矩形大斷面隧道洞口CO擴(kuò)散與中隔墻長度設(shè)置

田 芳，孫 穎,付 帥，李論之

(1.江蘇省交通工程建設(shè)局，江蘇 南京 210004；2.華設(shè)設(shè)計集團(tuán)股份有限公司,江蘇 南京 210005;3.長安大學(xué) 電子與控制工程學(xué)院，陜西 西安 710064)

0 引言

高速公路和城市快速干道的隧道，大多采用雙洞單向行駛的建設(shè)形式[1-3]。多數(shù)情況下，雙洞隧道的洞口間距較小，存在污染物竄流現(xiàn)象，導(dǎo)致通風(fēng)運營成本增加；同時造成洞門污濁，影響美觀?！岸挝廴尽眴栴}不斷凸顯[4]，對隧道洞門設(shè)計提出了新的挑戰(zhàn)。因此，研究雙洞隧道污染物擴(kuò)散規(guī)律，給出隧道洞口設(shè)計的合理建議，對于營造長大公路隧道洞口景觀，降低運營成本非常重要。

目前，國內(nèi)外關(guān)于隧道洞口污染物擴(kuò)散及防竄措施的研究采用了模型試驗、示蹤試驗以及數(shù)值模擬等方法[5-6]。在模型試驗方面，國內(nèi)外學(xué)者利用風(fēng)洞實驗室進(jìn)行隧道模型試驗，研究隧道洞口的射流作用、環(huán)境風(fēng)速及活塞風(fēng)對洞口CO擴(kuò)散影響。Ide等[7]通過風(fēng)洞模型試驗，提出了用于預(yù)測隧道洞口污染物擴(kuò)散的4種模型，分別是射流模型、交通模型、疊加射流模型和疊加交通模型；Gramotnev等[8]建立了隧道洞口模型，得到了洞口污染物擴(kuò)散的解析模型，并預(yù)測污染物最大濃度的位置，討論了該模型的適用條件以及湍流擴(kuò)散和顆粒沉積對理論預(yù)測的影響，得出污染物濃度與擴(kuò)散距離的函數(shù)關(guān)系；Zumsteg等[9]根據(jù)實際工況建立了高斯模型，通過此模型來模擬公路隧道洞口污染物，模型預(yù)測值與實測值有較好的吻合度。在示蹤試驗方面，國內(nèi)外學(xué)者主要以乙烯為示蹤氣體，研究了隧道洞口CO擴(kuò)散對周圍環(huán)境的影響，分析洞口排放廢氣的濃度分布狀況，并與模型試驗結(jié)果進(jìn)行對比。Okamoto等[10]提出了特征風(fēng)場環(huán)境與有限元方法結(jié)合的平流擴(kuò)散模型，并選取對兩條隧道進(jìn)行洞口污染物擴(kuò)散示蹤驗，示蹤氣體試驗結(jié)果和模型求解結(jié)果由于空氣浮力存在一定差異性；胡維擷、蔣維楣等[11-12]以乙烯為示蹤氣體，分析城市下穿隧道、過江隧道洞口排放污染物的地面濃度，對污染物擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行了總結(jié)，并對污染物對周圍環(huán)境的影響進(jìn)行了評價。數(shù)值模擬方面，國內(nèi)外學(xué)者利用CFD數(shù)值模擬軟件，應(yīng)用k-ε湍流模型，設(shè)置不同風(fēng)速和風(fēng)向，對隧道洞口廢氣對流擴(kuò)散進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，仿真隧道出口的CO擴(kuò)散情況，并分析了洞口設(shè)置防竄措施對污染物竄流的影響，給出了降低隧道洞口二次污染的建議措施。徐麗等[13]以某城市隧道建立了數(shù)值模型，對冬夏季節(jié)工況下的洞口污染物擴(kuò)散進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到洞外環(huán)境風(fēng)對污染物擴(kuò)散影響較大；Chow[14]、Chung等[15]利用CFD軟件模擬了山區(qū)隧道污染物擴(kuò)散規(guī)律，并基于模擬結(jié)果，建立隧道洞口CO擴(kuò)散的數(shù)學(xué)模型；王子云等[16]利用CFD軟件對某城市洞口有無中隔墻時的污染物擴(kuò)散及分布情況進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了隧道洞口中隔墻可有效減少污染物回流，并給出了中隔墻長度設(shè)置建議；Pei等[17]以重慶某隧道為例，利用CFD軟件模擬低風(fēng)速下隧道入口污染氣體擴(kuò)散，得到了污染物主要沿隧道軸線方向擴(kuò)散，距隧道入口約250 m 處CO濃度符合規(guī)范要求。

