隧道及其上方城市環境污染物傳播規律數值模擬研究*

李嘉齊 明廷臻 吳永佳 文遠高

(武漢理工大學土木工程與建筑學院 武漢 430070)

0 引言

隨著城市的發展，城市中心交通用地越發緊張,伴隨而來的城市立體交通系統的建設越發受到重視。城市隧道以其造價相對低廉、可有效降低噪音污染、緩解地面擁堵以及可集中排放處理隧道內污染物等優勢，已成為當今城市立體交通系統不可或缺的組成部分。

如今許多城市隧道采取上方開口方式，以緩解污染問題，并且開口貫通處常處于城市中心區域。因此對于城市隧道，不僅需考慮其隧道內部污染，而且更需關注開口貫通處對其上方城市環境的污染影響。

目前針對城市中心區環境污染傳播的研究，多集中于建筑體屋頂幾何形狀[1-2]、污染組成[3]、建筑體高度[4-5]、環境風速[6]、隧道內部[7]等單一方面，而對具有復雜立體結構的城市環境的相關研究尚處于起步階段。為此本文針對武漢市中心區的實際結構，構建了一個三維立體城市環境模型。運用CFD軟件，探究了該系統流場及污染物的傳播規律，以期提升城市環境質量。

1 物理數學模型

1.1 物理模型

本研究以武漢市二環某S形地下隧道開口貫通處上方建筑環境為研究對象，參照各實際工程設計尺寸，采用ICEM軟件建立了全尺寸三維幾何模型，如圖1所示。

圖1 物理模型

上方丁字形機動車道寬度為15 m，上方建筑環境主要分布于南開口貫通處上方西南(SW)、西北(NW)、東南(SE)3個區域，并將建筑體進行相應命名，如圖2所示。其中SW4建筑體高度為10 m，其余建筑體高度均為20 m。圖2同時指出研究中的目標線L1與L2，分別距SW1—SW4建筑體東、西側2 m，距地面高度2 m。

圖2 地面上方建筑環境

下方S形隧道全長1 270 m，包括150 m開口貫通段和1 120 m暗埋段。從隧道北進口進入后依次為暗埋段(300 m)、北開口貫通段(100 m)、暗埋段(625 m)、南開口貫通段(50 m)、暗埋段(195 m)組成。其中開口貫通段頂部與地面等高。下方S形隧道內凈空尺寸9.65 m×6.0 m。同時，下方S形隧道內部還采用射流風機進行輔助通風設計，射流風機流量11 m3/s。射流風機分7組布置，每組2臺，總共14臺，風機懸掛于隧道頂部。

1.2 數學模型

為模擬污染物傳播規律，依據實際的流體流動特性作如下假定：①流體為不可壓縮流體；②計算域中空氣其物性不發生改變；③計算域中流體流動為湍流且充分發展。

相應滿足條件的連續性方程、動量方程、能量方程如下：

(1)

(2)

(3)

本研究選用RNGk-ε模型求解[8]，湍動能方程k以及湍流耗散率方程ε分別表示為：

(4)

(5)

式中，Gk為平均速度梯度產生的湍動能；αk、αε為與湍動能k及湍流耗散率ε相對應的Prandtl數有關常量，取值如下：αk=1.0，αε=1.3；C1ε、C2ε為湍流常數，取值如下：C1ε=1.42，C2ε=1.68；μeff為有效運動粘度。

本文數值計算在通用CFD商用軟件Ansys Fluent中進行，壓力與速度的耦合采用SIMPLE算法，壓力插值采用Standard算法，梯度插值運用格林-高斯節點方式。

1.3 邊界條件

計算區域邊界根據模擬案例不同分為以下幾種情況：

當環境風為正東風時，邊界條件設定地面上方矩形計算域：東側豎直平面為速度入口；北、南側豎直平面以及頂面為對稱面；西側豎直平面為壓力出口，壓力值設置為表壓0 Pa。當環境風為正北風時，同理進行相應設置，不再贅述。

當環境風北偏東30°、45°、60°這3種斜風情況下，地面上方矩形計算域：北、東側豎直平面為速度入口并根據具體案例設定環境風與速度入口面的角度；南、西側豎直平面為壓力出口；頂面為對稱面。其余邊界條件設定與正東風時對應相同。

上述各計算案例中下方隧道北端進口為速度入口，南端出口為壓力出口，壓力值設置為表壓0 Pa，隧道內部射流風機設定為fan邊界條件，風量為11 m3/s。模型中上方建筑體及隧道固體壁面均為無滑移壁面。

整體模型中污染源分別設定在上方丁字形機動車道以及下方S形隧道機動車道上。選用CO作為本研究污染物標記物，并且釋放源設置為體污染源，其強度設定為4×10-6kg/(m3·s)[9]。

