矩形大断面隧道洞口CO扩散与中隔墙长度设置

田 芳，孙 颖,付 帅，李论之

(1.江苏省交通工程建设局，江苏 南京 210004；2.华设设计集团股份有限公司,江苏 南京 210005;3.长安大学 电子与控制工程学院，陕西 西安 710064)

0 引言

高速公路和城市快速干道的隧道，大多采用双洞单向行驶的建设形式[1-3]。多数情况下，双洞隧道的洞口间距较小，存在污染物窜流现象，导致通风运营成本增加；同时造成洞门污浊，影响美观。“二次污染”问题不断凸显[4]，对隧道洞门设计提出了新的挑战。因此，研究双洞隧道污染物扩散规律，给出隧道洞口设计的合理建议，对于营造长大公路隧道洞口景观，降低运营成本非常重要。

目前，国内外关于隧道洞口污染物扩散及防窜措施的研究采用了模型试验、示踪试验以及数值模拟等方法[5-6]。在模型试验方面，国内外学者利用风洞实验室进行隧道模型试验，研究隧道洞口的射流作用、环境风速及活塞风对洞口CO扩散影响。Ide等[7]通过风洞模型试验，提出了用于预测隧道洞口污染物扩散的4种模型，分别是射流模型、交通模型、叠加射流模型和叠加交通模型；Gramotnev等[8]建立了隧道洞口模型，得到了洞口污染物扩散的解析模型，并预测污染物最大浓度的位置，讨论了该模型的适用条件以及湍流扩散和颗粒沉积对理论预测的影响，得出污染物浓度与扩散距离的函数关系；Zumsteg等[9]根据实际工况建立了高斯模型，通过此模型来模拟公路隧道洞口污染物，模型预测值与实测值有较好的吻合度。在示踪试验方面，国内外学者主要以乙烯为示踪气体，研究了隧道洞口CO扩散对周围环境的影响，分析洞口排放废气的浓度分布状况，并与模型试验结果进行对比。Okamoto等[10]提出了特征风场环境与有限元方法结合的平流扩散模型，并选取对两条隧道进行洞口污染物扩散示踪验，示踪气体试验结果和模型求解结果由于空气浮力存在一定差异性；胡维撷、蒋维楣等[11-12]以乙烯为示踪气体，分析城市下穿隧道、过江隧道洞口排放污染物的地面浓度，对污染物扩散规律进行了总结，并对污染物对周围环境的影响进行了评价。数值模拟方面，国内外学者利用CFD数值模拟软件，应用k-ε湍流模型，设置不同风速和风向，对隧道洞口废气对流扩散进行了数值模拟研究，仿真隧道出口的CO扩散情况，并分析了洞口设置防窜措施对污染物窜流的影响，给出了降低隧道洞口二次污染的建议措施。徐丽等[13]以某城市隧道建立了数值模型，对冬夏季节工况下的洞口污染物扩散进行了数值模拟，得到洞外环境风对污染物扩散影响较大；Chow[14]、Chung等[15]利用CFD软件模拟了山区隧道污染物扩散规律，并基于模拟结果，建立隧道洞口CO扩散的数学模型；王子云等[16]利用CFD软件对某城市洞口有无中隔墙时的污染物扩散及分布情况进行了数值模拟，得到了隧道洞口中隔墙可有效减少污染物回流，并给出了中隔墙长度设置建议；Pei等[17]以重庆某隧道为例，利用CFD软件模拟低风速下隧道入口污染气体扩散，得到了污染物主要沿隧道轴线方向扩散，距隧道入口约250 m 处CO浓度符合规范要求。

上述研究工作集中于一般公路或城市隧道，隧道断面形状多为半圆形和拱形且断面尺寸小，但是矩形大断面隧道呈现“超宽扁平”的特点，与常见的半圆形、拱形断面隧道的通风及烟气扩散特性呈现明显的差异性，而针对大断面洞口污染物扩散特性及防窜的研究较少；同时，部分研究提出利用中隔墙防止污染物窜流，但也大都基于城市小断面隧道或传统的圆形或拱形隧道，针对矩形大断面隧道中隔墙具体布设参数的研究也鲜有报道。因此，本研究针对水下特长矩形大断面隧道，以江苏苏锡常高速太湖矩形大断面隧道为工程背景，使用CFD模拟软件Fluent进行建模，对不同进(排)风速、自然风速工况下隧道洞口CO扩散进行有限元数值模拟计算，得到了矩形大断面隧道洞口CO扩散规律。同时，选取CO窜流最严重的典型工况，研究中隔墙长度对隧道洞口CO窜流状况的影响，从而提出中隔墙长度设置的建议值，降低隧道洞口CO窜流，降低通风运营费用。

