點(diǎn)排式通風(fēng)系統(tǒng)在隧道無動(dòng)力除塵方面的應(yīng)用

摘 要：高速公路隧道中空間相對(duì)狹窄、閉塞，汽車產(chǎn)生的尾氣不能快速擴(kuò)散。隨著空氣中一氧化碳（CO）量的增加，大量顆粒物也會(huì)使隧道空氣的能見度降低，造成安全隱患。因此隧道內(nèi)的通風(fēng)除塵顯得尤為必要，文章將介紹集點(diǎn)排式通風(fēng)系統(tǒng)的原理，并通過計(jì)算流體力學(xué)軟件（CFD）建立κ-ε湍流模型利用數(shù)值模擬方法探討該通風(fēng)系統(tǒng)在無動(dòng)力除塵方面的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：點(diǎn)排式；無動(dòng)力除塵；CFD

引言

中國已成為世界上隧道最多、最復(fù)雜、發(fā)展最快的國家。在大規(guī)模的高速公路及鐵路建設(shè)當(dāng)中，為除塵而裝配的射流風(fēng)機(jī)存在由于因長(zhǎng)時(shí)間空轉(zhuǎn)而造成的電能大量耗散問題。為保證隧道的長(zhǎng)期安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)營，隧道必須采用合理的的通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在低能耗的基礎(chǔ)上最大限度提高隧道除塵效率，隧道無動(dòng)力除塵設(shè)計(jì)迫在眉睫。文章基于點(diǎn)排式通風(fēng)原理設(shè)計(jì)了公路隧道的無動(dòng)力除塵模型，在自然通風(fēng)的狀態(tài)下，利用Fluent系統(tǒng)模擬隧道湍流通風(fēng)時(shí)的流體流動(dòng)狀態(tài)，從而了解隧道的通風(fēng)狀況，為公路隧道的無動(dòng)力除塵設(shè)計(jì)提供可靠的依據(jù)。

1 公路隧道除塵方法概述

公路隧道通風(fēng)的目的是要保證隧道正常交通運(yùn)行時(shí)能稀釋汽車尾氣中的CO濃度和煙霧濃度，保持隧道內(nèi)空氣清新，又要在隧道一旦發(fā)生火災(zāi)時(shí)具有一定的排煙能力。公路隧道通風(fēng)方法可分為自然通風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)。自然通風(fēng)是指利用壓強(qiáng)差、溫度差或密度差進(jìn)行通風(fēng)的方式。機(jī)械通風(fēng)方式按隧道內(nèi)空氣流動(dòng)的方向分為三類，即使用通風(fēng)風(fēng)道的縱流方式；只設(shè)送風(fēng)道或排風(fēng)道的半橫流方式；以及送風(fēng)和排風(fēng)兩個(gè)風(fēng)道都設(shè)置的橫流方式。

通風(fēng)方式的選擇，應(yīng)該從隧道的長(zhǎng)度、交通量、坡度，地形等多方面考慮決定，而且要采用對(duì)該隧道最經(jīng)濟(jì)的方法來進(jìn)行比較而定。過去從車道風(fēng)速受限制考慮，所以著眼于采用橫流或半橫流通風(fēng)方式，然而這兩種通風(fēng)方式均設(shè)有風(fēng)道，必然增大隧道斷面，增大建設(shè)費(fèi)用，另外管路系統(tǒng)的壓力損失也較大?？v流方式無需通風(fēng)管道，從而也無需增大隧道斷面。特別是在單向交通隧道中能全部利用汽車活塞風(fēng)作用，是一種經(jīng)濟(jì)的節(jié)能型通風(fēng)方式。

近年來，各發(fā)達(dá)國家先后頒布了對(duì)于公路隧道通風(fēng)系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)或技術(shù)手冊(cè)。如歐共體EC（European Commission）的公路隧道安全設(shè)施設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)，美國的MEMORIAL隧道排煙測(cè)試報(bào)告，荷蘭的公路隧道設(shè)施建議RWS和日本的道路公團(tuán)MEPC等。對(duì)比各國長(zhǎng)隧道排煙改善系統(tǒng)不難發(fā)現(xiàn)，隧道通風(fēng)系統(tǒng)由最初的全區(qū)排煙改為集中排氣式有日漸增加的趨勢(shì)。

2 集點(diǎn)排氣式通風(fēng)系統(tǒng)（Point Extraction Ventilation）

2.1 設(shè)計(jì)依據(jù)和條件

參照《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范》并參考PIARC（國際道路協(xié)會(huì)常設(shè)委員會(huì)）的推薦值。

單向交通隧道：L*N≥6×105；

L：隧道長(zhǎng)度（m）；

N：設(shè)計(jì)交通量（輛/h）

單向交通隧道設(shè)計(jì)風(fēng)速≤10m/s

2.2 點(diǎn)排式通風(fēng)系統(tǒng)

