S型城市隧道污染物传播特性数值模拟

李嘉齐，明廷臻，吴永佳，文远高

(武汉理工大学土木工程与建筑学院，湖北 武汉 430070)

在城市化的进程中，城市用地紧张问题日趋严峻。立体化利用城市空间已成为交通规划设计的必然方向。城市隧道以其造价相对低廉、可有效降低噪音污染、缓解地面拥堵以及可集中排放处理隧道内污染物等优势，已成为当今城市立体交通系统必不可缺的组成部分。

城市隧道虽在一定程度上缓解了城市的交通拥堵问题，但城市隧道中机动车产生的污染物对环境的影响依然是一个急需解决的问题。城市隧道虽具有相对集中排放污染物的优势，不会大范围对沿线环境产生影响，但也正是因为此原因隧道内的污染性气体以及颗粒物被限制在有限空间内且难以扩散稀释，使隧道内环境污染程度亦远超普通城市道路。尤其是随着如今隧道工程技术的日益成熟，隧道也日益向长大化趋势发展，这也进一步导致隧道内环境污染问题的加剧。当隧道内污染累积到一定程度时，如不及时进行缓解，不仅将对隧道内人员的健康产生严重的影响，同时亦加剧了驾驶人员的安全隐患。

如今许多城市新型隧道采取上方局部开口方式，以期缓解隧道内部环境污染以及出口污染物集中排放的问题。同时，隧道内部设置射流风机也是改善隧道内空气质量的重要措施之一。而隧道顶部开口和隧道内部设置射流风机必将使隧道系统流场以及污染物传播规律发生重大的改变。目前针对城市隧道交通系统的研究多集中于隧道内火灾、噪音、进出口污染、污染物组成等单一方面，而对具有复杂结构的S型城市隧道中顶部开口和射流风机耦合作用下污染物传播特性的研究尚处于起步阶段。为此，本文针对武汉市二环线水果湖隧道的实际结构，构建了一个顶部开口和隧道内部设置射流风机的S型城市隧道三维立体模型，并运用计算流体动力学(CFD)方法，模拟分析了顶部开口和射流风机对S型城市隧道系统流场以及污染物传播特性的影响，以期为隧道设计以及隧道内空气质量预测与污染控制提供依据。

1 物理数学模型构建

1.1 物理模型的建立

本文以武汉市二环线水果湖隧道为研究对象，参照实际工程设计尺寸，采用ICEM软件建立了该S型城市隧道全尺寸三维几何物理模型，如图1所示。

图1 S型城市隧道三维几何物理模型

下方S型隧道全长为1 270 m，包括150 m开口贯通段和1 120 m暗埋段。从隧道北进口进入后依次为暗埋段(300 m)、北开口贯通段(100 m)、暗埋段(625 m)、南开口贯通段(50 m)、暗埋段(195 m)组成，其中开口贯通段顶部与地面等高。下方S型隧道其造型为矩形箱涵结构，高为6 m，宽为10.85 m，双车道。隧道内净空尺寸为9.65 m×6.0 m，同时下方S型隧道内部还采用射流风机进行辅助通风设计，射流风机悬挂于隧道顶部，其风量为11 m/s。射流风机分7组布置，每组2台，总共布置了14台。

1.2 数学模型的建立

为了模拟该S型城市隧道内污染物的传播规律，依据实际的流体流动特性做如下假定：①流体为不可压缩流体；②计算域中空气物性不发生改变；③计算域中流体流动为湍流且充分发展。

相应满足条件的流体流动连续性方程、动量方程和能量方程如下：

(1)

(2)

(3)

本文选用RNG

k

-

ε

模型进行求解，流体的湍动能方程

k

和湍流耗散率方程

ε

分别表示如下：

(4)

(5)

式中：

G

为平均速度梯度产生的流体湍动能(m/s)；

α

、

α

分别为与流体的湍动能

k

和湍流耗散率

ε

相对应的Prandtl数有关的常量，分别取值为

α

=1

.

39、

α

=1

.

39；

C

1、

C

2为湍流常数，分别取值为

C

1=1

.

42、

C

2=1

.