1 仿真模型建立

1.1 依托工程

太湖隧道位于中国江苏省无锡市，其设计时速为100 km/h，隧道全长10.79 km，宽43.6 m，其中暗埋段长度为10 km，是全中国最长最宽的隧道。其中单洞隧道截面宽17.45 m，高7.25 m，面积为120 m2。隧道采用纵向通风方式，拟布置216台1120型射流风机，其中每组风机共3台，每台风机轴向推力为1 148 N。隧道整体通风设备布置设计平面图和标准横断面如图1和图2所示。

图1 隧道通风平面布置(单位:m)Fig.1 Layout of ventilation plane of tunnel(unit:m)

图2 隧道标准横断面(单位:m)Fig.2 Standard cross-section of tunnel(unit:m)

1.2 隧道洞口仿真模型建立

(1)隧道洞口模型建立

根据太湖水下隧道横截面实际尺寸17.45 m×7.25 m建立物理模型，隧道双洞间距4.5 m；洞外设置1个长方体的模拟计算空间，其长宽高设置为200 m×100 m×40 m，长为沿隧道纵向的方向，宽为沿隧道截面的方向，具体物理计算模型如图3所示。其中“1-1截面”、“2-2截面”均距离隧道洞口50 m，为隧道内模拟空间的边界，“自然风向”选取最不利风向，即垂直自然风。

图3 隧道计算模型示意图Fig.3 Schematic diagram of tunnel calculation model

利用ANSYS软件中的ICEM CFD建立隧道洞口模型，隧道洞口模型进行网格划分，导入Fluent软件对隧道洞口污染物扩散进行数值研究，并做以下假设[18-20]：

①流体流动属于不可压缩连续介质稳定流。

②计算区域内所有进口边界气流温度相等，均为300 K；进口压强与大气压相等，取101.2 kPa；隧道位于湖底水域，空气湿度较大，取相对湿度为75%。

③不考虑进出口隧道车辆速度对气流流动的影响。

④以CO为污染物对隧道洞口污染物窜流进行仿真模拟。CO散发源的设置为：“上行隧道”截面设置为均匀的CO散发面源，CO浓度取值参考《公路隧道通风设计细则》(JTG/T D70/2-01—2014)和《公路隧道照明设计细则》(JTG/T D70/2-02—2014)，取设计阈值100×10-6，相当于占空气的质量分数为0.01%。下行隧道不设置CO散发源。

(2)数学模型

采用k-ε双方程紊流模型[21-22]及质量组分扩散传输方程组[23]。离散方法选用二阶迎风格式，求解器采用有限体积法中的SIMPLE算法。

(3)边界条件

洞外长方体计算空间地面设置为固体壁面，其他与外界大气相连，在不考虑自然风时设置为outflow，在考虑自然风时，将自然风吹入的面设为velocity-inlet(即速度入口)。壁面边界采用无滑移边界条件，壁面温度不变。考虑到实际地面粗糙程度较人工筑造隧道壁面更甚，因此本研究将壁面粗糙高度设置为0.007，粗糙常数取0.8。

(4)网格划分

基于稳态模拟，三维计算模型采用非结构化网格，网格划分尺寸为0.4。隧道洞口仿真模型如图4所示。

图4 隧道洞口仿真模型Fig.4 Simulation model of tunnel portal

(5)评价方法

以二次污染率(进风洞口反吸入的CO与排风洞口排出的CO总量的相对百分比)在10%以下[4]。二次污染率计算公式为:

(1)

式中，AveCO-INlet为隧道进口截面处CO质量分数平均值；AveCO-OUTlet为隧道出口截面处CO质量分数平均值。

2 不考虑自然风时隧道洞口CO扩散规律

隧道通风设计文件中隧道通风最大设计风速为7.5 m/s，因此本研究选取隧道洞口进(排)风速度上限值为7.5 m/s。

2.1 进风速度变化对CO扩散的影响

不考虑自然风时，研究机械排风速度V0分别为2，3，4，5 m/s和6 m/s工况下，机械进风速度V1在1～7.5 m/s变化时，利用Fluent数值模拟48种工况下隧道洞口CO扩散情况，并计算二次污染率。排风速度V0=4 m/s，进风速度V1变化时，隧道洞口CO扩散浓度分布如图5所示(截面高度为2 m)。给定排风速度V0，进风速度V1变化时，隧道洞口二次污染率变化情况如图6所示。

图5 V0=4 m/s，V1变化时隧道洞口CO浓度分布图(单位:%)Fig.5 CO concentration distribution of tunnel portal when V0=4 m/s and V1 changes(unit:%)

