公路隧道洞口污染物窜流的对比研究

朱娉婷　邓志辉（西南交通大学机械工程学院　成都　610031）



公路隧道洞口污染物窜流的对比研究

朱娉婷邓志辉
（西南交通大学机械工程学院成都610031）

【摘要】为了研究不同公路隧道形式相邻洞口的污染物窜流规律，以隧道通风速度和洞口间距为变量，对单向双洞、单洞连续以及双洞连续三种隧道形式的窜流洞口分别进行了数值模拟统计。根据模拟结果，从自由射流运动特征的角度，对比分析了三种洞口窜流的特点以及洞口外污染物分布情况及形成的原因。

【关键词】公路隧道；洞口窜流；污染物分布；自由射流

0　引言

随着高速公路的建设发展，公路隧道及隧道群的建设成为需要重点攻关的工程建设项目，各种形式的隧道也都有出现。其中，单向双洞隧道、单洞连续隧道以及双洞连续隧道的单个洞口排风的废气流会被邻洞的入口吸入造成污染物窜流，这种窜流现象会影响隧道通风的效率。因此，研究这三种隧道形式下洞口窜流规律以及污染物分布情况就显得十分必要。

目前研究隧洞口污染物扩散的方法大多是现场测量以及模型试验，国内外均作了较早的研究[1,2]。如今数值模拟的方法已得到广泛应用，洞口污染物窜流问题方面，中科院就单向双洞隧道的洞口混风做出了探讨并提出了改善措施[3]，西南交通大学将测试与模拟结合也得到了各种工况下的扩散窜流规律[4]，重庆交通大学则是对单向双洞以及单洞连续隧道都做出了规律性的研究[5]。以上工作虽对洞口污染物窜流有所研究，但是并未涉及双洞连续隧道，而且都是针对一种隧道形式研究各因素下的规律，并未对其运动机理做出分析说明，也没有具体比较三种窜流形式各自的特点。为此，本文将针对这两方面，以Fluent流体计算软件为平台，分别模拟单向双洞隧道、单洞连续隧道以及双洞连续隧道洞口污染物窜流情况，并从气体扩散机理的角度分析对比它们之间的差异，为隧道通风的设计优化提供参考依据。

1　隧道建模

1.1物理建模

假设隧道洞口处截面为竖直的山体壁面，洞口外的地形开阔并水平，将隧道断面简化为矩形9m×5m，隧道段各取70m长，约为断面当量直径的10倍，毗邻隧道的洞外的大气计算区域左、右、上方向各取50m，即当量直径的8倍左右，而单向双洞的洞外区域在射流方向上取当量直径的30倍左右，约200m。各隧道具体模型见示意图1。

图1　三种类型隧道示意图Fig.1 The schematic diagramsfthree tunnels

1.2数学模型

根据本文研究对象，基于Fluent数值模拟软件，可将流动视为不可压缩流体稳定流动，数学模型采用不可压缩恒定流的k－ ε方程、SIMPLE算法，并选择组分运输模型。

遵循的湍流流动控制方程有质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程及组分运输守恒方程。

（1）质量守恒方程

式中，r为密度；t为时间；u为速度；Δ为拉普拉斯算子。

（2）动量守恒方程

式中，g为重力加速度；f为外部施加的力矢量；t为粘性力张量；p为压力。

（3）能量守恒方程

式中，h为焓；qr为热辐射通量；T为温度。

（4）组分运输守恒方程

式中，Yl为第l组分质量分数；Dl为第l组分扩散系数；ml'''为第l组分的单位体积生成率。

（5）理想气体状态方程

i

式中，R为气体常数；M为混合气体分子质量；下标i为第i种组分。

边界条件的处理是，隧道进口和出口采用速度边界，隧道壁面、山体和地面均默认wall边界，其他大气环境为自由边界。本文取CO作为污染物的代表，为方便计算，所有进口面CO质量分数设为100%，计算域内无其他热源，无环境风，不考虑车辆行驶带来的气流影响。