68；

μ

为流体的有效运动黏度(m/s)。

本研究中污染物传播的组分输运方程如下：

(6)

式中：

D

为污染物传播组分

S

的扩散系数；

c

为污染物传播组分

S

的体积浓度(ppm)；

S

为系统内单位体积单位时间污染物传播组分

S

的产生量(kg/m·s)。

1.3 边界条件及污染源

计算案例中下方S隧道北端入口为速度入口(2 m/s)；其南端出口为压力出口，压力值设置为表压0 Pa；隧道内部7组14台射流风机设定为fan边界条件，其风量为11 m/s；隧道南北端顶部开口设置为压力出口，压力值设置为表压0 Pa；模型中隧道固体壁面均为无滑移壁面。

整体模型中污染源设定在S型隧道内机动车道上，机动车排放物作为模型中污染源，由于CO排放在机动车尾气中占比较大且不易与空气中其他成分发生反应，同时也为温室效应重要的影响因素之一。因此，本研究选用CO作为污染物标记物，并且释放源设置为体污染源。在交通堵塞情况下，隧道内污染物的传播最终会达到稳定状态，其强度可设定为4×10kg/(m·s)。

本次数值计算在通用CFD商用软件Ansys Fluent 15.0中进行。压力与速度的耦合采用SIMPLE算法；压力插值采用Standard算法；梯度插值采用格林-高斯节点方式；对流项离散选用二阶迎风差分格式，扩散项离散选用二阶中心差分格式。收敛标准设定为最大值<1×10。

1.4 模型验证

本模型整体计算域采用结构六面体网格进行划分，考虑到隧道内近壁面、内部射流风机、开口贯通处等区域流体湍流度较高，以上区域网格将全部加密。上述区域为网格中心区域且向整体计算域各方向进行等比加疏操作，并且控制其渐进比在1.1以内。为了保证计算准确性和计算精度，需对模型网格无关性进行验证，并对模型粗网格、细网格和超细网格3组网格系统进行划分，将模型3组网格系统的网格数量划分为5 054 568个、6 129 214个和7 710 864个。模拟结果表明：上述3组网格系统中同截面上，第一、二组网格系统的平均风速和污染物平均浓度的最大误差分别为2.6%和2.3%；第二、三组网格系统的平均风速和污染物平均浓度的最大误差分别为1.7%和1.9%。因此，认为模型网格可以保证独立性和网格质量。为了节约计算资源和成本，本次选取网格数量为6 129 214个的网格系统作为分析依据。

2 结果与分析

2.1 S型城市隧道顶部开口关闭且射流风机不启动工况分析

为了分析顶部开口和射流风机均不开启工况下S型城市隧道内污染物的传播特性，通过对模拟结果进行整理，提取了S型城市隧道内污染物CO平均浓度(即CO质量分数)的分布云图，见图2。

图2 顶部开口关闭且射流风机不启动工况下S型城市隧道内污染物CO平均浓度的分布云图

由图2可见，S型城市隧道内由北端入口开始随着距离隧道入口距离的增加，隧道内污染物CO浓度呈递增趋势，并且在南端出口CO浓度达到峰值。究其原因主要为自S型城市隧道入口开始，隧道内流场在环境风的作用下开始向隧道出口方向流动，流场特性的变化将直接对污染物扩散规律产生影响，从而使隧道内污染物向隧道出口方向迁移，且随着距离隧道入口距离的增加，污染物的堆积现象将越发严重。传统直型隧道内污染物的传播亦有相似特性。

同时，S型城市隧道内流场结构与传统直型城市隧道也存在些许差异：直型城市隧道近壁面处流场速度通常呈对称均匀分布；而S型城市隧道弯曲处外环近壁面将先受到流体冲击使其湍流强度更高，从而导致隧道各弯曲处外环近壁面流场速度比内环近壁面流场速度更高。

为了探究隧道内污染物传播规律随高度变化的相关特性，通过对模拟结果数据进行整理，提取了距S型城市隧道底部分别为2 m、2.5 m、3 m、3.5 m、4 m、4.5 m、5 m、5.5 m高度处断面的CO平均浓度(即CO质量分数)，绘制了隧道内CO平均浓度随高度的变化曲线，见图3。

由图3可见，随着距离隧道底部高度的增加，隧道内污染物CO浓度整体呈下降趋势，且当高度在4m以下时污染物CO浓度受高度影响的敏感性较大，当高度大于4 m后随着距离隧道底部高度的增加，隧道内污染物CO浓度的降幅减小，其敏感性减弱。