图6 同一排风速度V0，进风速度V1变化时隧道洞口二次污染率变化趋势Fig.6 Trend of secondary pollution rate of tunnel portal when V1 changes and V0 is constant

由图5和图6分析可知，不考虑自然风，在给定排风速度时，随着进风速度的增大，二次污染率逐渐增大。当排风速度大于进风速度时，隧道洞口二次污染率小于10%，且在排风速度V0=2.5 m/s，进风速度V1=7.5 m/s时二次污染率最高，为38.96%。无自然风时，当排风速度一定时，进风速度不断增大，导致隧道进口处负压值增大，隧道出口排出的CO扩散作用加强，致使更多的CO窜流回隧道进口处，造成较为严重的二次污染。

2.2 排风速度变化对污染物扩散的影响

同理，不考虑自然风时，研究进风速度V1分别为2，3，4 m/s和6 m/s工况下，排风速度V0在1 ～7.5 m/s变化时，利用Fluent数值模拟48种工况下隧道洞口CO扩散情况，并计算二次污染率。进风速度V1=3 m/s，排风速度V0变化时，隧道洞口CO扩散浓度分布如图7所示(截面高度为2 m)。给定进风速度V1，进风速度V0变化时，隧道洞口二次污染率变化如图8所示。

图7 V1=3 m/s，V0变化时隧道洞口CO浓度分布(单位:%)Fig.7 CO concentration distribution of tunnel portal when V1=3 m/s and V0 changes(unit:%)

图8 同一进风速度V1，排风速度V0变化时隧道洞口二次污染率变化趋势Fig.8 Trend of secondary pollution rate of tunnel portal when V1 changes and V1 is constant

由图7和图8分析可知，不考虑自然风时，给定进风速度V1时，随着排风速度V0增大，二次污染率逐渐降低。当进风速度V1=6 m/s，排风速度V0=1 m/s时，隧道洞口二次污染率最严重，为70.38%。当进风速度一定时，排风速度不断增大，导致隧道出口处压力不断增大，致使上下行隧道洞口间压差降低，隧道出口排放废气的射流作用明显，致使更少的CO窜流回隧道进口处，二次污染程度降低。

2.3 中隔墙长度对污染物扩散的影响

中隔墙在原太湖隧道计划中未规划，本研究以太湖隧道为模型，希望以此类隧道模型为基础，对类似的矩形大断面隧道的中隔墙布设具体参数进行更深入的研究。由2.1节和2.2节可知，隧道洞口在不同进(排)风速度下存在较严重的二次污染，为减少隧道双洞间的二次污染，建立中隔墙模型进行模拟计算。

为了得到有效减少二次污染率的中隔墙长度，选取二次污染率最高的两种典型工况：(1)排风速度V0=2 m/s，进风速度V1=7.5 m/s；(2)进风速度V1=6 m/s，排风速度为V0=1 m/s。模拟分析不同中隔墙长度对隧道洞口CO的防窜效果。此外，为遵循隧道通风设计，模拟时固定中隔墙和隧道等高，为7.25 m，宽度为2 m，研究中隔墙长度L分别为10，15，20，25 m时隧道洞口CO的扩散情况。两种典型工况下，设置不同中隔墙长度，双洞隧道之间的二次污染率如图9和图10所示。

图9 V0=2 m/s，V1=7.5 m/s时，二次污染率随中隔墙长度变化趋势Fig.9 Secondary pollution rate varying with length of mid-partition when V0=2 m/s and V1=7.5 m/s

图10 V1=6 m/s，V0=1 m/s时，二次污染率随中隔墙长度变化趋势Fig.10 Secondary pollution rate varying with length of mid-partition when V0=6 m/s and V1=1 m/s

由图9和图10分析可知，无自然风时，排风速度V0=2 m/s，进风速度V1=7.5 m/s时，二次污染率随中隔墙长度增加而减小，中隔墙设置长度为25 m 时，隧道洞口之间二次污染率为9.76%，接近于标准值10%；进风速度V1=6 m/s，进风速度V0=1 m/s时，二次污染率随中隔墙长度的增加而减小，中隔墙设置长度为25 m时，隧道洞口之间二次污染率为10.45%，接近于标准值10%。考虑到中隔墙的设置对隧道整体外观的影响，中隔墙的设置应在满足防窜要求的基础上越短越好。因此，无自然风时，隧道中隔墙长度设置为25 m即可满足隧道洞口污染物防窜要求。

3 自然风变化对CO扩散的影响

图11 隧道洞口风速及中隔墙设置水平面示意图Fig.11 Schematic diagram of wind speed at tunnel portal and horizontal plane of mid-partition

