纵向通风方式下狭长空间内车辆启动气流组织特性研究

李奇 LI Qi；崔永龙 CUI Yong-long；魏帅举 WEI Shuai-ju；李坤 LI Kun

（中国船舶及海洋工程设计研究院，上海 200011）

0 引言

在狭长空间内，由于存在纵横比大、横截面小的特点，空间内气流组织难以直接排出[1]。当在空间内排布多台车辆，启动备车时会产生大量有害烟气，污染整个空间的气体环境，如果没有采取合理有效的通风方式，则会在狭长空间内形成较差的空气状况，影响空间内活动人员和车辆驾驶人员的运行操作，长时间则会危害各人员健康安全，送风、排风的通风设计是有效抑制烟气危险，为人员营造良好空气环境的重要手段[2]。狭长空间的常见通风形式，包括纵向通风、横向通风、送风型半横向通风、排风型半横向通风，其中，纵向通风由于建设费用以及运行费用少、通风开口易布置等优点，逐渐成为公路隧道或铁路隧道等狭长空间内常见的通风形式，此类通风形式的示意图如图1 所示[3]。狭长空间内，纵向通风是通过所设置的通风设备使气流沿空间纵向方向流动，所产生的气流运动形式较为简单，其他较为复杂的通风方式可以在纵向通风的基础上进行组合变化，由此可见，纵向通风方式的研究是狭长空间内各类通风方式研究的基础，研究纵向通风所产生的基本气流规律，分析不同纵向通风方式对污染物扩散的抑制作用和空间内空气质量的改善效果具有重要意义，可以为其余复杂通风方式气流组织研究提供技术支持，为狭长空间内通风方案优化提供设计参考。本文基于狭长空间通风设计理论，主要针对纵向通风模式，模拟仿真了三种不同纵向通风方式下狭长空间内车辆备车时气体环境变化，分析此类通风方式下狭长空间内气流组织和污染物浓度分布规律，为狭长空间内通风方案设计提供参考。

图1 狭长空间纵向通风形式示意图

1 气流组织仿真方案

1.1 狭长空间纵向通风方案的确定

综合比选了各常见通风形式，并结合计算狭长空间内需风量、实际工程条件与各方案的特点，提出三种基于纵向通风方式的狭长空间通风设计方案，三种通风方案的详细设计信息见表1。通风口设置差异，方案1 中、尾部区域的送、排风口均设置在狭长空间的顶部，而方案2 中、尾部区域的送、排风口则设置在狭长空间的左右壁面；自然补风的差异，方案3 补风口设置在首部区域，而方案2 则设置在狭长空间的尾部区域。三种通风方案模拟仿真模型以及送排风口示意图如图2～图4 所示。

表1 三种通风方案的详细信息

图2 通风方案1 模型与送排风口示意图

图3 通风方案2 模型与送排风口示意图

图4 通风方案3 模型与送排风口示意图

1.2 评价指标的确定

狭长空间内通风量需保证通行人员能承受的烟气污染量和有害气体卫生极限。对于有害气体卫生极限，由于所排放烟气的各有害污染物成分中，一氧化碳（CO）含量与其浓度限值之比最高，认为CO 危害最大，因此选用CO浓度作为评价指标。对于人员所能承受的烟气污染量选取烟气浓度作为评价指标。

在不同的气流组织下，污染物在狭长空间内会表现出不同的纵向、横向、高度方向的分布。由于设计通风系统的目的为保障人员呼吸的安全，因此在高度方向上主要考虑地面人员呼吸高度（1.5m 高）、驾驶员呼吸高度（2.15m 高）的污染物浓度分布。

在分析污染物浓度的横向分布时，考虑到狭长空间内的车辆启动时会产生向右的高速烟气射流，导致右侧的污染物浓度明显高于左侧。因此，将车辆左侧区域（1.5m 高）划为地面人员活动区（左侧人行区），车辆备车状态时建议地面人员在车辆左侧区域活动。在对比各通风设计方案的污染物浓度大小时，主要考虑车辆左侧人行区（1.5m 高）、车辆右侧排烟区（1.5m 高）、车辆驾驶员呼吸区（2.15m 高）的污染物浓度。亦可分析污染物浓度的左、右分布不均匀性，认为左、右侧污染物浓度差异较大（右侧高于左侧）的通风设计方案更好。

在分析污染物浓度的纵向分布时，可以根据各排车辆的位置划分出若干区域，计算各区域内的局部污染物平均浓度，进行对比。

2 结果与分析

2.1 狭长空间内纵向通风所产生的气流特性

对于方案1 和方案2，由于纵向通风的特点，在送风气流的影响下，狭长空间内车辆启动时产生的烟气向首部区域方向流动，导致首部区域污染物浓度较高。当首部1～3#车辆备车时，由于逆空气流向，所以基本不会存在向尾部流动的烟气，因此从图5～图6 中可以看出此工况下尾部车辆附近的污染物浓度基本为0。

