隧道內機動車尾氣排放污染范圍的數值模擬

盧銀彬， 劉 寧， 張孫孝

(1.西安石油大學機械工程學院， 西安 710065； 2.長安大學工程設計研究院有限公司，西安 710064；3.長安大學建筑工程學院，西安 710061)

人們物質生活水平的不斷提高讓很多家庭購車需求日益強烈。截至2018年9月底，中國機動車保有量達3.22億輛，駕駛員數量突破4億。與其他國家相比，中國機動車保有量大，尾氣排放集中于近地面和人口密集區域。另外，機動車擁堵造成尾氣排放量的進一步增加[1-6]。尾氣的大量排放是導致霧霾、光化學煙霧等惡劣天氣頻頻發生的重要原因之一[7-11]。因此，明確機動車尾氣排放特性，提出尾氣的有效控制策略，降低污染范圍已刻不容緩。

中外很多學者對機動車尾氣進行了大量實地調研和分析研究[12-14]。穆懷中和范洪敏[15]基于箱式大氣質量模型，測算出2012—2020年間沈陽市尾氣排放的“紅線”水平，指出歐Ⅲ、歐Ⅳ排放標準下的最優機動車保有量分別為60萬、 99萬輛。劉水長等[16]利用高分辨率遙感影像建立某城市核心區域幾何模型，對城市汽車尾氣擴散與城市空間結構的關聯性進行研究。結果表明：在空間狹小區域，近地空間CO體積分數達10-7，城市空間結構對尾氣擴散影響較大。此外，一些學者通過分析尾氣排放模型，指出城市道路結構、管控手段是影響污染物擴散的重要因素[17-18]。另外，很多學者基于高斯擴散模型分析機動車尾氣濃度分布特性和擴散特征[19-22]。近年來，數值模擬方法也逐漸成為研究機動車污染的又一重要手段。張金貴等[23]數值模擬隧道內機動車尾氣擴散情況，結果表明：無通風情況下，機動車尾氣主要分布在近地面，并在機動車后方形成一條對污染物擴散起關鍵性作用的高速風帶。

綜上所述，關于機動車尾氣排放的研究多集中于城市空間結構、道路規劃等參數對污染物擴散濃度影響規律的探討，未涉及隧道內機動車尾氣污染范圍的分析研究。因此，亟需對機動車阻滯和正常行駛時排放尾氣的污染影響范圍展開深入研究。本研究以商業數值軟件FLUENT為工具，模擬研究隧道內機動車阻滯和正常行駛時污染物影響范圍情況，從而明確機動車尾氣的污染范圍和分布特性規律，為制定合理的機動車污染控制策略提供理論依據。

1 機動車速度和尾氣排放情況

根據市場調研，并統計機動車參數，模擬采用的隧道和機動車尺寸如表1所示。

王嘉松等[24]對機動車尾氣情況測試指出：柴油類出租車尾氣怠速和正常行駛時尾氣的排放速度分別為8.4、22.7 m/s。實際上，駕駛員操控機動車的習慣(如踩油門的輕重)也會對尾氣排放速度產生影響，這里監測出的尾氣排放速度為平均速度。根據統計調研發現，一般機動車尾氣排放管直徑為6 cm，高度約為30 cm。機動車排氣管尺寸以及機動車不同行駛狀態下的尾氣排放情況如表2所示。

表1 隧道和機動車尺寸Table 1 Sizes of tunnel and vehicle

表2 機動車尾氣參數Table 2 Parameters of exhaust gas of vehicles

由于隧道內尾氣擴散效果是隧道內通風與機動車行駛交通風綜合作用的結果，因此采用機動車與隧道內空氣之間的相對速度描述速度與污染范圍的內在聯系。采用的相對速度分別為2、4、8、12、16、20、24 m/s。這里采用相對速度最高限值為24 m/s的原因如下：機動車在隧道內一般限速60 km/h(合計約16 m/s)，雙向隧道內通風風速一般低于8 m/s[25]，得最大相對速度為16+8 m/s=24 m/s。

