交通风与自然风对公路隧道通风影响数值模拟

汤在宇 米立甲 刘双平 郑诚

1 浙江华东工程咨询有限公司

2 中国电建华东勘测设计研究院

0 引言

城市行车隧道的建设极大缓解了交通拥堵状态，而通过增加隧道车道数则进一步降低了单车通行成本，但由于隧道的相对封闭性，车辆排放的尾气由于含有多种有害成分，如一氧化碳，二氧化氮以及烟尘，需要稀释或及时排出隧道，二氧化碳浓度较高时也需要及时排出隧道[1-2]。因此，隧道建设需要对通风系统进行科学的设计。根据交通运输部发布的《公路隧道通风设计细则JTG/TD70/2-02-2014》（下文简称《细则》）[3]，隧道通风分为自然通风和机械通风两大类。自然通风是通过气象因素形成的隧道内空气流动，以及机动车从洞外带入新鲜空气来实现隧道内外空气交换，机械通风是通过风机作用使空气沿着预定路线流动来实现隧道内外空气交换。如果自然通风能达到《细则》中规定的稀释CO，NO2，烟尘和空气中的异味的作用，则可以显著提高节能减排效果，同时又能提高行车安全。机动车从洞外带入新鲜空气以及引起隧道内空气流动，即交通风受交通流量和行车速度影响，而自然风则受风速和风向影响。为此，研究公路隧道交通量，行车速度，自然风速和风向对公路隧道通风影响具有重要意义。

隧道自然通风具有节能减排和降噪等特点，学者们对公路隧道自然通风特性进行研究并取得了一定的成果[4-8]，随着计算机技术发展，数值方法成为隧道通风研究的一种重要方法。本文采用ANYSIS 的FLUENT 模块对隧道自然通风特征进行三维数值模拟，使用动网格技术研究行车速度和交通量，并耦合自然风因素对隧道通风的影响特征。

1 隧道模型建立

本文计算模型的建立是依据浙江省杭州市某在建隧道进行的模拟计算。该隧道全长1797 m，双向六车道规模，隧道内设隔离墙，单孔横断面高度为5.8 m，宽度为11 m，车辆单向行驶，最高速度为60 km/h。依托该隧道进行三维建模，模型如图1 所示，隧道高度5.8 m，宽度11.0 m，长度为1000 m，汽车长宽高分别为5.0 m，2.0 m 和2.0 m，三车并排行驶。计算模型采用Gambit2.4.6 创建并网格化，为适应移动网格技术，模型网格使用四节点四面体单元进行剖分，经过网格无关性验证，网格单元长度取0.2 m 即可满足，为满足计算机资源要求，本文采用0.2 m 为单元长度。模型入口为速度入口，出口为压力出口，壁面为无滑移边界。该隧道所处的室外平均风速夏季为2.0 m/s，冬季为1.8 m/s，考虑到双向行车，计算中考虑风向与行车方向相同与相反两种情况。该隧道预测平均小时交通量为3500 pcu/h，小客车占比0.8，小货车占比0.15，大货车占比0.05。为计算结果对比研究的一致性，本文计算采用小客车占比为1。

图1 计算模型

2 计算结果及分析

为研究隧道通风特征，本文考虑隧道交通量，行车速度，自然风速和风向，车辆行驶采用动网格技术实现，FLUENT 湍流模型采用k-ε 双方程模型，重点分析隧道内风速变化规律。

2.1 行车速度对通风影响

由在隧道下部的车辆行驶所形成的交通风，其风速从隧道底部到顶部逐渐减小，因此研究行车速度对通风影响主要关注隧道上部风速的变化特征。图2 所示为并排三辆车在隧道内行驶的横断面风速分布图，图2a 车速为30 km/h，图2b 车速为60 km/h。由图可知，车辆上方空气在车辆行驶形成的交通风作用下发生流动，风速沿隧道中心呈左右两侧对称分布，在距隧道地面相同高度中心位置风速大于隧道侧壁风速。随着车辆行驶速度的增大，空气流动速度显著增加。车速为30 km/h 工况下，车辆上方空气流动最小速度为1.94 m/s，而车速为60 km/h 工况下，车辆上方空气流动最小速度为3.23 m/s。