上述研究工作集中于一般公路或城市隧道，隧道斷面形狀多為半圓形和拱形且斷面尺寸小，但是矩形大斷面隧道呈現(xiàn)“超寬扁平”的特點，與常見的半圓形、拱形斷面隧道的通風(fēng)及煙氣擴(kuò)散特性呈現(xiàn)明顯的差異性，而針對大斷面洞口污染物擴(kuò)散特性及防竄的研究較少；同時，部分研究提出利用中隔墻防止污染物竄流，但也大都基于城市小斷面隧道或傳統(tǒng)的圓形或拱形隧道，針對矩形大斷面隧道中隔墻具體布設(shè)參數(shù)的研究也鮮有報道。因此，本研究針對水下特長矩形大斷面隧道，以江蘇蘇錫常高速太湖矩形大斷面隧道為工程背景，使用CFD模擬軟件Fluent進(jìn)行建模，對不同進(jìn)(排)風(fēng)速、自然風(fēng)速工況下隧道洞口CO擴(kuò)散進(jìn)行有限元數(shù)值模擬計算，得到了矩形大斷面隧道洞口CO擴(kuò)散規(guī)律。同時，選取CO竄流最嚴(yán)重的典型工況，研究中隔墻長度對隧道洞口CO竄流狀況的影響，從而提出中隔墻長度設(shè)置的建議值，降低隧道洞口CO竄流，降低通風(fēng)運營費用。

1 仿真模型建立

1.1 依托工程

太湖隧道位于中國江蘇省無錫市，其設(shè)計時速為100 km/h，隧道全長10.79 km，寬43.6 m，其中暗埋段長度為10 km，是全中國最長最寬的隧道。其中單洞隧道截面寬17.45 m，高7.25 m，面積為120 m2。隧道采用縱向通風(fēng)方式，擬布置216臺1120型射流風(fēng)機(jī)，其中每組風(fēng)機(jī)共3臺，每臺風(fēng)機(jī)軸向推力為1 148 N。隧道整體通風(fēng)設(shè)備布置設(shè)計平面圖和標(biāo)準(zhǔn)橫斷面如圖1和圖2所示。

圖1 隧道通風(fēng)平面布置(單位:m)Fig.1 Layout of ventilation plane of tunnel(unit:m)

圖2 隧道標(biāo)準(zhǔn)橫斷面(單位:m)Fig.2 Standard cross-section of tunnel(unit:m)

1.2 隧道洞口仿真模型建立

(1)隧道洞口模型建立

根據(jù)太湖水下隧道橫截面實際尺寸17.45 m×7.25 m建立物理模型，隧道雙洞間距4.5 m；洞外設(shè)置1個長方體的模擬計算空間，其長寬高設(shè)置為200 m×100 m×40 m，長為沿隧道縱向的方向，寬為沿隧道截面的方向，具體物理計算模型如圖3所示。其中“1-1截面”、“2-2截面”均距離隧道洞口50 m，為隧道內(nèi)模擬空間的邊界，“自然風(fēng)向”選取最不利風(fēng)向，即垂直自然風(fēng)。

圖3 隧道計算模型示意圖Fig.3 Schematic diagram of tunnel calculation model

利用ANSYS軟件中的ICEM CFD建立隧道洞口模型，隧道洞口模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，導(dǎo)入Fluent軟件對隧道洞口污染物擴(kuò)散進(jìn)行數(shù)值研究，并做以下假設(shè)[18-20]：