图3 S型城市隧道内不同高度处CO平均浓度的分布图

上述探究了S型城市隧道内污染物CO浓度随高度变化的相关特性。另外，在沿城市隧道长度方向上，不同位置垂直断面的污染物浓度分布也不尽相同且各具有特异性，为了更详尽地探究污染物浓度沿隧道长度方向的分布特性，提取了S型城市隧道车辆移动方向沿线长度分别为1/5(254 m)、2/5(508 m)、3/5(762 m)、4/5(1 016 m)断面处污染物CO平均浓度的分布云图，见图4。

由图4可见，随着隧道沿线距离的增加，各断面污染物CO浓度呈现出由隧道底部向隧道中部和顶部扩散的趋势；在隧道沿线长度为3/5(762 m)断面处污染物CO近乎已覆盖隧道横断面的大半个空间。

图4 S型城市隧道沿线不同断面处污染物CO平均浓度的分布云图

2.2 S型城市隧道顶部开口关闭且射流风机启动工况分析

为了探究射流风机对S型城市隧道内污染物扩散规律的影响，开启了隧道内部7组14台射流风机，通过对模拟结果数据进行整理，提取了S型城市隧道内断面上流场流速的分布云图，见图5。

图5 顶部开口关闭且射流风机启动工况下S型城市隧道内断面上流场流速的分布云图

由图5可见，射流风机对隧道出口周围流场流速的提升明显，说明射流风机对隧道流场的影响显著，其射流影响段明确，这一规律与先前学者针对隧道内部射流风机作用的研究结果相一致，即射流风机通过加速隧道内流场流动以及诱导隧道内整体流场向隧道出口方向移动以达到缓解隧道内空气污染的作用。

顶部开口关闭且射流风机启动工况下S型城市隧道内污染物CO平均浓度的分布云图，见图6。

图6 顶部开口关闭且射流风机启动工况下S型城市隧道内污染物CO平均浓度的分布云图

由图6可见，射流风机对缓解S型城市隧道内整体空气污染状况具有一定的作用，但缓解程度不够显著，隧道内污染物CO浓度的降低幅度约为10%。究其原因主要为该隧道长度较长且为S型，在S型隧道中曲率较大的弯道处均会降低射流风机的作用。

由此可见，对于S型城市隧道内空气质量保证以及污染物控制问题，不能仅依托射流风机，对于如今新型设计的S型城市隧道还应该考虑顶部开口的作用，这将在下面展开探究。

2.3 S型城市隧道顶部开口开启且射流风机关闭工况分析

为了单独探究顶部开口对S型城市隧道内流场以及污染物传播特性的影响，开启了S型城市隧道的北端顶部开口和南端顶部开口，将隧道内射流风机关闭，通过对模拟结果数据进行整理，提取了S型城市隧道内断面上流场流速的分布云图，见图7。

图7 顶部开口开启且射流风机关闭工况下S型城市隧道内断面上流场流速的分布云图

由图7可见，顶部开口对隧道内流场的影响巨大，经北开口段后隧道内流场流速发生了明显的下降，致使北开口段后剩余隧道长度内流场流速长期处于较低水平。究其原因主要为北开口段对隧道内流场起到了分流作用，且由于北开口段隧道长度较长为100 m，致使北开口段后隧道内流场流量和流速显著下降。

顶部开口开启且射流风机关闭工况下S型城市隧道内污染物CO平均浓度的分布云图，见图8。

图8 顶部开口开启且射流风机关闭工况下S型城市隧道内CO平均浓度的分布云图

由图8可见，S型城市隧道内污染物CO在经北开口段后，因流场堆积且流速缓慢等因素，污染物CO浓度急剧上升，且污染物CO浓度甚至上升了1至2个量级，因此仅开启顶部开口时甚至还会对隧道内流场和污染物传播起到消极作用，使隧道内空气污染情况加剧。由此可见，对于S型城市隧道内空气质量保证以及污染物控制问题，不宜采取仅开启隧道顶部开口的方式。为此，下面将探讨顶部开口与射流风机同时工作情况下，对S型城市隧道内流场以及污染物传播规律的耦合影响。

2.4 S型城市隧道南北双顶部开口与射流风机同时开启工况分析

为了探究顶部开口与射流风机同时开启对S型城市隧道内流场以及污染物传播特性的影响，开启了S型城市隧道北端顶部开口和南端顶部开口，并开启了隧道内射流风机，通过对模拟结果数据进行整理，提取了S型城市隧道北端顶部开口和南端顶部开口周围计算域流场流线图，见图9和图10。

