多匝道特長公路隧道不同通風方式下通風效果的數值模擬研究

萬中碩 劉 雨 謝艷萍

（重慶科技學院，重慶 401331）

0 引言

伴隨著科技的日益發展，我國的交通也愈發便利。特長隧道、分合流隧道也日益增多。而針對多匝道特長公路隧道而言，隧道內相對閉合、隧道長度大、隧道內車流量大，當隧道內發生汽車阻滯時僅僅只依靠隧道進出口處的自然通風不能夠完全帶走車輛行駛過程中排出的廢氣和煙塵；需要機械通風來進行輔助。本項目通過運用軟件模擬交通阻滯情況下隧道分叉口處不同通風方式下隧道內汽車尾氣污染物分布情況；進而對比分析其通風效果。

1 研究現狀

特長公路隧道通風問題在國內研究較晚，多借鑒國外的經驗；目前國內的相關規范數量不多。1999 年重慶公路科研設計院主持編寫《公路隧道通風照明設計規范》(JTJ026.1—1999)為公路隧道的設計提供指引與參考[1]。此規范于2014 年在《公路隧道通風設計細則》(JTG/T D70/2-01—2014）與《公路隧道照明設計細則》(JTG/T D70/2-02—2014）頒布的同時廢止。近幾年來國內也有大批學者關注并研究隧道的通風問題。2020 年學者劉凡[2]通過CFD 模擬了高速公路隧道合流段的夾角角度與通風特性的關系。2017 年，學者姜學鵬[3]通過SES 模擬不同隧道風口布置于不同位置的通風效果。學者夏永旭介紹并分析了特長公路隧道縱向-全橫向混合通風方式[4]及秦嶺終南山公路隧道的5 種通風方式[5]:兩豎井三段送排式縱向通風；三豎井四段送排式縱向通風；四豎井五段送排式縱向通風；兩豎井三段混合式通風；三豎井四段混合式通風。

2 項目概況

本項目來源于工程實際，以某多匝道城市公路隧道為依托。此隧道由一條主線隧道、兩支線隧道構成，設計車速50km/h，海拔高度約為400m。此隧道設計為雙洞單向交通。本模型選取右線隧道示例。由于此隧道的全長過長為簡化模型故選取其極具特征的分岔口周圍模擬研究，通過模擬不同通風方式下污染物的運動分析其通風效果。為實際工程中的通風建設提供理論依據。

3 軟件模擬計算

3.1 模型分析

模型使用fluent 自帶的DesignModeler 模塊進行繪制，將所選取的隧道段以1:1 的比例進行建模。主干線的入口截面圖及支干線出口的截面圖見圖1，模型的整體平面圖見圖2。在隧道的各個進出口及頂部布置風機，通過控制不同風機的運行來改變通風方式。需要模擬隧道阻滯工況，故在隧道內增加汽車，兩車間距為1.5 米。車身長4.5 米。主干線進出口截面面積為115.3,支干線截面面積為88.9 。支干線長度為61，主干線長度為150 。

圖1 主干線及支線的入口截面圖

3.2 研究思路

在隧道的主干線進出口、支線出口及分叉口的頂部皆設有風機，通過控制不同風機運行進行組合以實現隧道內的不同通風方式。組合方式詳見表1。風機位置平面布置圖及編號如圖2 所示。通過綜合對比分析不同通風方式下隧道內污染物的分布及質量分數來確定通風效果。

圖2 風機布置編號圖及模型平面圖

表1 風機組合方式

3.3 網格化分

網格劃分的目的就是將空間連續的計算域劃分成足夠小的計算域。網格的質量影響計算的精準性，網格稀疏導致計算結果的精度不高，網格過于密集會大大增加計算時間[6]。對風機進口等部位進行加密處理，對變化不大的區域，網格尺寸適當放大，如此既保證計算精度有兼顧計算效率。對于加密處理的網格進行網格無關性驗證，即網格數量超過限制時不再影響測量精度[7]。對于固體壁面還要增加設置邊界層。最終選擇使用mesh 模塊進行網格劃分，劃分的網格為四面體非結構網格。最終劃分的網格總量約為2800 萬，邊界層劃分共5層，增長率為1.2。網格的整體質量較為后續計算提供可靠保證。

3.4 模擬計算

本項目采用fluent 軟件進行隧道通風數值仿真計算。并做出如下假設，假設流體為不可壓縮流體，流體為連續性流動滿足連續性方程。此模型遵循質量守恒、能量守恒以及動量守恒定律。故在計算過程中需要開啟能量方程、K-湍流方程；由于需要觀測污染物在空氣中的軌跡故需要開啟組分運輸方程；開啟重力并設置重力參考點，采用壓力基求解器進行穩態計算。

3.5 邊界條件設定

進口處參數選擇為速度進口，出口處的參數選擇為壓力出口。汽車尾氣中的污染物設定為邊界進口，設置條件時選擇質量流量進口，單位為kg/s。co 的排放量依照規范《公路隧道通風設計細則》（JTG/TD/70/2-02-2014）計算，由該規范得知：交通阻滯時，阻滯段的平均co 設計濃度取同時經歷時間不宜超過20 分鐘[8]。交通阻滯時車輛按怠速考慮，2000 年機動車尾氣中co 的基準排放量應取按每年2.0%的遞減率計算2021 年為計算出隧道內co 的排放量為計算其所需稀釋co 通風量為則風機送風速度為經查閱文獻得知隧道內自然風速為故將模型進口風速設置為將計算的co排放量進行單位換算得到總排放量為每輛車尾氣中co 排放量為隧道內溫度設置為300k，求解方法選擇壓力速度偶和算法中的SIMPLE 算法，設置殘差為采用Hybrid 方法進行初始化，設置迭代步數為3000 步。

3.6 結果輸出

創建Y 值為1.5、3、6、8 的四個等值面，并截取每種通風方式下每個面的co 組分質量分數云圖（如圖3、圖4），截取8 等值面的速度云圖（見圖5）。

圖3 1.5 等值面的co 組分質量分數云圖

圖4 各等值面的co 組分質量分數云圖

圖5 8 高等值面的速度云圖

4 結果分析

根據方案1 的污染物質量分數云圖可以觀測出污染物整體向隧道的頂部及出口運動，通過1.5 高、3 高、6 高處等值面的云圖對比分析可得出由于co 密度小于空氣在浮升力的作用下向上擴散，在風機射流擴散的作用下隧道前段的污染物擴散至中后段，致使中段的co 質量分數增大，co 聚集在隧道中段難以排出。綜合分析方案2 的污染物云圖可發現，在入口處射流風機和通風井排風的共同作用下隧道中段和前段的co 可以有效排出；主線后段及支線后段的co 在風壓作用下逐步向出口處擴散。但在射流風機及通風井共同作用下在隧道的分岔口處會形成渦流，污染物在此處會有殘留。分析方案3 的co 云圖可發現，在單一通風井排風的作用下隧道下部（1.5 高）co 的運動受機械排風的影響較小，中高部co 的擴散受排風作用明顯。隧道前段和中段的co 在通風井處匯聚最終通過風井排出。但主隧道及支線尾段的co 難以排出。

經對比三種方案的計算云圖發現在通風量、風速相同的情況下，縱向射流通風與通風井排出式+射流風機通風對低平面的co 擴散影響明顯，從整體來看通風井排出式+射流風機通風的排污效果要優于縱向射流通風。