2　工况模拟及结果分析

2.1洞口窜流与洞口间距的关系

图2　隧道窜流与洞口间距的关系Fig.2 The relationship between interporosityflowand spacing

为简化计算，先假定所有隧道的进排风速度相等，并取值5m/s，研究连续隧道的上下游间距S和单向双洞隧道的上下行间距H对各自洞口窜流的影响。由于隧道进口的CO浓度已设为100%，且各进排风口速度相等，所以可直接用窜流洞口的CO体积浓度作为相对百分浓度来表示窜流混风的程度大小。另外双洞连续隧道的两个窜流洞口是对称相等的，只取其中一个洞口研究即可。

从图2可以大致看出，无论是单向双洞，还是单洞和双洞的连续隧道，其窜流洞口的CO浓度都是随着间距的增大而减小。拟合三条曲线列于表1，由公式可以更明显看出，相对于单洞连续隧道窜流随间距增大均匀减小的线性关系，其他两种隧道更接近于指数形式和幂函数形式变化，即随间距增大，窜流的减小会渐趋平缓。

表1　进排风相等时窜流洞口CO百分浓度与隧道间距的拟合公式Table1 The fitting formulas betweenCO concentration andhole spacingwhen VinequalsVout

2.2洞口窜流与隧道通风速度的关系

取一组工况，其中单向双洞隧道间距H=2m，连续隧道间距S=46m；令各个隧道内的进排风速度相等，并在隧道设计通风风速大小范围（≤10m/s）[8]内取值。模拟计算不同的通风速度下，各隧道窜流洞口的CO相对百分浓度。

图3中可以很明显地看出，无论何种隧道形式，不管通风速度大小的取值如何变化，CO相对百分浓度基本不变，而实际数据计算其变化范围也只是在5%以内，所以可以判断在进排风速度相等的前提下，单向双洞隧道、单洞连续隧道以及双洞连续隧道洞口CO窜流量都与隧道通风速度基本无关。隧道风速为5m/s时，洞口一半高度（Y=2.5m）处沿程方向截面的CO体积浓度等值线图见图4。

图3　窜流洞口CO百分浓度与隧道通风速度的关系Fig.3 The relationship between interporosity flow and ventilation speed

图4　 CO体积浓度等值线图比较Fig.4 Comparison of CO concentration contour

3　与自由射流的对比分析

隧道洞口污染物扩散问题（图4（a））与气体自由射流（图6）有较大的相似性，自由射流是指射出的气体与周围气体之间速度有很大的梯度。气体从出口AD射出，核心段的速度均匀，但由于紊流的横向脉动使射流不断带入周围介质发生质量交换，使得边界不断扩张，射流的速度也在逐渐下降。扩散角α与出口断面上的紊流强度有关，紊流强度越大，说明射流口的紊乱越严重，与周围介质混合的能力越大。扩散角越大，被带动的周围介质增多，射流速度下降的程度也会沿程加大[7]。

但是这种自由射流只是与洞口排风自由出流现象类似，而洞口进风这种向内吸入的自由入流情况是不同的。自由出流只在一个有限的锥形区域内扩散，而自由入流则由于洞口处存在负压，使得周围的气体和洞口之间产生了压力差而自动流入洞口。

隧道洞口外沿出流方向不同距离处的CO相对百分浓度数据列于表2，并在图5中做出曲线，且计算出三种窜流隧道与单洞射流在CO分布上的偏差。

图5　洞口外沿出流方向CO相对百分浓度Fig.5 CO concentration along the direction of flow

图6　自由射流运动特征结构Fig.6 The structure of free jet

表2　隧道洞口外沿出流方向CO相对百分浓度Table 2 CO concentration along the direction of flow

单向双洞隧道的洞外CO浓度也在不断下降，且相对与单洞射流的下降趋势更快。这是由于洞口1-1和4-4的气体流动方向是相反的，在距离洞口一定距离处，边界层处必会相重叠，洞口1-1周围的相对高压区和洞口4-4附近的相对低压区的存在导致其发生相互作用。这种相互作用使洞口1-1的自由出流发生了变化，CO气流向洞口4-4的方向发生了偏移（图4（b）），排出的CO也被部分带入到邻洞中，原本出流方向上的CO量减少，CO浓度也比单洞射流低3.49%～27.17%，下降更快。