图5 各通风方案下各人行区呼吸高度、排烟区及车辆驾驶员呼吸区局部CO 平均浓度

图6 各通风方案下各人行区呼吸高度、排烟区及车辆驾驶员呼吸区局部烟气平均浓度

方案1 中、尾部区域的送、排风口均设置在狭长空间的顶部，而方案2 中、尾部区域的送、排风口则设置在狭长空间的左右壁面；针对自然补风，方案3 补风口设置在首部区域，而方案2 则设置在狭长空间的尾部区域，从图5～图6 中进行初步分析可以发现，纵向通风方式和自然补风方式的差异使得方案2 的通风设计优于方案1 和3，在各种工况下可以获得最佳效果，人员活动区和车辆驾驶员区可以保持最小的污染物浓度。

2.2 不同纵向通风方式对狭长空间内气流组织特性的影响

在2.1 节中展示了不同通风方式下局部CO 平均浓度和烟气平均浓度分布情况，分析了CO 和烟气两者浓度的分布规律，发现其趋势基本保持一致，故本节主要针对不同工况下CO 平均浓度的分布情况，分析方案1、方案2 两种不同纵向通风方式下气流组织特性。将方案1、2 两种通风设计方案下的各左侧人行区（呼吸高度h=1.5m）、右侧排烟区（1.5m 高）、各车辆驾驶员呼吸区（2.15m 高）的局部CO 平均浓度分布情况依次通过图7 至图9 进行展现，后续将会分别分析1～3#车辆备车、4～6#车辆备车、6～8#车辆备车三种备车工况下气流组织特性。

图7 方案1 和2 各工况下各人行区呼吸高度局部CO 平均浓度

图8 方案1 和2 各工况下各排烟区局部CO 平均浓度

图9 方案1 和2 各工况下各车辆驾驶员呼吸区局部CO 平均浓度

对于方案1 和方案2，由于纵向通风的特点，尾部区域产生的烟气随送风气流向首部区域方向流动，导致首部区域污染物浓度较高。

从图7～图9 中可以看出，当处于备车工况1 即首部区域1～3#车辆备车时，对于方案1，由于排风口均设在顶部，带动从尾部区域流向首部区域的气流较早地向高处排风口位置流动，减少了烟气向狭长空间首部区域的蔓延，因此首部的污染物浓度较低；同时因为排风口均设在顶部，烟气射流冲击右侧壁面后在排风气流的带动下向左侧蔓延，造成左侧2#车辆附近的污染物浓度高于方案2。考虑到实际运行中车辆位置变动等因素，将1～3#车辆的人员呼吸区综合考虑，认为方案2 在备车工况1 下的表现略优于方案1。

当中部区域车辆备车时，首部区域车辆已经驶离，因此优先考虑靠近尾部区域的人员活动区；同理，备车工况2 即尾部区域车辆备车时亦优先考虑靠近尾部的人员活动区。因此，对于备车工况2～3，从图中可以看出，尾部区域方案2 的污染物浓度普遍低于方案1，污染物在纵向通风的作用下向首部区域流动，壁面开口进行送排风的通风方式可以更有效率地帮助烟气流动，首部区域的污染物浓度会普遍高于顶部开口通风的方案1，使得尾部区域可以获得更加良好的空气状况，因此得出方案2 的通风效果更佳。

2.3 不同自然补风方式对狭长空间内气流组织特性的影响

针对方案2、3 采取相同的送排风布局，形成类似的纵向通风条件，但改变了两个方案的补风设置，以此来分析不同补风方式对狭长空间内气流组织特性的影响。从分布图10、图11 看出，对于方案2 和3，送风气流在尾部区域流向首部区域的过程中变得较为均匀，对于烟气射流的直接排除起到了导流作用，减少了烟气的扩散；狭长空间内靠近首部的顶部排风气流带动部分烟气向首部方向流动，并蔓延至车辆左侧的人员活动区。

图10 通风方案2 首部三台备车时气流组织与污染物浓度分布图

图11 通风方案3 首部三台备车时气流组织与污染物浓度分布图

方案3 与方案2 相比，首部区域开启的两侧的门补风气流加剧了烟气从首部区域往车辆左侧人员活动区的蔓延，导致人行区、车辆驾驶员呼吸区的污染物浓度更高。所以按照方案2 将补风口设置在狭长空间的尾部区域，在整个通风过程中可以获得更加良好的气流状况。

3 结论

通过对基于纵向通风方式的三种通风设计方案下狭长空间内车辆启动时气流组织模拟仿真结果进行对比和分析可以得出以下结论。

①由于纵向通风的特点，在送风气流的影响下，狭长空间内车辆启动时产生的烟气向首部区域方向流动，导致首部区域污染物浓度较高，且送风气流在尾部区域流向首部区域的过程中变得较为均匀，对于烟气射流的直接排除起到了导流作用，减少了烟气的扩散。

②不同备车工况下相比于方案1，方案2 的壁面开口进行送排风的通风方式可以更有效率地帮助烟气流动，以获得更加良好的空气状况，方案1 则会形成不稳定气流，造成部分烟气向左侧人员活动区或者车辆驾驶区蔓延，因此相比之下方案2 可以形成更加良好的气流组织形式。

③方案3 与方案2 相比，首部区域开启的两侧的门补风气流加剧了烟气从首部区域往车辆左侧人员活动区的蔓延，导致人行区、车辆驾驶员呼吸区的污染物浓度更高。所以按照方案2 将补风口设置在狭长空间的尾部区域，在整个通风过程中可以获得更加良好的气流状况。