①流體流動屬于不可壓縮連續(xù)介質(zhì)穩(wěn)定流。

②計算區(qū)域內(nèi)所有進(jìn)口邊界氣流溫度相等，均為300 K；進(jìn)口壓強與大氣壓相等，取101.2 kPa；隧道位于湖底水域，空氣濕度較大，取相對濕度為75%。

③不考慮進(jìn)出口隧道車輛速度對氣流流動的影響。

④以CO為污染物對隧道洞口污染物竄流進(jìn)行仿真模擬。CO散發(fā)源的設(shè)置為：“上行隧道”截面設(shè)置為均勻的CO散發(fā)面源，CO濃度取值參考《公路隧道通風(fēng)設(shè)計細(xì)則》(JTG/T D70/2-01—2014)和《公路隧道照明設(shè)計細(xì)則》(JTG/T D70/2-02—2014)，取設(shè)計閾值100×10-6，相當(dāng)于占空氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01%。下行隧道不設(shè)置CO散發(fā)源。

(2)數(shù)學(xué)模型

采用k-ε雙方程紊流模型[21-22]及質(zhì)量組分?jǐn)U散傳輸方程組[23]。離散方法選用二階迎風(fēng)格式，求解器采用有限體積法中的SIMPLE算法。

(3)邊界條件

洞外長方體計算空間地面設(shè)置為固體壁面，其他與外界大氣相連，在不考慮自然風(fēng)時設(shè)置為outflow，在考慮自然風(fēng)時，將自然風(fēng)吹入的面設(shè)為velocity-inlet(即速度入口)。壁面邊界采用無滑移邊界條件，壁面溫度不變。考慮到實際地面粗糙程度較人工筑造隧道壁面更甚，因此本研究將壁面粗糙高度設(shè)置為0.007，粗糙常數(shù)取0.8。

(4)網(wǎng)格劃分

基于穩(wěn)態(tài)模擬，三維計算模型采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分尺寸為0.4。隧道洞口仿真模型如圖4所示。

圖4 隧道洞口仿真模型Fig.4 Simulation model of tunnel portal

(5)評價方法

以二次污染率(進(jìn)風(fēng)洞口反吸入的CO與排風(fēng)洞口排出的CO總量的相對百分比)在10%以下[4]。二次污染率計算公式為:

(1)

式中，AveCO-INlet為隧道進(jìn)口截面處CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均值；AveCO-OUTlet為隧道出口截面處CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均值。

2 不考慮自然風(fēng)時隧道洞口CO擴(kuò)散規(guī)律

隧道通風(fēng)設(shè)計文件中隧道通風(fēng)最大設(shè)計風(fēng)速為7.5 m/s，因此本研究選取隧道洞口進(jìn)(排)風(fēng)速度上限值為7.5 m/s。

2.1 進(jìn)風(fēng)速度變化對CO擴(kuò)散的影響

不考慮自然風(fēng)時，研究機(jī)械排風(fēng)速度V0分別為2，3，4，5 m/s和6 m/s工況下，機(jī)械進(jìn)風(fēng)速度V1在1～7.5 m/s變化時，利用Fluent數(shù)值模擬48種工況下隧道洞口CO擴(kuò)散情況，并計算二次污染率。排風(fēng)速度V0=4 m/s，進(jìn)風(fēng)速度V1變化時，隧道洞口CO擴(kuò)散濃度分布如圖5所示(截面高度為2 m)。給定排風(fēng)速度V0，進(jìn)風(fēng)速度V1變化時，隧道洞口二次污染率變化情況如圖6所示。

圖5 V0=4 m/s，V1變化時隧道洞口CO濃度分布圖(單位:%)Fig.5 CO concentration distribution of tunnel portal when V0=4 m/s and V1 changes(unit:%)

圖6 同一排風(fēng)速度V0，進(jìn)風(fēng)速度V1變化時隧道洞口二次污染率變化趨勢Fig.6 Trend of secondary pollution rate of tunnel portal when V1 changes and V0 is constant

