臺州祥和隧道交通風數值模擬研究

張文俊

（臺州元合建設發展有限公司，浙江 臺州 710061）

目前，隧道通風運營中多采用縱向機械通風的方式，耗電量巨大，給隧道運營帶來了沉重的經濟負擔。由于汽車行車速度的加快和行車密度的增加，交通風的利用日趨成熟。但是，在現有的機械通風中，交通風由于與交通流量密切相關，未能充分利用，造成了大量自然能源的浪費。現有的研究對于交通風量化規律性結論較少；且僅針對速度進行了分析，但僅通過車輛運動產生交通風速度的大小來判斷等效交通風是不完整的。

1 依托工程

依托工程祥和隧道為雙洞分離式長隧道，長度為1792m/1654m，地形坡度約5-60°，山體植被較發育，隧址區地面最高點高程約為482m，屬越嶺隧道。祥和隧道設計車速100km/h，全程采用射流風機縱向通風。

2 理論分析

在隧道中運行的車輛，由于具有一定的運動速度和相應的車體斷面，將能量傳遞給隧道的空氣，造成了隧道內部的空氣流動。這種由車輛運動所引起的隧道氣流運動俗稱為“活塞風”，由“活塞風”產生的風壓成為交通通風力。根據能量守恒定律，在單向交通的情況下，車輛運動與隧道空氣之間滿足：

對于任一有限長度的隧道而言，車輛運動產生的氣流運動交通風力即

其中：ΔPt交通風力的風壓（壓差） （N·m-2）；Am為車輛迎風面積（m2/輛）；Ar為隧道斷面積（m2）；Vt為車體運動速度（m·s-2）；Vr為隧道內空氣流速（m·s-2）；n為同向運動的車輛數量（輛）；ρ 為空氣密度（kg·m-2）。

當外界沒有為隧道提供任何空氣流動的其它動力，且假定并無其它外界因素干預時，在這個有限長度內，隧道空氣流動可以達到的實際風速Vr，則需要滿足車輛運動產生的風壓與實際存在的所有隧道局部阻力ΔPz和沿程摩擦阻力ΔPm的自然平衡。即：

其中：ΔPz為隧道局部阻力（N·m-2）；ΔPm為隧道沿程摩擦阻力（N·m-2）。

可以認為，初始狀態時，Vr=0。ΔPt為最大值，為隧道空氣流動提供所需的壓力。

終狀態時，Vt＞Vr，且Vr=Vmax。隧道內空氣流速達到了可以達到的最大值。車輛運動產生的風壓，為氣流運動克服了必然存在的隧道沿程摩擦阻力ΔPm和局部阻力ΔPz，并使原來靜止的空氣達到并保持一定的流速。此時的車輛運動，已不能為隧道氣流運動繼續提供更多的風壓。

3 方法

由《公路隧道通風設計細則JTG/T D70/2-02—2014》可知，車型和車速是影響隧道交通風的主要因素，以車型和車速為標準劃分工況。對每種工況進行數值模擬，得出交通風風速和風壓數據。

3.1 車型工況劃分

根據車身在尺寸、形狀上的差異，將車輛分為大型車、中型車、小型車。大型車為51 座旅游大巴，尺寸為10.5m×2.4m×2.8m；中巴車以20 座考斯特，尺寸為7m×2m×2.2m；小轎車為5-7 座客車，尺寸為4.5m×1.5m×1.6m。以此作為劃分標準，以車型為依據將祥和隧道車劃分為三類。

3.2 車速工況劃分

由公路隧道通風設計細則中提供的公式推導可知，速度也是影響交通風的重要因素。考慮高峰時段與非高峰時段，將速度分為36km/h、54km/h、72km/h、90km/h 四種工況。結合車型劃分，每種車型各有4 種速度工況，總共有12 種交通工況。

3.3 數值模擬

建立了長1000×11×5m 的矩形隧道模型，汽車初始位置在離隧道入口處，目的在于研究不同行車速度和不同行車間距對隧道內交通風速的影響。隧道入口定義為壓力入口，其大小為自然情況下的實際壓力數值，隧道出口定義為壓力出口，隧道壁面和地面均為無滑移壁面邊界條件。同時，為了模擬真實的隧道環境，材料定義為混凝土，表面粗糙度設置為0.33。汽車表面定義為移動的邊界條件，材料為鋁，模型內部為全部計算域同時建立了三種汽車模型。

4 結果與分析

速度和壓力可以定量的描述氣流的運動情況。在隧道交通風的描述中，通過數值模擬分析車輛運動帶動交通風的速度、壓力和湍流動能，可以將交通風蘊含的能量以及在隧道內的作用效果直觀展示出來，進一步可以分析隧道交通風對于機械通風的補償效率。同時，數值模擬的結果有助于總結歸納交通風的數學描述。

4.1 交通風速度云圖結果分析

通過后處理軟件采集在不同車速下隧道內的交通風大小，以小車為例，結果如圖1 所示。從圖中可以看出，隨著車速的增加，隧道內斷面平均風速明顯增大。當汽車速度從10m/s 提高至100m/s 時，隧道內汽車產生的交通風大小增大了約2.5 倍，車速的提高將對隧道通風產生非常有利的效果。

圖1 小車車速與隧道內平均交通風速的關系

.圖2 中型車車速在90km/h 時的交通風速度橫向截面矢量圖

圖3 中型車車速在90km/h 時的交通風速度縱向截面矢量圖

以工況2 為例，在空氣流動的云圖中加入速度矢量可以看出在車輛運動軌跡途中的矢量方向與行車方向相同，如圖2、圖3 所示。工況1 中車輛周圍風速均值在6m/s，越靠近車尾速度越快，只有在車輛周邊時速度方向才出現與車輛運動方向相反，但經過疊加計算，整個隧道內的平均交通風速為4.1m/s，方向與車輛運行方向一致。

4.2 隧道交通風壓力作用結果分析

在隧道中取一個豎直截面為測量斷面，測量車輛經過時斷面上的壓力。圖4 為各車型車速車速在90km/h 時的交通風壓力云圖，可以看出，無論隧道內車型如何，汽車經過測量斷面前后，斷面壓力的變化規律是一致的。隧道測量斷面平均壓力變化過程中表現為,當汽車車頭經過測量斷面時，斷面出現小幅升高，再降至最低的壓力值；當車身經過測量斷面時，斷面壓力逐漸升高，升高約150pa-400pa；車尾經過時，斷面壓力出現一個明顯的降低降低約100-300pa，之后迅速恢復。

圖4 斷面平均壓力變化趨勢圖

5 結語

本文使用計算流體力學對隧道內交通風進行了數值模擬，得出了車速車型和交通風風速和壓力的一些關系。1）隧道內風速隨車速的增加而增加，不同車型增長豎直不同。以小車為例車速從10m/s 增加到100m/s，隧道內風速從2m/s增加到5.3m/s，增長約2.5 倍。2） 無論隧道內車型如何、車速如何，汽車經過測量斷面前后,斷面壓力的變化規律是一致的，都表現為斷面壓力出現小幅升高，再降至最低的壓力值，之后逐漸恢復初始壓力值。