2 結果與分析

2.1 模型驗證

本研究模型整體計算域采用結構六面體網格進行劃分。為保證計算準確性及計算精度，對模型網格無關性進行了驗證。模型共分析了網格數量分別為9 542 903、11 410 349、13 564 752的3組網格系統。模擬結果表明上述3組網格系統中，同截面上其平均風速相差不超過3.5%，因此認為模型網格可以保證獨立性以及網格質量。為節約計算資源及成本，本研究選定網格數為11 410 349的網格系統作為分析依據。

2.2 整體計算域流場及污染物分布特性

本節主要研究整體計算域流場以及污染物的傳播規律。在恒定環境風速(下文簡稱ACW)2 m/s且北偏東(下文簡稱NbE)45°情況下，針對地上建筑環境、下方S型隧道、開口貫通處等區域流場及污染物分布規律進行分析。圖3為上述情況下整體計算域流線圖，由圖3可知開口貫通處對整體計算域流場影響顯著。

圖3 計算域流線圖

2.2.1 地面上方建筑環境

為了分析地面上方建筑環境受到的污染影響，提取上方計算域2 m高度處CO濃度分布圖，如圖4所示。由圖4可知，南開口貫通處將使下方S形隧道中大量污染物分流至上方建筑環境，且開口貫通處中心污染濃度較丁字形機動車道中心污染濃度更高，約為2倍。并由圖4可知在NbE=45°情況下，南開口貫通處分流出的污染在上方流場耦合作用下主要對西南區建筑群產生較大影響。而上方丁字形機動車道其排放污染主要影響區域為西北區C形建筑體。結合圖3流線圖可知西北區C形建筑體受影響區域主要為西南部。

圖4 地面上方建筑環境CO分布場

2.2.2 隧道與建筑環境貫通處

由上文可知開口貫通處對上下計算域流場及污染物傳播規律具有重要影響，尤其是位于眾建筑環境中心的南開口貫通處。為更深刻分析其對上下計算域流場影響，提取南開口貫通處斷面流線圖，如圖5所示。

圖5 南開口貫通處斷面流線圖

由圖5可知，S形隧道中部分流場將在南開口貫通處分流至地上建筑環境，且下方隧道流場分流至地面上方后，因受上方原先環境流場影響將向西南區建筑群擴散，而該流場在西南區建筑群東側將受到阻礙，并在近地面處會形成旋渦，這一規律與MING T等[10]的相應結論相印證。

2.2.3 下方S形隧道內部

為分析下方S形隧道內部環境及其安全影響，提取下方S形隧道斷面速度云圖以及下方S形隧道斷面CO濃度分布圖，如圖6、圖7所示。

由圖6、圖7可知，在北開口段污染程度受分流影響發生明顯下降，且污染濃度在后續一定時間內保持較低水平。同時可知隧道內射流風機對S形隧道流場影響顯著,其射流影響段明確，并且S形隧道內污染將在南開口處北部達到峰值，隨后經南開口段后污染濃度降低至先前最高處的40%。由此可看出開口貫通處的設計對提升下方S形隧道內部環境質量及安全具有一定作用。

圖6 下方S形隧道速度分布圖

圖7 下方S形隧道CO分布場

2.3 風向對流場及污染物分布的影響

針對風向本節主要考慮正北風、NbE=30°、NbE=45°、NbE=60°、正東風上述5種情況。案例采用恒定環境風速ACW=2 m/s，針對建筑環境、開口貫通處等區域進行分析。因環境風向的改變將對模型各區域流場造成改變及影響，進而該區域污染分布也將受到影響[11]，因此探究風向的變化對研究污染物傳播規律具有重要意義。

提取上述各風向時上方計算域2 m高度處CO濃度分布圖，如圖8所示。案例依次(a)為正北風、(b)為NbE=30°、(c)為NbE=60°、(d)為正東風情況，并結合上文中圖4(NbE=45°情況)進行分析可知：在正北風情況下開口處上方中心濃度較丁字形機動車道中心濃度更高，但開口處分流污染僅對西南區建筑東側有較小程度影響；而此時丁字形機動車道的污染對西南區建筑群及西北區C形建筑產生主要影響。

(a)正北風

隨著北偏東風向角度的增大，建筑環境受污染影響區域及程度各不相同。首先當NbE=30°時，南開口處分流污染將對西南區SW4建筑體周圍產生明顯影響；當NbE增至45°時，擴大至SW3、SW4為重點受影響建筑體；隨NbE增至60°時，分流污染影響范圍進一步擴大，且進一步向北移動，主要覆蓋SW2、SW3、SW4幾棟建筑體。并且隨NbE角度由30°增至60°過程中，丁字形機動車道污染對西南區建筑群及西北區C形建筑的影響范圍亦有一定程度增加。