图2 隧道横断面风速

图3 所示为隧道纵断面风速分布特征，图3a 和3b 行车速度分别为55 km/h 和60 km/h，车辆行驶方向为从左向右。由图可知，隧道纵断面风速以车辆中心呈前后对称分布，速度范围为1.04 m/s 至2.09 m/s的区域，车辆后方比前方略大。这是由于车辆行驶后方空气扰流强度较大，其速度分布范围大于车辆前方。对比图3a 和图3b 可知，两种工况下风速纵断面分布较为相似，仅在车辆上方速度2.09 m/s 至3.13 m/s 分布区域，60 km/h 工况大于55 km/h 工况。表明隧道内由车辆行驶产生的隧道交通风分布特征受车辆行驶速度的影响，车辆行驶速度越大，其产生的交通风风速越大。

图3 隧道纵断面风速

通过模拟不同行车速度工况下隧道横断面风速，行车速度为30 km/h，35 km/h，40 km/h，45 km/h，50 km/h，55 km/h 和60 km/h，车辆上部最小风速分别为 1.94 m/s，2.23 m/s，2.45 m/s，2.71 m/s，2.89 m/s，3.07 m/s 和3.23 m/s。

2.2 隧道交通量对通风影响

针对不同交流量工况进行数值模拟，取隧道横断面风速数据，分析交通量对隧道通风影响。图4 为三种车速工况下隧道横断面风速与交通量关系，由图可知，由车辆行驶形成的隧道风速随着交流量的增加而增大，这一增加趋势随交通量增加而越来越小，此外，这一增加趋势随着行车速度的增加而小幅增大。由此可见，交通量对隧道风速影响较为明显，在相同车速下，交通量的增加可以明显增大隧道风速。本隧道工程按交通量与车型比例设计CO 和烟雾稀释以及通风换气所需的风速为2.5 m/s，即按照平均小时交通量为3500 pcu/h 所需风速。由此可知，当车速大于40 km/h时由行车产生的交通风即可实现隧道CO 和烟雾稀释以及通风换气的目的。

图4 隧道横断面风速与交通量关系

2.3 自然风速和风向对通风影响

本工程室外气象参数有大气压，通风计算干球温度和平均风速组成，其值在夏季分别为100.09 kPa，32.3°C和2.0 m/s，冬季分别为102.11 kPa，4.3°C和1.8 m/s。自然风风向存在多变性，为此结合自然风速，风向与行车速度对隧道通风进行数值计算。图5 为2 m/s风速自然风在顺风（图5a）与逆风（图5c）及无风（图5b）时车辆以60 km/h 速度行驶的隧道横断面风速分布图，风速2 m/s 逆风与顺风是自然风对行车通风的两个极值。对比图5a 与图5b 可知，顺风向自然风与交通风相互作用显著提高了隧道风速，其风速略大于交通风与自然风的线性叠加，这是由于自然风主要以纵向为主，交通风存在局部横向，自然风的引入使得局部横向交通风向纵向转变，降低了湍流强度，从而使得两者综合速度略大于两者线性叠加。对比图5c 与图5b 可知，逆风向自然风对交通风抑制作用明显，两者相互作用后的风速小于两者的线性相减，这是由于自然风与交通风对流增强了湍流强度，导致能量消耗，从而降低了综合风速。因此，当自然风与行车方向相反时，需要采用其他方式进行通风，才能达到CO 和烟雾稀释以及通风换气的目的。

图5 自然风与交通风相互作用横断面风速分布图

此外，针对自然风风速和风向与行车速度多因素综合影响隧道通风进行了数值计算。图6 所示为交通量为1000 pcu/h 工况下不同行车速度隧道风速与自然风速关系图，自然风风速为负表示风向与行车方向相反，自然风风速为正表示两者同向。由图可知，自然风风向与行车方向相反对隧道风速的抑制作用明显大于两者同向时对隧道风速增加的幅度，并且抑制作用随逆向自然风风速增加而增强。此外，逆向自然风对隧道风速的抑制作用随行车速度的增大而增强。

图6 隧道风速与自然风速关系图

3 结语

本文利用FLUENT 商用软件，采用k-ε 双方程湍流模型对自然风与交通风在隧道内通风特征进行了数值计算，分析了行车速度，交通量，自然风风速与风向对隧道通风影响规律，其结论如下：

1）由车辆行驶产生的交通风风速随着行车速度的增大而增加，这一增加趋势随行车速度增大而减小。当车速大于40 km/s 时，仅靠交通风可实现隧道通风换气目的。

2）隧道交通量对隧道通风存在影响，交通风风速随交通量增加而增大，但随着行车速度增大，交通风风速增加量降低。

3）自然风风速与风向对隧道通风的影响明显，自然风与交通风的综合风速不是简单的线性叠加，其改变了空气流动的湍流强度。当自然风风向与车辆行驶方向相同时，其显著提高隧道风速，当两者相反时则起明显的抑制作用。