图9 南北双顶部开口与射流风机同时开启工况下S型城市隧道北顶部开口计算域流场流线图

图10 南北双顶部开口与射流风机同时开启工况下S型城市隧道南顶部开口计算域流场流线图

由图9图10可见，南北双顶部开口与射流风机同时开启工况下S型城市隧道北、南两端顶部开口处均使隧道内流场发生了明显的分流效应。

进一步提取该工况下S型城市隧道内断面上流场流速的分布云图，见图11。

图11 南北双顶部开口与射流风机同时开启工况下S型城市隧道内断面上流场流速的分布云图

由图11可见，经南、北端顶部开口后S型城市隧道内流场流速均发生了明显的下降，但随后隧道内流场又在射流风机的作用下提升了一定量的流速，并最终达到较均匀的流速。由此可以推测，该工况下隧道内空气质量和污染状况将有较大的改善。

为了印证上述流场分析结果的合理性且进一步探究S型城市隧道内污染物CO的传播特性，本文提取了S型隧道内污染物CO平均浓度的分布云图，见图12。

图12 南北双顶部开口与射流风机同时开启工况下S型城市隧道内污染物CO平均浓度的分布云图

由图12可见，S型城市隧道内CO污染在射流风机和顶部开口的联合作用下得到了明显的缓解，污染物CO浓度先在北开口段大幅降低，随后随着隧道长度的增加，污染物CO浓度相应递增，并在南开口段CO浓度再次显著降低。由此可见，对于S型城市隧道内空气质量保证以及污染物控制问题，使用射流风机与顶部开口同时开启方案，将会达到更理想的效果。

2.5 S型城市隧道南顶部开口与射流风机同时开启工况分析

通过上述分析可知，顶部开口与射流风机同时开启时，对缓解S型城市隧道内空气污染具有较明显的效果。然而上述工况为南、北顶部开口均开启，如若仅开启单个顶部开口时，将会对隧道内空气污染状况起到多大程度的缓解，同样值得探究。为此，本文仅设定南顶部开口与射流风机同时开启工况进行了模拟计算分析(由于隧道内污染物CO大部分堆积于南半段，由此仅考虑开启南顶部开口工况)，提取了南顶部开口与射流风机同时开启工况下S型城市隧道内污染物CO平均浓度的分布云图，见图13。

图13 南顶部开口与射流风机同时开启工况下S型城市隧道内污染物CO平均浓度分布云图

由图13可见，S型城市隧道内CO污染在该工况下也得到了一定程度的缓解，尤其在南顶部开口范围，但CO污染整体缓解效果相对南北双顶部开口与射流风机同时开启工况而言则相对较弱。

为了印证上述结论，通过对模拟结果数据进行整理，分别提取了顶部开口与射流风机均不开启、仅开启射流风机、南北双顶部开口与射流风机同时开启、南顶部开口与射流风机同时开启4种工况下，S型城市隧道内污染物CO的平均浓度图，见图14。

图14 不同工况下S型城市隧道内污染物CO的平均浓度图

由图14可见，仅开启射流风机工况较顶部开口与射流风机均不开启工况而言，S型城市隧道内污染物CO浓度的降低幅度有限，约为10%；而南北双顶部开口与射流风机均开启工况可使隧道内空气污染得到明显的缓解，S型城市隧道内污染物CO浓度的降低幅度约为35%。上述结论也与前文分析结果相一致。

3 结论与展望

(1) 本研究的S型城市隧道环境中，由入口开始随着隧道长度的增加，隧道内污染物浓度呈递增趋势，并且在南端出口污染物浓度达到峰值。

(2) 在顶部开口关闭，单启动射流风机工况下，射流风机对缓解S型城市隧道内整体空气污染状况具有一定的作用，但缓解程度不够显著，隧道内污染物CO浓度的降低幅度约为10%；而单开启顶部开口工况对缓解隧道内空气污染无积极作用。

(3) 当南北双顶部开口与射流风机同时开启时，S型城市隧道内空气污染状况将得到了明显的缓解，隧道内污染物CO浓度的降低幅度约为35%。

本文主要研究了该S型城市隧道环境的污染物传播特性，以期为隧道设计以及隧道内空气质量预测与污染控制提供依据。但值得指出的是，除了上述研究内容外，例如隧道开口环境周围因受太阳辐射导致的局部受热不均匀情况也将对隧道内空气流场以及污染物传播规律产生一定的影响；而隧道内部车流速度和射流风机设置角度对S型隧道内污染物传播规律的影响同样值得探索。对于上述各项影响因素将会在后续研究工作中予以考虑。