公路分岔隧道活塞風的數值模擬研究

葉濤 趙敬德 鄒思軍 傅潤芝 位采鳳

東華大學環境科學與工程學院

0 引言

隨著國民經濟的迅速發展以及城市化進程的加快，城市交通道路之間彼此相連越來越網絡化，當前為了解決城市交通地面擁堵問題城市中的地下公路隧道也越來越普遍，并且公路隧道的匝道數量也日益增多，而公路隧道中的行車環境必須保證良好，為此必須研究車輛在公路隧道內行駛時產生的活塞效應對于隧道內通風系統及隧道內污染物分布的影響。

現階段對于公路隧道的研究內容主要為車輛行駛對于直線隧道通風的影響[1]，隧道活塞風的形成[2-3]，隧道內活塞風的影響因素[4-7]，隧道內的活塞效應對隧道內縱向通風系統的影響[8]以及隧道通風系統所涉及到的重要參數[9-11]，并且國內外學者對于公路隧道的研究主要集中在直線型公路隧道與曲線型公路隧道，而對于帶有匝道的公路分岔隧道研究甚少。本文主要針對帶有匝道的公路分岔隧道中形成的活塞效應進行探討，采用動網格技術以及改變車輛的行駛速度來研究車輛對于帶有匝道的公路分岔隧道形成活塞效應的影響以及隧道各出口活塞風量的比例關系。

1 模型建立

1.1 數值模型

本文以上海人民路隧道南側東段分岔隧道為基礎建立數值模型，具體簡化之后結構形式和尺寸如圖1（單位：m）所示，主隧道類型為單向兩車道，匝道類型亦為單向兩車道。三維情形下車輛簡化為長方體，尺寸為長4.6 m 寬1.7 m 高1.4 m。模型中的隧道出口1代表主隧道出口，分岔口處至隧道出口1 長度為20.6 m。隧道出口2 代表匝道出口，分岔口處至隧道出口2 長度為18.2 m。

圖1 隧道數值模型示意圖

1.2 動網格模型的建立

在建立模型中考慮到車輛運動會導致流場形狀隨時間而改變，采用Fluent 軟件建立動網格模型，并且考慮到車輛在隧道中行進時會出現拐彎的狀態，劃分網格時采用非結構型網格，非結構型網格剛性較強，動網格模擬中易于更新。車輛所在位置的四周邊界設置為wall，固體邊界，無滑移邊界條件。車輛行駛屬于剛體運動，其運動速度及運動方向用UDF 進行定義：將運動速度和運動方向賦予給車輛的車頭車尾及兩側。流場區域內的空氣因車輛的運動而運動，屬于變形運動。考慮到模型中涉及到車輛的拐彎，因此本次模型對應選取彈簧近似光順模型和局部重劃模型兩種模型結合的更新方式。

1.3 邊界條件

隧道入口定義為壓力入口邊界條件，隧道出口1和隧道出口2 均定義為壓力出口邊界條件。隧道壁面定義為無滑移壁面邊界條件。車輛表面為移動邊界條件，對應于UDF 賦予車輛的行駛速度和方向。

2 數值模擬結果與分析

2.1 車輛行駛速度對隧道內活塞風流量的影響

模擬條件為分流前主隧道高峰小時交通量為1200 輛/h，分流后主隧道與匝道交通量各占50%，車輛行駛速度作為模擬變量，分別為30 km/h，40 km/h，50 km/h，60 km/h 和80 km/h，所得到的模擬結果如圖2。從圖2 中可以看出，隨著車輛行駛速度的增大，隧道出口1 的活塞風量和隧道出口2 的活塞風量各自占隧道總活塞風量的百分比發生略微變化，整體而言隧道出口1 的活塞風量占比大于隧道出口2 的活塞風量占比，具體為隧道出口1 的活塞風量占隧道總活塞風量的平均百分比為55.7%，隧道出口2 的活塞風量占隧道總活塞風量的平均百分比為44.3%，隧道出口1 比隧道出口2 的活塞風量整體高出約10%。

圖2 不同出口風量在總風量中占比隨速度變化

從圖3 中可以看出車輛行駛速度的變化對于隧道出口1 活塞風量和隧道出口2 活塞風量分別占隧道總活塞風量的百分比未有較大影響，基本趨于穩定。而在車輛進入匝道前后的兩個時間段內隧道出口1 活塞風量和隧道出口2 活塞風量分別占隧道總活塞風量的百分比發生較大變化，具體變化為隧道出口1 活塞風量占比減小，其減小值為10.4%，隧道出口2 活塞風量占比增大，其增大值為10.4%。

圖3 不同時段下出口活塞風量占比隨車速變化

2.2 車流量對于隧道出口活塞風體積流量的影響

模擬條件為車輛行駛速度為60 km/h，分流前主隧道高峰小時交通量作為模擬變量，分別為1200 輛/h、2400 輛/h、3600 輛/h，且分流后主隧道與匝道交通量各占50%。

2.2.1車流量對于活塞風速度分布的影響

從圖4 中可以看出，在不同交通量下不同出口的活塞風體積流量變化表現出相似規律。隧道出口1 的活塞風體積流量速率先隨時間逐漸增大到最大值而后呈減小趨勢，而隧道出口2 的活塞風體積流量速率隨時間呈增大趨勢，其具體表現為前一階段增長速率較緩慢而后一階段增長速率加快。而在行駛時間為2～3 s 的時間段內，隧道出口1 與隧道出口2 的活塞風流量速率變化復雜。并且車輛的增多對于活塞風的變化有明顯影響。從各圖對比可知，隨著交通量的增加，在車輛達到分叉口時隧道兩出口活塞風體積流量呈現逐步上升趨勢。

圖4 不同交通量下活塞風體積流量隨時間變化

2.3.2車流量對隧道內活塞風流量的影響

從圖5 可以看出，隨著公路隧道中車輛數量的增加，對于隧道出口1 活塞風量和隧道出口2 活塞風量分別占隧道總活塞風量的百分比未有較大影響，基本趨于穩定。而在車輛進入匝道前后的兩個時間段內隧道出口1 活塞風量和隧道出口2 活塞風量分別占隧道總活塞風量的百分比發生較大變化，具體變化為隧道出口1 活塞風量占比減小，其減小值為9.7%，隧道出口2 活塞風量占比增大，其增大值為9.7%。

圖5 不同出口活塞風量占比隨交通量變化

3 結語

本文利用動網格技術對帶有匝道的公路分岔隧道進行數值模擬,通過探究了車輛行駛速度和車流量對于公路分岔隧道內交通活塞風的速度場，壓力場以及活塞風量的影響，并探究公路分岔隧道活塞風的分流比例。得到以下結論：

1）車輛行駛速度和車流量的變化對于隧道出口1活塞風量和隧道出口2 活塞風量分別占隧道總活塞風量的百分比未有較大影響，基本趨于穩定，并且隧道出口1 的活塞風量占比要大于隧道出口2 的活塞風量占比。

2）車輛行駛速度和車流量變化時，在車輛進入匝道前后的兩個時間段內主隧道出口活塞風量和匝道出口活塞風量分別占隧道總活塞風量的百分比有明顯差別，主隧道出口活塞風量占比減小約10%，匝道出口活塞風量占比增大10%。

3）隨著交通量的增加，在車輛達到分叉口時隧道兩出口活塞風體積流量呈現逐步上升趨勢。