汪 瑞 黄立文 谢 澄* 邓 健
(武汉理工大学航运学院1) 武汉 430063) (内河航运技术湖北省重点实验室2) 武汉 430063)
船舶通航隧洞建造投资较大,技术复杂,其设计建造和安全营运方面的研究尚处于起步阶段,我国目前也仅有为数不多的小型通航隧洞分布在如乌江、富春江等河流水域中[1].
船舶通航隧洞与公路、铁路隧道相比截面尺寸较大,船舶在通过隧洞时,基于安全考虑需采取限制航速航行,通过隧洞的时间较长,同时,通航隧洞本身作为一种典型的半封闭空间,当通风条件不良时船舶排放的尾气短时间内无法扩散,尾气中有毒有害成分如CO和NO2等在通航隧洞内的大量积聚,会引发船员呼吸系统及神经系统中毒[2].与此同时,由于目前国内关于通航隧洞的船舶尾气排放控制标准尚属空白,在通航隧洞设计和营运时一般参照如JTG/TD702-02—2014《公路隧道通风设计细则》等公路隧道通风标准,由于船舶与车辆排放特征存在明显差异,公路隧道标准的适用性还有待考证.因此,文中以内河典型通航隧洞为研究对象,模拟不同通风条件下通航隧洞船舶尾气排放,开展通航隧洞内船舶尾气的排放扩散研究,对于保障水上交通安全具有重要的意义,同时也能为通航隧洞内船舶尾气排放设计浓度标准的制定提供科学依据.
通航隧洞内船舶尾气的排放扩散过程受大气流动特别是风速和风向的影响较大,属于非稳态的三维湍流流动[3],船舶尾气为CO和NO2气体的混合物,扩散过程中忽略气体的热量交换,因此对于混合气体的湍流扩散而言,除求解动量守恒方程、连续性方程外,还应构建相应的湍流控制方程和组分输运模型,从而实现对混合气体湍流流动情况的精确捕捉.同时,在使用数值模拟方法开展船舶尾气排放扩散研究前,还应就CFD模型的有效性进行评价,从而确保模拟结果能够真实反应气体的扩散特征和浓度的分布情况.
为计算的精确性同时兼顾工程实际问题的计算效率,经过对比,选取RNGk-ε模型作为湍流控制模型,两个基本方程k方程和ε方程为[4]
k方程:
Gk+Gb-ρε-YM+Sk
(1)
ε方程:
(2)
式中:ρ为气体密度,kg/m3;k为湍动能,J;ε为湍流耗散率,%;αk和αε为k和ε的普朗特数的倒数,均为1.393;参数C1ε=1.42,C2ε=1.68;Gk为由平均速度梯度产生的湍流动能;Gb为由于浮力产生的湍流动能;YM为可压缩湍流中波动扩张对总湍流耗散率的贡献值;Sk和Sε为用户自定义源项.
组分输运模型中所遵循的组分守恒定律见式(3),由于尾气扩散过程中不涉及到化学反应,因此各组分的化学生成率为零.
(3)
式中:ρ为气体密度,kg/m3;t为扩散时间;v为速度矢量;Yi为组分i的质量分数;Ri为组分i源项的产生速率;Ji为组分i的扩散系数,对于湍流而言,Ji为
(4)
式中:Sct为湍流的施密特数,默认为0.7;Dt,i为热扩散系数;Di.m为质量扩散系数;μt为湍流黏度.
在对现有的CFD模型有效性评价成果进行总结筛选的基础上,根据模型有效性评价标准,通过计算模拟值和实验值的相对偏差(FB)、几何平均偏差(MG)、几何平均方差(VG)、相对均方误差(MRSE)、归一化的均方误差(NMSE)等统计学指标[5],并与有效性判定标准进行对比,从而验证CFD模型在模拟船舶尾气排放扩散中的有效性.各统计学指标的计算公式为
(5)
式中:Xo为试验的测量值;Xp为模型的计算值.
总结国内外相关文献研究成果,分别对上述各统计指标进行计算,见表1,将计算结果与有效性评价标准进行对比,可得FB、MG、VG、MRSE、NMSE的取值能够满足评价标准的要求,因此,基于CFD模型开展船舶尾气排放扩散计算是准确有效的.
表1 尾气排放扩散计算模型有效性评价情况
以内河某典型的单向通航隧洞构建计算模型,隧洞长度为1 800 m,隧洞每隔100 m设置一组对流风机,风机风量为250 m3/h,考虑船舶结构对尾气扩散的影响较小,因此将船舶进行简化只保留船舶烟囱.同时,根据船舶交通流情况和实际通航情况,船舶多排队通航隧洞,两条船间隔250 m的安全距离,因此根据风险最大化原则结合实际情况,模拟六条船舶同时处于隧洞内的尾气排放情况.选取通航隧洞最高通航水位(175 m水位)和最低通航水位(145 m水位)两种工况,以145 m水位为例,其计算模型见图1.
图1 通航隧洞船舶尾气排放三维计算模型
在边界条件的设定上,风机出口处及隧洞入口处分别为机械通风和自然通风条件下的速度入口,速度大小为对给定风机风量进行换算后风速以及通航隧洞所处地理位置处年平均风速;船舶烟囱出口处设置为质量入口,通过质量权重混合定律得到船舶尾气混合气体的密度和粘性系数等;将隧洞壁面的边界条件设置为无滑移的固定壁面,隧洞出口处为压力出口.