当自然风风向与隧道风向平行时，此时相当于隧道进风口排风口的速度与自然风速度相叠加，在前面一小节已进行了相关分析研究。当自然风风向与隧道风向垂直时，假定风向为进风口吹向出风口方向，则出风口排出的CO污染物在自然风的作用下远离出风口，污染程度降低；假定风向为出风口吹向进风口方向，则出风口排出的污染物被吹向进风口附近，加重了CO的窜流污染。因此，本节研究最不利自然风向，即垂直自然风作用于隧道洞口时CO扩散规律，风向如图11所示。根据气象数据，选取自然风u=1，1.5，2 m/s和2.5 m/s，研究隧道洞口污染物CO情况，如图11所示。

选择2.3节中二次污染率最高的两种工况，叠加最垂直自然风，研究隧道洞口不同中隔墙长度L对二次污染率的影响。具体模拟仿真工况划分，如表1所示。

表1 自然风作用时，隧道洞口CO扩散仿真工况

结合2.3节结论：无自然风时，隧道洞口中隔墙长度L=25 m可满足CO防窜要求。因此，在研究有自然风作用时，固定中隔墙高度为7.25 m，选取中隔墙长度L分别为25，30，35，40 m和45 m，研究不同工况下中隔墙长度对隧道洞口CO窜流的影响，得到存在垂直自然风时，8种工况不同中隔墙长度时的隧道洞口的二次污染率变化，如图12所示。

图12 隧道洞口二次污染率随中隔墙长度变化趋势Fig.12 Secondary pollution rate varying with length of mid-partition at tunnel portal

由图12可知，给定进(排)风速度时，随着自然风的增大，二次污染率逐渐增大。有垂向自然风作用时，随着中隔墙长度的增加，二次污染率降低。当中隔墙长度为40 m时，8种工况下的隧道洞口二次污染率均低于10%，即存在垂向自然风时，中隔墙长度为40 m时能防止污染物防窜。

4 自然风2.5 m/s时中隔墙长度确定

根据气象数据，可以得到隧址年平均风速为2.5 m/s。根据隧道通风设计文件，隧道洞口最大进(排)风速为7.5 m/s。为进一步验证中隔墙设置长度的最佳取值，针对最大进(排)风速作用，自然风2.5 m/s工况下，中隔墙设置长度分别为45，50 m 和55 m，模拟不同中隔墙长度隧道洞口CO浓度场，并计算双洞隧道之间CO的二次污染率，如表2所示。

表2 V0=V1=7.5 m/s，u=2.5 m/s时，二次污染率随中隔墙长度的变化趋势

由表2可知，二次污染率与中隔墙长度呈现负的相关现象。当中隔墙长度为50 m时，二次污染率值为8.23%，小于10%。因此，在最大进(排)风速为7.5 m/s，自然风u=2.5 m/s工况下，中隔墙长度设置为50 m满足隧道洞口CO防窜要求。

5 结论

(1)本研究利用流体仿真模拟软件Fluent，对水下特长矩形大断面隧道洞口CO窜流情况进行了数值模拟。无自然风作用时，当排风洞口风速V0不变时，隧道洞口二次污染率与进风洞口风速V1关系为正相关，即CO窜流情况随着进风洞口风速的增加而变得严重；而当进风洞口风速V1不变时，随着排风洞口风速V0的增大，隧道洞口二次污染率不断减小。

(2)隧道洞口无自然风作用时，针对(1)中CO窜流最严重的两种工况，固定中隔墙高度为7.25 m，研究中隔墙长度L对隧道洞口CO窜流的影响，研究表明：隧道洞口设置中隔墙有利于减少隧道二次污染，随着中隔墙长度的增加，隧道洞口二次污染值不断降低；当中隔墙长度L为25 m时，隧道洞口二次污染率低于10%，满足隧道CO防窜要求。

(3)隧道洞口存在自然风作用时，考虑最不利工况，研究垂直自然风对隧道洞口CO扩散规律的影响。研究表明：当给定隧道排风洞口风速V0和进风洞口风速V1时，隧道洞口二次污染率随自然风速u的增加而增大。针对最大垂直自然风u为2.5 m/s，研究中隔墙长度L对隧道洞口CO窜流的影响，研究表明：当中隔墙长度L=40 m时，隧道洞口二次污染率低于10%，满足隧道CO防窜要求。

(4)考虑隧道洞口最大进(排)风，即V0=V1为7.5 m/s，自然风u为2.5 m/s时，中隔墙长度对隧道洞口CO扩散规律的影响。研究表明：中隔墙长度L为50 m时，二次污染小于近10%，满足CO防窜要求。隧道洞口中隔墙长度设置建议为50 m。