单洞连续隧道洞外CO浓度降低规律上与单洞射流最为接近，但数值上要略大，偏差大部分在1%左右。这是由于洞口2-2附近负压区的存在，使得洞口1-1排出CO的相对速度较大，不易发散，就有更多的CO气体进入下游洞口中。而在洞外18m附近出现的极低值，可能的原因是出流和入流在此处边界层相遇并达到最大，空气组分较多，导致了CO浓度比单洞射流小了约8%。

双洞连续隧道，洞口间的气体相对更加紊乱，洞口排出CO后受邻洞负压区影响，射流向内偏移，一定距离内CO浓度与单向双洞类似，但是由于上下游两个洞口都排出CO，这样在中间区域，两股气流势必相遇，使得CO气流向两侧稍有迁移，形成了图4（d）情况，也导致了该区域CO浓度急剧升高，比单向双洞大了20%左右，气流相遇迁移也导致扩散主体速度有所降低，如此CO在继续向前扩散时浓度必然下降更快，到43m处已经比单洞射流低了约39%。

4　结论

（1）在隧道通风速度相等的情况下，无论何种形式的隧道洞口窜流量都与隧道风速的大小无关，而与隧道洞口的间距有关，且随间距的增大而减小。

（2）单向双洞、单洞连续以及双洞连续隧道的窜流的本质是由不同洞口间的压力差造成的，不同的洞口形式造成洞外压力场的差异也使得洞外CO浓度情况不同，单洞连续时与单洞射流最为接近，而单向双洞和双洞连续整体上都要偏低，距离越远，偏差越大，分别能达到30%和40%左右。

参考文献：

[1] Ide Y, Ueyama S. Wind tunnel modeling of gas dispersion from a road portal outlet[J]. The Science of Total Environment, 1987,59:211-221.

[2]胡维撷.城市道路隧道废气排放影响预测[J].地下工程与隧道,1997,(2):38-43.

[3]李飞.近距离公路隧道送排风相互影响机理及对策研究[D].北京:中国科学研究生院,2005.

[4]杨玉容.公路隧道洞口废气扩散形态与窜流影响研究[D].成都:西南交通大学,2013.

[5]张连贺.公路隧道洞口污染气体窜流研究[D].重庆:重庆交通大学,2012.

[6] JTJ 026.1-1999,公路隧道通风照明设计规范[S].北京:人民交通出版社,2000.

[7]蔡增基,龙天渝.流体力学泵与风机（第五版）[M].北京:中国建筑工业出版社,2009.

Comparative Study on the Pollutant Interporosity Flow of Highway Tunnel

Zhu Pingting Deng Zhihui
( Mechanical Engineering Collegeof Southwest Jiaotong University,Chengdu,610031)

【Abstract】In order to study the interporosity flow problem in different forms of highway tunnel, as the speed of tunnel ventilation and the tunnel spacing for variables, simulate the interporosity flow issue of the double-hole tunnel, the single-hole continuous tunnel and the double-hole continuous tunnel. According the results of simulation, in the perspective of free jet flow, analysis and illustrates the interporosity flow characteristic of the three types tunnel, also the reasons of the pollutant distribution.

【Keywords】highway tunnel; interporosity flow; pollutant distribution; free jet

中图分类号U459.2

文献标识码A

文章编号：1671-6612（2016）01-109-05

作者简介：朱娉婷（1992-），女，在读硕士研究生，E-mail：xzlegend@163.com

通讯作者：邓志辉（1962-），男，副教授，E-mail：DZHWKL007@163.com

收稿日期：2015-06-03