公路分岔隧道活塞风的数值模拟研究

叶涛 赵敬德 邹思军 傅润芝 位采凤

东华大学环境科学与工程学院

0 引言

随着国民经济的迅速发展以及城市化进程的加快，城市交通道路之间彼此相连越来越网络化，当前为了解决城市交通地面拥堵问题城市中的地下公路隧道也越来越普遍，并且公路隧道的匝道数量也日益增多，而公路隧道中的行车环境必须保证良好，为此必须研究车辆在公路隧道内行驶时产生的活塞效应对于隧道内通风系统及隧道内污染物分布的影响。

现阶段对于公路隧道的研究内容主要为车辆行驶对于直线隧道通风的影响[1]，隧道活塞风的形成[2-3]，隧道内活塞风的影响因素[4-7]，隧道内的活塞效应对隧道内纵向通风系统的影响[8]以及隧道通风系统所涉及到的重要参数[9-11]，并且国内外学者对于公路隧道的研究主要集中在直线型公路隧道与曲线型公路隧道，而对于带有匝道的公路分岔隧道研究甚少。本文主要针对带有匝道的公路分岔隧道中形成的活塞效应进行探讨，采用动网格技术以及改变车辆的行驶速度来研究车辆对于带有匝道的公路分岔隧道形成活塞效应的影响以及隧道各出口活塞风量的比例关系。

1 模型建立

1.1 数值模型

本文以上海人民路隧道南侧东段分岔隧道为基础建立数值模型，具体简化之后结构形式和尺寸如图1（单位：m）所示，主隧道类型为单向两车道，匝道类型亦为单向两车道。三维情形下车辆简化为长方体，尺寸为长4.6 m 宽1.7 m 高1.4 m。模型中的隧道出口1代表主隧道出口，分岔口处至隧道出口1 长度为20.6 m。隧道出口2 代表匝道出口，分岔口处至隧道出口2 长度为18.2 m。

图1 隧道数值模型示意图

1.2 动网格模型的建立

在建立模型中考虑到车辆运动会导致流场形状随时间而改变，采用Fluent 软件建立动网格模型，并且考虑到车辆在隧道中行进时会出现拐弯的状态，划分网格时采用非结构型网格，非结构型网格刚性较强，动网格模拟中易于更新。车辆所在位置的四周边界设置为wall，固体边界，无滑移边界条件。车辆行驶属于刚体运动，其运动速度及运动方向用UDF 进行定义：将运动速度和运动方向赋予给车辆的车头车尾及两侧。流场区域内的空气因车辆的运动而运动，属于变形运动。考虑到模型中涉及到车辆的拐弯，因此本次模型对应选取弹簧近似光顺模型和局部重划模型两种模型结合的更新方式。

1.3 边界条件

隧道入口定义为压力入口边界条件，隧道出口1和隧道出口2 均定义为压力出口边界条件。隧道壁面定义为无滑移壁面边界条件。车辆表面为移动边界条件，对应于UDF 赋予车辆的行驶速度和方向。

2 数值模拟结果与分析

2.1 车辆行驶速度对隧道内活塞风流量的影响

模拟条件为分流前主隧道高峰小时交通量为1200 辆/h，分流后主隧道与匝道交通量各占50%，车辆行驶速度作为模拟变量，分别为30 km/h，40 km/h，50 km/h，60 km/h 和80 km/h，所得到的模拟结果如图2。从图2 中可以看出，随着车辆行驶速度的增大，隧道出口1 的活塞风量和隧道出口2 的活塞风量各自占隧道总活塞风量的百分比发生略微变化，整体而言隧道出口1 的活塞风量占比大于隧道出口2 的活塞风量占比，具体为隧道出口1 的活塞风量占隧道总活塞风量的平均百分比为55.7%，隧道出口2 的活塞风量占隧道总活塞风量的平均百分比为44.3%，隧道出口1 比隧道出口2 的活塞风量整体高出约10%。

图2 不同出口风量在总风量中占比随速度变化

从图3 中可以看出车辆行驶速度的变化对于隧道出口1 活塞风量和隧道出口2 活塞风量分别占隧道总活塞风量的百分比未有较大影响，基本趋于稳定。而在车辆进入匝道前后的两个时间段内隧道出口1 活塞风量和隧道出口2 活塞风量分别占隧道总活塞风量的百分比发生较大变化，具体变化为隧道出口1 活塞风量占比减小，其减小值为10.4%，隧道出口2 活塞风量占比增大，其增大值为10.4%。

图3 不同时段下出口活塞风量占比随车速变化

2.2 车流量对于隧道出口活塞风体积流量的影响

模拟条件为车辆行驶速度为60 km/h，分流前主隧道高峰小时交通量作为模拟变量，分别为1200 辆/h、2400 辆/h、3600 辆/h，且分流后主隧道与匝道交通量各占50%。

2.2.1车流量对于活塞风速度分布的影响

从图4 中可以看出，在不同交通量下不同出口的活塞风体积流量变化表现出相似规律。隧道出口1 的活塞风体积流量速率先随时间逐渐增大到最大值而后呈减小趋势，而隧道出口2 的活塞风体积流量速率随时间呈增大趋势，其具体表现为前一阶段增长速率较缓慢而后一阶段增长速率加快。而在行驶时间为2～3 s 的时间段内，隧道出口1 与隧道出口2 的活塞风流量速率变化复杂。并且车辆的增多对于活塞风的变化有明显影响。从各图对比可知，随着交通量的增加，在车辆达到分叉口时隧道两出口活塞风体积流量呈现逐步上升趋势。

图4 不同交通量下活塞风体积流量随时间变化

2.3.2车流量对隧道内活塞风流量的影响

从图5 可以看出，随着公路隧道中车辆数量的增加，对于隧道出口1 活塞风量和隧道出口2 活塞风量分别占隧道总活塞风量的百分比未有较大影响，基本趋于稳定。而在车辆进入匝道前后的两个时间段内隧道出口1 活塞风量和隧道出口2 活塞风量分别占隧道总活塞风量的百分比发生较大变化，具体变化为隧道出口1 活塞风量占比减小，其减小值为9.7%，隧道出口2 活塞风量占比增大，其增大值为9.7%。

图5 不同出口活塞风量占比随交通量变化

3 结语

本文利用动网格技术对带有匝道的公路分岔隧道进行数值模拟,通过探究了车辆行驶速度和车流量对于公路分岔隧道内交通活塞风的速度场，压力场以及活塞风量的影响，并探究公路分岔隧道活塞风的分流比例。得到以下结论：

1）车辆行驶速度和车流量的变化对于隧道出口1活塞风量和隧道出口2 活塞风量分别占隧道总活塞风量的百分比未有较大影响，基本趋于稳定，并且隧道出口1 的活塞风量占比要大于隧道出口2 的活塞风量占比。

2）车辆行驶速度和车流量变化时，在车辆进入匝道前后的两个时间段内主隧道出口活塞风量和匝道出口活塞风量分别占隧道总活塞风量的百分比有明显差别，主隧道出口活塞风量占比减小约10%，匝道出口活塞风量占比增大10%。

3）随着交通量的增加，在车辆达到分叉口时隧道两出口活塞风体积流量呈现逐步上升趋势。