運(yùn)用CFD模擬隧道內(nèi)CO的濃度分布

莫小麗

摘 要：本研究采用CFD數(shù)值模擬技術(shù)研究在汽車尾氣影響下隧道內(nèi)部CO濃度分布，研究結(jié)果表明：（1）在長(zhǎng)直型隧道中，CO濃度越靠近隧道中點(diǎn)位置濃度越高，越靠近隧道入口、出口端濃度越低。（2）隧道內(nèi)CO濃度實(shí)際檢測(cè)值與模擬結(jié)果十分契合，從而驗(yàn)證了該數(shù)值模擬方法的正確性和有效性。

關(guān)鍵詞：隧道;CO濃度;模擬;CFD

在隧道中，汽車尾氣中的一氧化碳容易在空間內(nèi)部累積，達(dá)到一定濃度時(shí)會(huì)威脅人體健康，所以隧道在設(shè)計(jì)、改造、維修過(guò)程中有必要研究隧道結(jié)構(gòu)對(duì)CO的濃度分布的影響。目前關(guān)于隧道內(nèi)有害氣體濃度分布的研究多集中在利用氣體檢測(cè)儀檢測(cè)已建隧道各個(gè)位置的空氣中有害氣體成分的含量上，[1]采用數(shù)值模擬技術(shù)研究隧道結(jié)構(gòu)對(duì)有害氣體濃度分布的文獻(xiàn)報(bào)道較少。實(shí)際上對(duì)于設(shè)計(jì)單位來(lái)說(shuō)，在圖紙繪制階段預(yù)先了解隧道內(nèi)部尺寸結(jié)構(gòu)對(duì)有害氣體濃度的影響非常重要，而此時(shí)可利用的手段只有數(shù)值模擬這一種，因此有必要開(kāi)展隧道內(nèi)有害氣體成分濃度分布的數(shù)值模擬技術(shù)研究。

1 煙氣物在大氣中的擴(kuò)散數(shù)學(xué)模型

汽車尾氣在隧道內(nèi)的擴(kuò)散與污染物在大氣中的擴(kuò)散方式一致，可采用Gaussian 大氣污染物擴(kuò)散方程，考慮到排放位置貼近隧道路面，可認(rèn)為尾氣源在隧道路面，擴(kuò)散方向是由路面向隧道頂部，Gaussian方程簡(jiǎn)化為：

C=2Qπuσzexp（-z22σ2Z）（1）

其中：C-煙氣物的濃度，g/m3;

Q-煙氣物源頭釋放速率，g/s;

u-風(fēng)速，m/s;

σ-豎向擴(kuò)散參數(shù)，m;

2 幾何模型和網(wǎng)格劃分

CFD分析第一步是繪制對(duì)象的幾何結(jié)構(gòu)，然后再將幾何模型用網(wǎng)格劃分成一個(gè)個(gè)的微元結(jié)構(gòu)，本研究以廣州花城大道CBD隧道為考察對(duì)象，網(wǎng)格劃分后的幾何模型見(jiàn)圖1。

3 邊界條件和初始條件

CFD計(jì)算前需先設(shè)定模型的的邊界條件，如表1所示。

4 數(shù)值模擬結(jié)果與討論

4.1 隧道內(nèi)不同位置CO濃度分布

圖1是隧道縱深方向截面上不同位置CO濃度分布，濃度采用體積分?jǐn)?shù)表示。從圖1可看出隧道縱深方向截面上越靠近隧道中點(diǎn)位置CO濃度越高，越靠近隧道入口、出口端CO濃度越低。隧道中點(diǎn)位置，CO濃度最高值達(dá)到1.12·10-5，隧道入口、出口端CO濃度約為8.36·10-6，圖2也表明隧道內(nèi)入口、出口端CO易擴(kuò)散到外界大氣，隧道中點(diǎn)位置CO容易累積，不易擴(kuò)散，說(shuō)明隧道中點(diǎn)位置處需要有通風(fēng)系統(tǒng)，以加強(qiáng)同外界的空氣交換。

圖2 隧道內(nèi)CO濃度

4.2 模擬結(jié)果的驗(yàn)證

本研究采用手持式氣體檢測(cè)儀在離隧道路面1.5米的垂直高度上檢測(cè)隧道入口、隧道中點(diǎn)、隧道出口三個(gè)位置的CO濃度并與模擬結(jié)果相比較，如表1所示。從表3可看出隧道內(nèi)CO濃度實(shí)測(cè)值與模擬值十分接近，說(shuō)明模擬結(jié)果與實(shí)際情況相符，本數(shù)值模擬方法是正確、有效的。

5 結(jié)論

（1）本研究采用CFD數(shù)值模擬方法模擬了隧道內(nèi)CO的濃度分布，模擬結(jié)果表明隧道內(nèi)縱深方向截面上CO濃度越靠近隧道中點(diǎn)位置濃度越高，越靠近隧道入口、出口端濃度越低。

（2）采用氣體檢測(cè)儀檢測(cè)隧道內(nèi)CO濃度，并將檢測(cè)結(jié)果與模擬結(jié)果相對(duì)比以檢驗(yàn)?zāi)M方法的正確性，結(jié)果表明模擬結(jié)果與實(shí)際檢測(cè)值很接近，說(shuō)明該數(shù)值模擬方法是正確、有效的。

參考文獻(xiàn)：

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