；2.山西省交通職業技術學院，山西 太原 030031)

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行車速度對半敞開式公路隧道自然通風的影響

巢萬里1，李冬霞2

(1.湖南省交通科學研究院，湖南 長沙 410015；2.山西省交通職業技術學院，山西 太原 030031)

摘要:采用ANSYS中的FLUENT版塊，綜合考慮隧道長度和通風口面積等影響因素，在通風段布置方式相同的情況下，通過改變行車速度的快慢，進行多次對比計算，研究分析隧道靜壓、動壓及風速的變化情況。研究結果表明：隨著行車速度的增加，隧道內流場靜壓動壓和風速等極值增大，且波動幅度增大；隨著行車速度的增加，行駛車輛的影響范圍逐漸增大。尤其當車輛行駛在通風段中時，通風口之間的對流作用隨著車輛行駛速度的增加逐漸加大，對流場的影響范圍也顯著增加；在通風段布置相同時，隨著行車速度的增加，自然通風效果變好。當車速大于30 km/h時，隧道內的靜壓、動壓和風速均出現大幅度的變化，滿足自然通風的要求；當行車速度小于30 km/h時候，需要進行局部機械通風。

關鍵詞：自然通風；半敞開式城市隧道；行車速度；靜壓；動壓

行駛在隧道內的車輛具有一定的速度和斷面積，會造成隧道內尤其是車體周圍空氣的流動，這種由車輛運動所引起的隧道氣流運動產生的交通通風力為“活塞風”。當沿隧道前進方向的上方(或側壁)間斷設有通風孔與外界大氣連通時,隧道內部的氣流運動必將在通風孔產生相應的壓力,使得通風孔產生排出或吸入氣流[1-2]。對于車流量較大、車速較高的單向隧道，由車流運動所產生的交通風壓是自然通風的主要動力[3-4]。國內外學者已經對自然通風隧道開展了相關研究。童艷等[5]利用理論分析和實驗研究的方法，建立了全長隧道污染物分布模型，在此基礎上得到了不同豎井間距、豎井截面、車速和主體長度下，隧道內污染物濃度的分布情況，指出提高車速和降低主體長度能有效改善污染物的分布情況。鐘星燦等[6]將公路隧道內隨機運動的車流假定為恒定持續的車流,根據動量、能量和質量守恒的基本定律,建立相關的關系式,探索分析這種隧道自然通風的氣流運動規律，得出了在有條件設置通風孔的前提下,單向公路交通隧道采用這種自然通風方式是一種有效的通風方案。任韌[7]采用CFD軟件對隧道內的交通活塞風進行了數值模擬，討論了活塞風對隧道內空氣速度場和壓力場分布的影響，以及2輛汽車錯車前后隧道內的流場分布。但是鮮有將隧道長度、通風口面積等因素綜合考慮來分析不同行車速度對隧道自然通風的影響的研究。在此，本文通過ANSYS中的FLUENT版塊進行二維模擬計算分析，綜合考慮隧道長度、通風口面積等影響因素下，研究行車道速度對半敞開式隧道自然通風的影響規律。

1城市隧道自然通風理論

城市自然通風隧道，車輛行駛引起的氣流運動以及外界大氣是影響隧道內氣體流動的主要因素，作用在隧道內氣流上的作用包括：交通通風力、交通阻抗力(包括局部阻力、沿程阻力)[8-10]。

1.1交通通風力

單向交通的交通通風力可按下式計算：

(1)

汽車等效阻抗面積可按下式計算：

(2)

式中：Acs為小型車正面投影面積，m2；ξcs為小型車空氣阻力系數；Acl為大型車正面投影面積，m2；ξcl為大型車空氣阻力系數；rl為大型車比例。

2.2交通阻抗力

交通阻抗力主要包括局部阻力和沿程摩擦阻力。局部阻力和沿程摩擦阻力分別是由隧道進出口、通風孔及隧道壁面摩擦所產生的阻力。

(3)

(4)

根據《隧道通風設計細則》(JTJ/TD70/2—02—2014)第7.1.4條, 本文的風與隧道隧道沿程阻力系數λ取0.02，隧道局部阻力系數ξ取1.0。

2隧道模型的建立

本文模型的建立是依據湖南省擬建京港澳國家高速公路長沙連接線中的矩形雙向城市隧道馬欄山隧道進行的模擬計算。該隧道U型槽段長619m，地下封閉段長約1 050m，通風口的高度為2.8m，隧道縱斷面高度為5.2m。