2 隧道內尾氣排放物理模型

不考慮機動車本身細節特性(如輪胎、前擋風玻璃形狀等)對尾氣污染范圍的影響，將機動車本身作為整體輪廓處理，模擬幾何形狀如圖1所示。

圖1 計算幾何區域Fig.1 Geometric region

以CO代表機動車排放的尾氣，模擬計算時，采用質量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程以及湍流質量擴散方程。

(1)質量守恒方程，又稱連續性方程：

(1)

式(1)中：ρ為流體密度，kg·m-3；t為時間，s；x,y,z為三個方向；u、v、w為三個方向的流體速度，m·s-1。

(2)動量守恒方程:

(2)

式(2)中：p為流體壓力，Pa；μ為流體動力黏度，Pa·s；Si為三個方向的廣義源項。

(3)能量守恒方程：

(3)

式(3)中：C為比熱容，J·kg-1·K-1;T為溫度，K；k為流體的傳熱系數，W·m-2·K-1；ST為流體黏性耗散項。

(4)湍流質量擴散方程

(4)

式(4)中：Di,m為混合物中i成分的質量擴散系數；μt為湍流黏度；Sct為施密特常數，取默認值0.7；Yi為i成分的質量比例；DT,i為熱擴散系數。

3 結果分析與討論

3.1 模擬有效性驗證

為證明模擬結果的有效性，根據文獻[24]中機動車尾氣管幾何尺寸以及相關排放數據，進行模擬對比，分析機動車在阻滯和正常行駛時污染物濃度情況，如圖2所示。

圖2 機動車尾氣模擬排放濃度驗證Fig.2 Comparison of numerical exhaust gas concentrationwith available data of literature[24]

對比結果顯示，模擬結果與文獻數據吻合良好，證明了本文模擬結果的準確性。

3.2 機動車尾氣污染物的情況

圖3 阻滯工況下轎車排放尾氣污染濃度Fig.3 Exhaust gas concentration of cars in traffic jam

圖3為阻滯工況時轎車在不同相對速度下尾氣污染濃度情況云圖。由于顯示整個機動車輛后，尾氣污染區域無法清晰顯示，在此僅顯示機動車輛局部位置(見圖3左下角白色區域)。從圖3可以看出，轎車尾氣污染范圍隨著機動車和空氣之間相對速度的增大而減小，且呈現輕微上揚趨勢；當相對速度v>8 m/s時，相對速度對污染物擴散范圍的影響不大。

圖4 正常行駛工況下轎車排放尾氣污染濃度Fig.4 Exhaust gas concentration of cars in normal traffic state

圖4為轎車正常行駛時不同相對速度下尾氣污染情況云圖。與阻滯工況下污染規律一樣，轎車尾氣污染范圍隨著相對速度的增大而減小，當相對速度v>12 m/s時，相對速度對污染物擴散范圍的影響不大。

從圖3和圖4分析可知，對于一定行駛狀態下的機動車，通風流速并非越大空氣質量越好。當相對速度達到一定值后，污染物影響范圍幾乎不變。因此，無限制地提高通風風速，不僅帶來高電能的消耗問題，而且產生很大噪聲，大幅降低機動車內乘坐人員的舒適度。

3.2.1 尾氣橫向污染范圍

圖5 機動車行駛時橫向污染情況Fig.5 Longitudinal pollution of vehicles running

為明確機動車行駛時尾氣污染范圍情況，模擬研究了尾氣在機動車行駛方向(橫向)以及垂直于機動車行駛方向(縱向)的污染范圍。圖5為機動車行駛時橫向污染情況。可以看出，當機動車處于阻滯或者正常行駛狀態時，機動車類型對橫向污染范圍影響甚微。機動車與空氣之間的相對速度對尾氣橫向污染范圍影響很大，并隨著相對速度的增加而減少。對于機動車處于阻滯工況時，當空氣與機動車之間的相對速度達到近8 m/s時，污染范圍很小；但是處于正常行駛狀態的機動車，其污染范圍較阻滯情況大，需要更大的相對速度(約12 m/s)，污染范圍才能縮小。對正常行駛的機動車，其污染較阻滯狀態下的機動車污染范圍廣，這是因為正常行駛的機動車較阻滯的機動車需要更大的動力支撐，因此需要消耗更多的燃油，而隨之帶來的尾氣在單位時間內排放速率的增加。但是值得注意的是，這不意味著阻滯下的機動車對空氣污染小，因為阻滯下機動車行駛某路段時間較長，產生的污染物總量提高，若不及時通風，可能會造成嚴重后果。