根据实际通航情况,该通航隧洞的代表船型为5 000 t级干散货船,双机功率为1 500 kW,船舶在隧洞中航行速度不超过10 km/h,根据GB15097—2016《船舶发动机排气污染物排放限值及测量方法(中国第一、二阶段)》中的有关船机排气污染物第一阶段的排放限值,对应得到CO的排放速率为5 g/(kW·h),NO2的排放速率为8.7 g/(kW·h),因此通过计算船舶通过隧洞所产生的CO和NO2的总量,得出船舶尾气中CO和NO2的组分比例,为
(5)
式中:v为CO的排放速率5 g/(kW·h);w为NO2的排放速率,8.7 g/(kW·h);G为船舶的主机功率;qm为船舶尾气的废气质量流量,取0.5 kg/s[9].
分别模拟两种通航水位下,自然通风和机械通风条件下通航隧洞内船舶尾气的排放扩散情况,经测量,通航隧洞内的平均风速为2 m/s,风机风量为250 m3/h,模拟实验的设置方案见表2.
表2 模拟实验设置方案
船舶尾气随隧洞内大气扩散,隧洞内的风场分布决定了隧洞内气体的流动方向和扩散速率,因此,应首先对对洞内风场情况进行模拟,待风场收敛后再进行尾气扩散模拟.以145 m水位为例,不同通风条件下隧洞内风场模拟结果见图2.
图2 145 m水位通航隧洞模拟风场速度分布云图
由风速度分布云图可知,隧洞内入口风速均在2.0 m/s左右,仅自然通风条件下隧洞内速度分布均匀,仅机械通风条件下隧洞内入口处几乎为静风状态且隧洞下半部分速度较低,自然通风和机械通风条件下隧洞后半部分通风状态较好,由于通航隧洞结构影响,风在隧洞内会有一定程度的加速现象,从而使得隧洞大部分区域的局部风速较入口处有所增加,与实际情况较为吻合.
在船舶尾气扩散模拟结果的分析上,分别就145 m水位和175 m水位下,CO气体和NO2气体在仅自然通风、仅机械通风及自然通风和机械通风三种通风条件下的排放扩散情况进行对比,同时根据《公路隧道通风设计细则》通过插值法求得1 800 m长的船舶通航隧洞中CO气体的体积分数排放限值为1.3×10-4,NO2气体的体积浓度排放限值为1×10-6,将实验结果中CO与NO2气体分数分布云图与上述排放限值进行对比分析如下.
1) 145 m水位下船舶尾气扩散情况 145 m水位对应通航隧洞最低通航水位,见图3.
图3 不同通风方式下CO和NO2气体的扩散对比情况(145 m水位)
由图3可知:深色区域为两种气体浓度不符合排放限值标准的区域,当在自然通风条件下开启机械通风,CO气体和NO2气体的浓度场分布情况较其他两种通风方式而言有明显降低,由于仅机械通风时虽隧洞后部风速较大,但入口处风速基本为零,致使隧洞入口处的气体存在大量积聚.
对于CO气体来说,不论是哪种通风模式下,图中云图显示为深色的区域仅为船舶烟囱附近的小范围局部区域,大部分区域内均能满足CO气体的排放限值标准.
但对NO2气体来说,即使是自然通风增加了机械通风隧洞内大部分区域仍无法满足NO2气体的排放限值标准.
2) 175 m水位下船舶尾气扩散情况 175 m水位对应通航隧洞最高通航水位,见图4.
图4 不同通风方式下CO和NO2气体的扩散对比情况(175 m水位)
由图4可知,与145 m水位相类似,自然通风条件下开启机械通风,气体的体积分数场有一定的降低,虽然175 m水位下与145水位相比,隧洞水面抬升近30 m,隧洞内风场加速现象更明显,风速普遍大于145 m水位水位,但由于175 m水位较145水位下隧洞内空间变小,气体体积分数反而较145 m水位下有所增加.但总的来说,两种气体与排放限值相比,大部分区域内均能满足CO气体的排放限值标准,但不论是哪种通风模式下,隧洞内大部分区域仍无法满足NO2气体的排放限值标准.
3) 船舶尾气体积分数对比情况 通过沿隧道长度方向等距离截取10个截面,将自然通风、自然通风和机械通风通风两种条件下截面的平均气体浓度进行定量对比和分析,图5为CO气体截面平均体积分数变化曲线,图6为NO2气体截面平均浓度变化曲线.
图5 CO截面浓度曲线
图6 NO2截面浓度曲线
由图5~6可知,在最低通航水位和最高通航水位下,在自然通风情况下人为设置自然通风能够降低隧洞内气体体积分数,表3为模拟得到截面平均气体体积分数的具体情况,可以得出开启机械通风后对于隧洞内CO和NO2气体体积分数的降低具有一定的作用,平均降低率最高为27%左右,最低降低率为15%.
1) 当在自然通风条件下开启通航隧洞内射流风机,人为创造纵向机械通风条件,对于隧洞内船舶尾气污染物的扩散具有一定的作用,CO污染物浓度平均降低率为23.5%,NO2污染物体积分数平均降低率为21.0%.
2) 最高通航水位下隧洞内风速较最低通航水位下大,然而受水面抬升影响隧洞内空间变小,船舶尾气的体积分数反而较低通航水位下有所增加.
表3 开启机械通风后下CO和NO2气体体积分数降低情况
3) 根据模拟结果可以得出,不论是哪种通风方式下,只有船舶烟囱附近小范围区域内CO气体浓度不满足公路隧道设计限值要求,然而大部分区域内的NO2气体的体积分数均不能满足设计限值要求,其中部分区域NO2体积分数超过设计限值要求10倍以上.
4) 由于同等排放速率下车辆排放的CO气体与NO2气体的体积比要远大于船舶排放的尾气中CO与NO2的比值,因此《公路隧道通风设计细则》对于船舶通航隧洞具有不适用性,后续还应结合现场试验和船舶尾气动态监测数据[10-12]等科学制定适用于通航隧洞的CO和NO2气体的设计排放限值,为通航隧洞的设计和建造工作提供理论支撑.