依托該隧道進行模擬計算，并將模擬隧道的范圍擴展到2 500m，模擬隧道長度分別為1 000，1 500，2 000和2 500m。

自然風速：2.67m/s；速度入口處湍流強度：0.05；湍流黏性比：0.1；網格尺寸：0.25m。

車輛進入隧道后勻速前進，在隧道內行進過程中不考慮車輛加減速或停車等情況。車輛的尾部為質量入口，通風口頂部和隧道出口為出流。本文中只考慮CO的排放，其他氣體不做研究。本文的計算模型主要考慮交通風壓對隧道通風的影響，熱壓對隧道通風影響的有限，因此在本次模型計算中暫不考慮[11-16]。

2.1幾何建模

本文采用二維建模，隧道內通風口組即通風口均勻布置，共設置4個通風口組，因此將隧道全長進行分段，如圖1所示，可見隧道共分為9段，若隧道全長為L，則：L=2L1+4L2+3L3，其中L1為緩沖段即隧道進口或者出口至最近通風口邊緣的距離。L2為通風段即隧道縱向一個通風口組的長度，L3為相鄰2個通風段之間的間隔。經試算，L1長度取為0.1L時，隧道通風效果較好，因此取L1=0.1L。

圖1　隧道長度示意圖Fig.1 Sketch map of the length of tunnel

一個通風段L2的布置見圖2。本文模型中單個通風口的長度m=8。h為通風口的高度，m為單個通風口在隧道縱斷面的長度，s為一個通風口組內相鄰兩個通風口之間凈距，n為單個通風口的數量，L2=n×m+(n-1) ×s。經試算，在隧道長度為1 000m時，S取為16m時隧道通風效果最好，對于其余長度的隧道，S的距離為16×nm并取整，n為隧道長度的比值。最終試驗模型各段長度見表1。

圖2　通風段L2的布置示意圖Fig.2 Sketch map of the arrangement of ventilation section L2

通過試算可以發現：行駛車輛駛出通風段進入間隔段并行駛一定距離之后對緩沖段和通風段的流場不產生任何影響，且對間隔段的影響也僅僅集中在車輛周邊很小的區域內，因此在間隔段中截取L2′長度參與計算，并由試算得出一般情況下L2′長度與緩沖段L1長度相同即可。

表1　試驗模型各段長度Table 1 Length of each part of the final experimental model　m

單位：m圖3　計算段模型Fig.3 Model of calculation section

2.2對比試驗

車輛勻速在隧道內行進中，行駛速度不同隧道內通風效果也不同。為了準確分析行車速度對通風效果的影響，選取同一組別、同一長度代號和不同計算編號的計算結果進行分析。若G3-5 內的G3-5-1，G3-5-2，G3-5-3和G3-5-4之間對比為1次分析，則共有12次對比分析,見表2。表中組別G1，G2，G3和G4分別代表隧道長度為1 000，1 500，2 000和2 500m。長度代號G1-n中的n代表通風口的個數。如G1-4-2表示在本次試驗中隧道長度為1 000m，隧道1個通風口組有4個通風口，行車速度為30km/h。

1次對比分析中的4個計算模型僅有車輛行駛速度不同，其余完全相同：1)隧道長度相同；2)隧道內通風口布置方式相同：緩沖段、通風段和間隔段完全相同；3)計算長度相同：建模長度完全相同。由于數據量較大，本文僅選擇G1-3組進行詳細的分析說明。

2.3測點布置

為了方便比較，形象直觀地顯示計算所得，設置了多個典型測點，X即為隧道縱向(走向)，Y即為隧道高度方向。如圖4所示。

表2對比試驗

Table2Contrasttest

單位：m圖4　測點布置圖Fig.4 Observation points arrangement

由于車輛的在隧道內行駛的時刻不同在隧道內的位置不同，因此選擇幾個典型的時刻進行分析，各個時刻車輛的位置說明如表3所示。

表3　各個時刻車輛位置的說明

3計算結果及分析

3.1計算結果

由于計算數據較多，在此，僅列出測點1～測點3的計算結果。見圖5～13所示。

3.2計算結果分析

靜壓計算結果分析:

1)G1-3-1即阻滯速度下，各個測點在各個時刻的靜壓變化較小，均在0值左右波動，即和大氣壓強值左右有微小的變動；

2)各個測點隨著車輛行駛速度的增加，靜壓數據的波動范圍逐漸增大，G1-3-4數據形成的折線圖將其他折線圖“包絡”起來；

3)當行車速度大于30km/h時，靜壓出現明顯變化，波動幅度較大。

動壓計算結果分析:

1)同靜壓變化一致，G1-3-1各個測點在各個時刻的動壓變化較小，均在0值左右波動，即G1-3-1中車輛產生的運動壓強較小；

圖5　測點1的靜壓Fig.5 Static pressure of observation point 1

圖6　測點2的靜壓Fig.6 Static pressure of observation point 2

圖7　測點3的靜壓Fig.7 Static pressure of observation point 3

圖8　測點1的動壓Fig.8 Dynamic pressure of observation point 1

圖9　測點2的動壓Fig.9 Dynamic pressure of observation point 2

圖10　測點3的動壓Fig.10 Dynamic pressure of observation point 3

2)從測點1-～測點9的動壓變化圖可以看出各個速度下，測點1在時刻1，測點2在時刻2，測點3在時刻3，測點4在時刻4，測點5在時刻5，測點6在時刻6，測點7在時刻7，測點8在時刻8，測點9在時刻9時的動壓數據為極值；

圖11　測點1的風速Fig.11 Wind velocity of observation point 1

圖12　測點2的風速Fig.12 Wind velocity of observation point 2

圖13　測點3的風速Fig.13 Wind velocity of observation point 3

3)測點1～測點18，隨著車輛行駛速度的增加，動壓數據的波動范圍逐漸增大，G1-3-4數據形成的折線圖將其他折線圖“包絡”起來；

4)測點19～測點21，G1-3-1，G1-3-2，G1-3-4的動壓波動范圍較小，動壓數值幾乎重合，而G1-3-3動壓波動范圍最大，形成包絡趨勢；

5)當行車速度大于30km/h時，動壓出現明顯變化，波動幅度較大。

風速計算結果分析：

1)同動壓變化一致，G1-3-1各個測點在各個時刻的風速變化較小；

2)從測點1-～測點9的風速變化圖可以看出：各個行駛速度下，測點1在時刻1，測點2在時刻2，測點3在時刻3，測點4在時刻4，測點5在時刻5，測點6在時刻6，測點7在時刻7，測點8在時刻8，測點9在時刻9時的風速數均為極值；

3)隨著車輛行駛速度的增加，風速數據的波動范圍逐漸增大，G1-3-4數據形成的折線圖將其他折線圖“包絡” 起來。僅有測點13和測點15分別由G1-3-2和G1-3-3形成的折線圖包絡；

4)當行車速度大于30km/h時，風速出現明顯變化，波動幅度較大。

同理按照G1對比分析中的分析方法，完成了G2～G4各組的分析，與上述結果基本相似。

4結論

1)隨著行車速度的增加，隧道內流場靜壓動壓和風速等極值增大，且波動幅度增大；

2)隨著行車速度的增加，行駛車輛的影響范圍逐漸增大。尤其當車輛行駛在通風段中時，通風口之間的對流作用隨著車輛行駛速度的增加逐漸加大，對流場的影響范圍也顯著增加；

3)在通風段布置相同時，隨著行車速度的增加，自然通風效果越好。當車速大于30km/h時，隧道內的靜壓、動壓、風速均出現大幅度的變化，滿足自然通風的要求；當行車速度小于30km/h時候，需要進行局部機械通風。

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* 收稿日期：2015-09-23

基金項目：湖南省交通科技項目(201023)

通訊作者：巢萬里(1978-)，男，湖南汨羅人，高級工程師，從事巖土與地下工程設計與科研工作；E-mail:379034986@qq.com

中圖分類號：U453.5

文獻標志碼：A

文章編號：1672-7029(2016)06-1222-07

Influence of driving speed of semi-open city tunnel on natural ventilation

CHAO Wanli1，LI Dongxia2

(1.HunanCommunicationsResearchInstitute，Changsha410015，China；2.ShanxiTrafficVocationalandTechnicalCollege,Taiyuan030031,China)

Abstract：Considering influence factors such as length of tunnel and the area of vents, a two-dimensional numerical simulation is presented in this paper by using FLUENT section of ANSYS. In the case of the same ventilation section arrangement and the change of driving speed, multiple contrast calculations were performed to analyze the changes of static pressure, dynamic pressure and wind velocity. The calculated example showed: With the increase of driving speed，the maximum of dynamic pressure and wind velocity will increase，and So as the volatility. With the increase of driving speed，influence scope of driving vehicle increase at the sare tine. When vehicle located at ventilation section, convection which between vents increases with the increase of driving speed，as well as the influence scope of the flow distribution. In the case of the same ventilation section arrangement, natural ventilation is better with the increase of driving speed. When driving speed is greater than 30 km/h, static pressure, dynamic pressure and wind velocity change greatly so that the request of natural ventilation can be satisfied; When driving speed is less than 30 km/h, sectional mechanical ventilation is needed.

Key words：natural ventilation; semi-open city tunnel;driving speed; static pressure; dynamic pressure