由圖5和圖6分析可知，不考慮自然風(fēng)，在給定排風(fēng)速度時，隨著進(jìn)風(fēng)速度的增大，二次污染率逐漸增大。當(dāng)排風(fēng)速度大于進(jìn)風(fēng)速度時，隧道洞口二次污染率小于10%，且在排風(fēng)速度V0=2.5 m/s，進(jìn)風(fēng)速度V1=7.5 m/s時二次污染率最高，為38.96%。無自然風(fēng)時，當(dāng)排風(fēng)速度一定時，進(jìn)風(fēng)速度不斷增大，導(dǎo)致隧道進(jìn)口處負(fù)壓值增大，隧道出口排出的CO擴(kuò)散作用加強，致使更多的CO竄流回隧道進(jìn)口處，造成較為嚴(yán)重的二次污染。

2.2 排風(fēng)速度變化對污染物擴(kuò)散的影響

同理，不考慮自然風(fēng)時，研究進(jìn)風(fēng)速度V1分別為2，3，4 m/s和6 m/s工況下，排風(fēng)速度V0在1 ～7.5 m/s變化時，利用Fluent數(shù)值模擬48種工況下隧道洞口CO擴(kuò)散情況，并計算二次污染率。進(jìn)風(fēng)速度V1=3 m/s，排風(fēng)速度V0變化時，隧道洞口CO擴(kuò)散濃度分布如圖7所示(截面高度為2 m)。給定進(jìn)風(fēng)速度V1，進(jìn)風(fēng)速度V0變化時，隧道洞口二次污染率變化如圖8所示。

圖7 V1=3 m/s，V0變化時隧道洞口CO濃度分布(單位:%)Fig.7 CO concentration distribution of tunnel portal when V1=3 m/s and V0 changes(unit:%)

圖8 同一進(jìn)風(fēng)速度V1，排風(fēng)速度V0變化時隧道洞口二次污染率變化趨勢Fig.8 Trend of secondary pollution rate of tunnel portal when V1 changes and V1 is constant

由圖7和圖8分析可知，不考慮自然風(fēng)時，給定進(jìn)風(fēng)速度V1時，隨著排風(fēng)速度V0增大，二次污染率逐漸降低。當(dāng)進(jìn)風(fēng)速度V1=6 m/s，排風(fēng)速度V0=1 m/s時，隧道洞口二次污染率最嚴(yán)重，為70.38%。當(dāng)進(jìn)風(fēng)速度一定時，排風(fēng)速度不斷增大，導(dǎo)致隧道出口處壓力不斷增大，致使上下行隧道洞口間壓差降低，隧道出口排放廢氣的射流作用明顯，致使更少的CO竄流回隧道進(jìn)口處，二次污染程度降低。

2.3 中隔墻長度對污染物擴(kuò)散的影響

中隔墻在原太湖隧道計劃中未規(guī)劃，本研究以太湖隧道為模型，希望以此類隧道模型為基礎(chǔ)，對類似的矩形大斷面隧道的中隔墻布設(shè)具體參數(shù)進(jìn)行更深入的研究。由2.1節(jié)和2.2節(jié)可知，隧道洞口在不同進(jìn)(排)風(fēng)速度下存在較嚴(yán)重的二次污染，為減少隧道雙洞間的二次污染，建立中隔墻模型進(jìn)行模擬計算。

為了得到有效減少二次污染率的中隔墻長度，選取二次污染率最高的兩種典型工況：(1)排風(fēng)速度V0=2 m/s，進(jìn)風(fēng)速度V1=7.5 m/s；(2)進(jìn)風(fēng)速度V1=6 m/s，排風(fēng)速度為V0=1 m/s。模擬分析不同中隔墻長度對隧道洞口CO的防竄效果。此外，為遵循隧道通風(fēng)設(shè)計，模擬時固定中隔墻和隧道等高，為7.25 m，寬度為2 m，研究中隔墻長度L分別為10，15，20，25 m時隧道洞口CO的擴(kuò)散情況。兩種典型工況下，設(shè)置不同中隔墻長度，雙洞隧道之間的二次污染率如圖9和圖10所示。