為了進一步明確相對速度與橫向污染范圍的聯系，基于模擬仿真結果，有當機動車處于阻滯工況時，尾氣橫向污染范圍與相對速度之間的關系如圖6所示。

圖6 機動車處于阻滯狀態時橫向污染情況Fig.6 Longitudinal pollution of vehicles in traffic jam

(5)

當機動車正常行駛時，尾氣橫向污染范圍與相對速度符合式(6)關系，如圖7所示。

圖7 機動車正常行駛時橫向污染情況Fig.7 Longitudinal pollution of vehicles in normal traffic state

(6)

對比分析式(5)和式(6)可知，尾氣橫向污染范圍符合：

(7)

式(7)中：a的具體數值與機動車行駛狀態相關：當機動車處于阻滯狀態時，取a=2.7；當機動車處于正常行駛狀態時，取a=12.5。

3.2.2 尾氣縱向污染范圍

圖8 機動車處于阻滯狀態時縱向污染情況Fig.8 Vertical pollution of vehicles in traffic jam

圖8為機動車處于阻滯狀態時縱向污染情況，可以看出，在污染縱向最低處，其數值隨著相對速度的增加而增加，并且增加速率逐漸降低。在污染縱向最高處，其數值隨著相對速度的增加呈現先略微增大然后逐漸降低的趨勢，降低速率隨著車型尺寸的降低而提高，即轎車降低幅度最大，小貨車次之，卡車最小。尾氣縱向上的污染整體范圍呈現出整體下降的趨勢。當相對速度處于0～5 m/s時，縱向污染范圍存在最大值，通風設計時需要考慮相對速度處于該范圍帶來的不利影響。

圖9為機動車正常行駛時縱向污染情況。從圖9中可以看出，污染縱向最低處，其數值隨著相對速度的增加而增加，并且增加速率逐漸減小。這是由于相對速度增加時，尾氣受到尾氣管周圍空氣壓力的影響。在在污染縱向最高處，其數值隨著相對速度的增加呈現先略微增大然后逐漸降低的趨勢。尾氣縱向上的污染范圍呈現出隨相對速度的提高而下降的趨勢，與阻滯情況相同，當相對速度處于0～5 m/s時，縱向污染范圍存在最大值。

圖9 機動車正常行駛時縱向污染情況Fig.9 Vertical pollution of vehicles in normal traffic state

4 結論

考慮實際機動車尾氣排放管道的尺寸和高度，采用商業數值軟件FLUENT模擬研究機動車在阻滯和正常行駛狀態下尾氣排放污染范圍情況，獲得以下主要結論：

(1)相對速度的增加可以有效控制污染范圍，但無限制增加通風風速并不能大幅提高空氣質量，反而會帶來高能耗、噪聲等問題，當機動車處于阻滯工況，相對速度v>8 m/s時，污染物擴散范圍受相對速度影響可以忽略不計；當機動車正常行駛，相對速度v>12 m/s時，污染物擴散范圍受相對速度影響可以忽略。

(2)尾氣橫向污染范圍與機動車尺寸類型關系甚微，并且隨著相對速度的增加而減小；正常行駛中的機動車橫向污染范圍較阻滯下的機動車的大，但這種差距隨著相對速度的增大而縮小，兩者橫向污染范圍均符合x=a/v1.5+0.1的規律，參數a具體數值與機動車行駛狀態相關：當機動車處于阻滯狀態時，取a=2.7；當機動車處于正常行駛狀態時，取a=12.5。

(3)尾氣縱向污染區域主要表現在三個方面：①污染縱向最低值隨著相對速度的增加，但增加幅度逐漸縮小；②污染縱向最高值隨著相對速度的增加而先出現波峰，隨后逐漸下降，而這種下降幅度與車型有關，轎車最大，小貨車次之，卡車最小；③污染縱向范圍整體呈現隨著相對速度的增加而下降的趨勢，但是在相對速度處于0～5 m/s時，縱向污染范圍存在最大值，對隧道通風設計時需要考慮相對速度處于該范圍的不利影響。