在NbE=60°時污染物傳播規律還有一明顯特性，此時開口處分流出的污染對西南區建筑群的滲透性更強，尤其SW2、SW32棟建筑體西側受影響最為明顯。因此對污染的滲透影響也應有所關注及重視。

正東風情況時，開口處分流出的污染對西南區建筑群影響程度較NbE=60°時有所緩解，主要為SW1、SW22棟建筑體受污染影響，且此時丁字形機動車道污染影響也明顯減弱，唯獨其北段污染會對西北區C形建筑有一定影響。

為更進一步探究建筑環境受污染的滲透影響程度，通過數據整理得出西南區建筑群西側L2線各風向案例下平均CO濃度，如圖9所示。由圖9可知，污染滲透程度將在NbE=60°時達最大值，約為最低值NbE=30°時的3.5倍。綜上可知，在NbE=60°時西南區建筑環境將受到最大程度的滲透以及污染影響。

圖9 各風向情況下L2線CO平均濃度

2.4 風速對流場及污染物分布的影響

除了上文對風向分析之外，風速同樣是影響環境流場及污染傳播規律的重要因素之一[12]。

本節主要針對ACW=1 m/s、ACW=1.5 m/s、ACW=2 m/s、ACW=2.5 m/s、ACW=3 m/s上述5種情況進行研究。通過上文研究結論可知：NbE=60°時西南區建筑環境受污染影響范圍及程度最大。因此本節選取NbE=60°情況進行分析。

通過數據整理得L1線各風速情況下CO濃度變化曲線以及速度分布曲線，如圖10、圖11所示。通過圖10可知：隨著環境風速增加，各處污染程度均呈下降趨勢，并可發現風速由ACW=1 m/s增至ACW=1.5 m/s乃至ACW=2 m/s時候降幅最為明顯；但當風速增至ACW=2.5 m/s及ACW=3 m/s時，污染濃度降幅有所減小，且L1線南半段較北半段其污染受風速影響的敏感性更高，這主要是由于南半段建筑布局湍流強度較高所致。

圖10 各風速情況下L1線上CO分布

通過圖11可知，速度分布曲線在L1線北半段呈現3處凹口，分別對應為SW1、SW2、SW3、SW4幾棟建筑體間的間隔。因流場在上述幾處間隔通道產生分流效應，致使北半段平均風速及整體湍流強度降低，最終北半段污染受風速影響敏感性相對較弱。

圖11 各風速情況下L1線上速度分布

2.5 研究展望

本文主要研究了該城市中心區立體環境的污染傳播規律，以期為城市規劃和空氣質量預測及污染控制手段等方面提供參考。

值得指出，除上述研究點外，例如建筑環境中各位置受太陽輻射導致局部受熱不均勻[13-14]也將對空氣流場及污染傳播規律產生影響，另外建筑環境中的植被綠化帶[15]對污染傳播規律的影響同樣值得探索。對于上述各項影響因素將會在后續工作中予以考慮。

3 結論

(1)本文研究的立體城市環境中，開口貫通處對整體環境的流場及污染傳播規律影響顯著。開口處使下方S形隧道產生分流效應，其對提升下方S形隧道內環境質量及安全系數具有一定作用。尤其經南開口處后污染濃度約為先前濃度最高處的40%，但開口貫通處上方的建筑環境則因此污染明顯加重，甚至部分建筑環境受到開口分流污染與上方丁字型機動車道污染的耦合影響，本文中西南區建筑環境受影響較為嚴重。為此可考慮于開口處周圍增設隔離墻及增加植被綠化帶等措施以控制污染影響，同時對于污染下風向首排建筑體應保證其建筑高度以減少污染物翻越對下游街區產生的影響。

(2)本文研究的建筑環境中，受污染影響的區域及程度與風向的改變具有明顯相關性。NbE=60°時西南區建筑環境將受到最大程度的滲透及污染影響，此時滲透影響程度約為最低值NbE=30°時的3.5倍。由此可通過控制污染下風向首排建筑體的建筑組合以及建筑連續性長度等方法予以優化。

(3)隨著風速增加，建筑環境整體污染呈下降趨勢。風速由ACW=1 m/s增至ACW=1.5 m/s乃至ACW=2 m/s時污染降幅最為明顯；但當風速增至ACW=2.5 m/s及以上時，污染降幅有所減小，且西南區建筑群南半段較北半段受風速影響的敏感性更高。因此對于污染濃度較高及污染堆積的建筑環境區域，可考慮增設通風廊道及優化建筑間距。