圖9 V0=2 m/s，V1=7.5 m/s時，二次污染率隨中隔墻長度變化趨勢Fig.9 Secondary pollution rate varying with length of mid-partition when V0=2 m/s and V1=7.5 m/s

圖10 V1=6 m/s，V0=1 m/s時，二次污染率隨中隔墻長度變化趨勢Fig.10 Secondary pollution rate varying with length of mid-partition when V0=6 m/s and V1=1 m/s

由圖9和圖10分析可知，無自然風(fēng)時，排風(fēng)速度V0=2 m/s，進(jìn)風(fēng)速度V1=7.5 m/s時，二次污染率隨中隔墻長度增加而減小，中隔墻設(shè)置長度為25 m 時，隧道洞口之間二次污染率為9.76%，接近于標(biāo)準(zhǔn)值10%；進(jìn)風(fēng)速度V1=6 m/s，進(jìn)風(fēng)速度V0=1 m/s時，二次污染率隨中隔墻長度的增加而減小，中隔墻設(shè)置長度為25 m時，隧道洞口之間二次污染率為10.45%，接近于標(biāo)準(zhǔn)值10%。考慮到中隔墻的設(shè)置對隧道整體外觀的影響，中隔墻的設(shè)置應(yīng)在滿足防竄要求的基礎(chǔ)上越短越好。因此，無自然風(fēng)時，隧道中隔墻長度設(shè)置為25 m即可滿足隧道洞口污染物防竄要求。

3 自然風(fēng)變化對CO擴(kuò)散的影響

圖11 隧道洞口風(fēng)速及中隔墻設(shè)置水平面示意圖Fig.11 Schematic diagram of wind speed at tunnel portal and horizontal plane of mid-partition

當(dāng)自然風(fēng)風(fēng)向與隧道風(fēng)向平行時，此時相當(dāng)于隧道進(jìn)風(fēng)口排風(fēng)口的速度與自然風(fēng)速度相疊加，在前面一小節(jié)已進(jìn)行了相關(guān)分析研究。當(dāng)自然風(fēng)風(fēng)向與隧道風(fēng)向垂直時，假定風(fēng)向為進(jìn)風(fēng)口吹向出風(fēng)口方向，則出風(fēng)口排出的CO污染物在自然風(fēng)的作用下遠(yuǎn)離出風(fēng)口，污染程度降低；假定風(fēng)向為出風(fēng)口吹向進(jìn)風(fēng)口方向，則出風(fēng)口排出的污染物被吹向進(jìn)風(fēng)口附近，加重了CO的竄流污染。因此，本節(jié)研究最不利自然風(fēng)向，即垂直自然風(fēng)作用于隧道洞口時CO擴(kuò)散規(guī)律，風(fēng)向如圖11所示。根據(jù)氣象數(shù)據(jù)，選取自然風(fēng)u=1，1.5，2 m/s和2.5 m/s，研究隧道洞口污染物CO情況，如圖11所示。

選擇2.3節(jié)中二次污染率最高的兩種工況，疊加最垂直自然風(fēng)，研究隧道洞口不同中隔墻長度L對二次污染率的影響。具體模擬仿真工況劃分，如表1所示。

表1 自然風(fēng)作用時，隧道洞口CO擴(kuò)散仿真工況

結(jié)合2.3節(jié)結(jié)論：無自然風(fēng)時，隧道洞口中隔墻長度L=25 m可滿足CO防竄要求。因此，在研究有自然風(fēng)作用時，固定中隔墻高度為7.25 m，選取中隔墻長度L分別為25，30，35，40 m和45 m，研究不同工況下中隔墻長度對隧道洞口CO竄流的影響，得到存在垂直自然風(fēng)時，8種工況不同中隔墻長度時的隧道洞口的二次污染率變化，如圖12所示。

圖12 隧道洞口二次污染率隨中隔墻長度變化趨勢Fig.12 Secondary pollution rate varying with length of mid-partition at tunnel portal