布設(shè)排氣管道于隧道上方空間，并搭配裝設(shè)噴氣式通風(fēng)機(jī)（Jet Fan）輔助氣流方向，如圖1所示。在管道下方每隔相同距離（具體長(zhǎng)度由隧道實(shí)際長(zhǎng)度決定）設(shè)置特定電動(dòng)風(fēng)門，利用數(shù)控技術(shù)可實(shí)現(xiàn)各個(gè)排氣（煙）口的打開或閉合。

當(dāng)汽車排放尾氣時(shí)，隧道內(nèi)部氣體量增加。在將氣體視為理想不壓縮流體的情況下，隧道內(nèi)壓強(qiáng)變大，在內(nèi)外界壓強(qiáng)梯度的作用下，氣態(tài)污染物（主要為CO）從隧道內(nèi)經(jīng)由排氣（煙）口，沿通風(fēng)管道被排放到外界，從而達(dá)到除塵目的。

3 隧道通風(fēng)系統(tǒng)整體方案驗(yàn)證

根據(jù)《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范》和《工業(yè)通風(fēng)設(shè)計(jì)手冊(cè)》，所設(shè)計(jì)的隧道采用集點(diǎn)排氣式通風(fēng)方式（Point Extraction Ventilation），風(fēng)速8m/s。在模型設(shè)計(jì)時(shí)為保證長(zhǎng)、寬、高的比例，取隧道中央長(zhǎng)50m的排氣段作為模型建立的依據(jù)。為了使模型在Fluent中顯示的流場(chǎng)更能充分的反應(yīng)流場(chǎng)狀態(tài)，又考慮電腦的實(shí)際運(yùn)行問題，所設(shè)計(jì)的網(wǎng)格大小為0.5。采用κ-ε湍流模型。

圖2為迭代70次所得的殘差圖，從圖中反映出各項(xiàng)數(shù)據(jù)在第60次迭代計(jì)算時(shí)已經(jīng)完全收斂。為了了解流場(chǎng)中流體流速的大小及方向，所得流體速度矢量圖（圖3），從圖中可以看出流體從入口進(jìn)入后，在隧道中央的通風(fēng)口分成三個(gè)方向，一個(gè)方向從通風(fēng)管道左側(cè)流動(dòng)，另一個(gè)方向從通風(fēng)管道右側(cè)流出，還有一個(gè)方向從隧道出口流出。從流場(chǎng)壓強(qiáng)圖（圖4）可以看出流體在管道內(nèi)由于流體流速較大，故而壓強(qiáng)較小。從所建簡(jiǎn)易模型模擬流場(chǎng)狀況看，流體流動(dòng)分布合理，符合隧道設(shè)計(jì)的要求。當(dāng)然，在具體工程中還應(yīng)該考慮實(shí)際地形地貌特點(diǎn)。

本次設(shè)計(jì)也考慮到隧道建成運(yùn)行后可能遇到的火災(zāi)隱患問題。。當(dāng)在隧道行車事故導(dǎo)致火災(zāi)時(shí)，開啟距離事故區(qū)域最近的電動(dòng)風(fēng)門，閉合其他位置的風(fēng)門并將出口處風(fēng)機(jī)反轉(zhuǎn)，可有效地將發(fā)生事故區(qū)域的煙熱迅速排除?？s小煙氣流動(dòng)范圍，延長(zhǎng)人員逃生時(shí)間。

4 結(jié)束語

文章通過理論分析設(shè)計(jì)了點(diǎn)排式通風(fēng)系統(tǒng)，并通過數(shù)值模擬方法模擬了該通風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)部氣體流動(dòng)方向。由數(shù)值模擬結(jié)果，我們不難發(fā)現(xiàn)，該通風(fēng)系統(tǒng)滿足無動(dòng)力除塵的要求，即除了空氣自重外不再依靠任何其他的外界動(dòng)力。至于文中提到的射流風(fēng)機(jī)只是起到在特定環(huán)境中輔助氣體流動(dòng)方向的作用，電動(dòng)風(fēng)門是結(jié)合實(shí)際情況考慮到有可能出現(xiàn)的火災(zāi)隱患對(duì)該通風(fēng)系統(tǒng)做的進(jìn)一步完善。與無動(dòng)力除塵的初衷并不相悖。盡管數(shù)值模擬與預(yù)計(jì)效果擬合度較高，但模擬過程是在理想情況下進(jìn)行，并不能夠完全反映實(shí)際。集點(diǎn)排氣式通風(fēng)系統(tǒng)仍需要大量的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，但其應(yīng)用前景十分樂觀。

作者簡(jiǎn)介：屠立新（1995-），男，蘭州大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，研究方向：環(huán)境功能材料。