由圖12可知，給定進(jìn)(排)風(fēng)速度時，隨著自然風(fēng)的增大，二次污染率逐漸增大。有垂向自然風(fēng)作用時，隨著中隔墻長度的增加，二次污染率降低。當(dāng)中隔墻長度為40 m時，8種工況下的隧道洞口二次污染率均低于10%，即存在垂向自然風(fēng)時，中隔墻長度為40 m時能防止污染物防竄。

4 自然風(fēng)2.5 m/s時中隔墻長度確定

根據(jù)氣象數(shù)據(jù)，可以得到隧址年平均風(fēng)速為2.5 m/s。根據(jù)隧道通風(fēng)設(shè)計文件，隧道洞口最大進(jìn)(排)風(fēng)速為7.5 m/s。為進(jìn)一步驗證中隔墻設(shè)置長度的最佳取值，針對最大進(jìn)(排)風(fēng)速作用，自然風(fēng)2.5 m/s工況下，中隔墻設(shè)置長度分別為45，50 m 和55 m，模擬不同中隔墻長度隧道洞口CO濃度場，并計算雙洞隧道之間CO的二次污染率，如表2所示。

表2 V0=V1=7.5 m/s，u=2.5 m/s時，二次污染率隨中隔墻長度的變化趨勢

由表2可知，二次污染率與中隔墻長度呈現(xiàn)負(fù)的相關(guān)現(xiàn)象。當(dāng)中隔墻長度為50 m時，二次污染率值為8.23%，小于10%。因此，在最大進(jìn)(排)風(fēng)速為7.5 m/s，自然風(fēng)u=2.5 m/s工況下，中隔墻長度設(shè)置為50 m滿足隧道洞口CO防竄要求。

5 結(jié)論

(1)本研究利用流體仿真模擬軟件Fluent，對水下特長矩形大斷面隧道洞口CO竄流情況進(jìn)行了數(shù)值模擬。無自然風(fēng)作用時，當(dāng)排風(fēng)洞口風(fēng)速V0不變時，隧道洞口二次污染率與進(jìn)風(fēng)洞口風(fēng)速V1關(guān)系為正相關(guān)，即CO竄流情況隨著進(jìn)風(fēng)洞口風(fēng)速的增加而變得嚴(yán)重；而當(dāng)進(jìn)風(fēng)洞口風(fēng)速V1不變時，隨著排風(fēng)洞口風(fēng)速V0的增大，隧道洞口二次污染率不斷減小。

(2)隧道洞口無自然風(fēng)作用時，針對(1)中CO竄流最嚴(yán)重的兩種工況，固定中隔墻高度為7.25 m，研究中隔墻長度L對隧道洞口CO竄流的影響，研究表明：隧道洞口設(shè)置中隔墻有利于減少隧道二次污染，隨著中隔墻長度的增加，隧道洞口二次污染值不斷降低；當(dāng)中隔墻長度L為25 m時，隧道洞口二次污染率低于10%，滿足隧道CO防竄要求。

(3)隧道洞口存在自然風(fēng)作用時，考慮最不利工況，研究垂直自然風(fēng)對隧道洞口CO擴(kuò)散規(guī)律的影響。研究表明：當(dāng)給定隧道排風(fēng)洞口風(fēng)速V0和進(jìn)風(fēng)洞口風(fēng)速V1時，隧道洞口二次污染率隨自然風(fēng)速u的增加而增大。針對最大垂直自然風(fēng)u為2.5 m/s，研究中隔墻長度L對隧道洞口CO竄流的影響，研究表明：當(dāng)中隔墻長度L=40 m時，隧道洞口二次污染率低于10%，滿足隧道CO防竄要求。

(4)考慮隧道洞口最大進(jìn)(排)風(fēng)，即V0=V1為7.5 m/s，自然風(fēng)u為2.5 m/s時，中隔墻長度對隧道洞口CO擴(kuò)散規(guī)律的影響。研究表明：中隔墻長度L為50 m時，二次污染小于近10%，滿足CO防竄要求。隧道洞口中隔墻長度設(shè)置建議為50 m。