李嘉齊,明廷臻,吳永佳,文遠(yuǎn)高
(武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院,湖北 武漢 430070)
在城市化的進(jìn)程中,城市用地緊張問題日趨嚴(yán)峻。立體化利用城市空間已成為交通規(guī)劃設(shè)計(jì)的必然方向。城市隧道以其造價(jià)相對(duì)低廉、可有效降低噪音污染、緩解地面擁堵以及可集中排放處理隧道內(nèi)污染物等優(yōu)勢(shì),已成為當(dāng)今城市立體交通系統(tǒng)必不可缺的組成部分。
城市隧道雖在一定程度上緩解了城市的交通擁堵問題,但城市隧道中機(jī)動(dòng)車產(chǎn)生的污染物對(duì)環(huán)境的影響依然是一個(gè)急需解決的問題。城市隧道雖具有相對(duì)集中排放污染物的優(yōu)勢(shì),不會(huì)大范圍對(duì)沿線環(huán)境產(chǎn)生影響,但也正是因?yàn)榇嗽蛩淼纼?nèi)的污染性氣體以及顆粒物被限制在有限空間內(nèi)且難以擴(kuò)散稀釋,使隧道內(nèi)環(huán)境污染程度亦遠(yuǎn)超普通城市道路。尤其是隨著如今隧道工程技術(shù)的日益成熟,隧道也日益向長大化趨勢(shì)發(fā)展,這也進(jìn)一步導(dǎo)致隧道內(nèi)環(huán)境污染問題的加劇。當(dāng)隧道內(nèi)污染累積到一定程度時(shí),如不及時(shí)進(jìn)行緩解,不僅將對(duì)隧道內(nèi)人員的健康產(chǎn)生嚴(yán)重的影響,同時(shí)亦加劇了駕駛?cè)藛T的安全隱患。
如今許多城市新型隧道采取上方局部開口方式,以期緩解隧道內(nèi)部環(huán)境污染以及出口污染物集中排放的問題。同時(shí),隧道內(nèi)部設(shè)置射流風(fēng)機(jī)也是改善隧道內(nèi)空氣質(zhì)量的重要措施之一。而隧道頂部開口和隧道內(nèi)部設(shè)置射流風(fēng)機(jī)必將使隧道系統(tǒng)流場(chǎng)以及污染物傳播規(guī)律發(fā)生重大的改變。目前針對(duì)城市隧道交通系統(tǒng)的研究多集中于隧道內(nèi)火災(zāi)、噪音、進(jìn)出口污染、污染物組成等單一方面,而對(duì)具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的S型城市隧道中頂部開口和射流風(fēng)機(jī)耦合作用下污染物傳播特性的研究尚處于起步階段。為此,本文針對(duì)武漢市二環(huán)線水果湖隧道的實(shí)際結(jié)構(gòu),構(gòu)建了一個(gè)頂部開口和隧道內(nèi)部設(shè)置射流風(fēng)機(jī)的S型城市隧道三維立體模型,并運(yùn)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)方法,模擬分析了頂部開口和射流風(fēng)機(jī)對(duì)S型城市隧道系統(tǒng)流場(chǎng)以及污染物傳播特性的影響,以期為隧道設(shè)計(jì)以及隧道內(nèi)空氣質(zhì)量預(yù)測(cè)與污染控制提供依據(jù)。
本文以武漢市二環(huán)線水果湖隧道為研究對(duì)象,參照實(shí)際工程設(shè)計(jì)尺寸,采用ICEM軟件建立了該S型城市隧道全尺寸三維幾何物理模型,如圖1所示。
圖1 S型城市隧道三維幾何物理模型
下方S型隧道全長為1 270 m,包括150 m開口貫通段和1 120 m暗埋段。從隧道北進(jìn)口進(jìn)入后依次為暗埋段(300 m)、北開口貫通段(100 m)、暗埋段(625 m)、南開口貫通段(50 m)、暗埋段(195 m)組成,其中開口貫通段頂部與地面等高。下方S型隧道其造型為矩形箱涵結(jié)構(gòu),高為6 m,寬為10.85 m,雙車道。隧道內(nèi)凈空尺寸為9.65 m×6.0 m,同時(shí)下方S型隧道內(nèi)部還采用射流風(fēng)機(jī)進(jìn)行輔助通風(fēng)設(shè)計(jì),射流風(fēng)機(jī)懸掛于隧道頂部,其風(fēng)量為11 m/s。射流風(fēng)機(jī)分7組布置,每組2臺(tái),總共布置了14臺(tái)。
為了模擬該S型城市隧道內(nèi)污染物的傳播規(guī)律,依據(jù)實(shí)際的流體流動(dòng)特性做如下假定:①流體為不可壓縮流體;②計(jì)算域中空氣物性不發(fā)生改變;③計(jì)算域中流體流動(dòng)為湍流且充分發(fā)展。
相應(yīng)滿足條件的流體流動(dòng)連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程如下:
(1)
(2)
(3)
k
-ε
模型進(jìn)行求解,流體的湍動(dòng)能方程k
和湍流耗散率方程ε
分別表示如下:(4)
(5)
式中:G
為平均速度梯度產(chǎn)生的流體湍動(dòng)能(m/s);α
、α
分別為與流體的湍動(dòng)能k
和湍流耗散率ε
相對(duì)應(yīng)的Prandtl數(shù)有關(guān)的常量,分別取值為α
=1.
39、α
=1.
39;C
1、C
2為湍流常數(shù),分別取值為C
1=1.
42、C
2=1.
68;μ
為流體的有效運(yùn)動(dòng)黏度(m/s)。本研究中污染物傳播的組分輸運(yùn)方程如下:
(6)
式中:D
為污染物傳播組分S
的擴(kuò)散系數(shù);c
為污染物傳播組分S
的體積濃度(ppm);S
為系統(tǒng)內(nèi)單位體積單位時(shí)間污染物傳播組分S
的產(chǎn)生量(kg/m·s)。計(jì)算案例中下方S隧道北端入口為速度入口(2 m/s);其南端出口為壓力出口,壓力值設(shè)置為表壓0 Pa;隧道內(nèi)部7組14臺(tái)射流風(fēng)機(jī)設(shè)定為fan邊界條件,其風(fēng)量為11 m/s;隧道南北端頂部開口設(shè)置為壓力出口,壓力值設(shè)置為表壓0 Pa;模型中隧道固體壁面均為無滑移壁面。
整體模型中污染源設(shè)定在S型隧道內(nèi)機(jī)動(dòng)車道上,機(jī)動(dòng)車排放物作為模型中污染源,由于CO排放在機(jī)動(dòng)車尾氣中占比較大且不易與空氣中其他成分發(fā)生反應(yīng),同時(shí)也為溫室效應(yīng)重要的影響因素之一。因此,本研究選用CO作為污染物標(biāo)記物,并且釋放源設(shè)置為體污染源。在交通堵塞情況下,隧道內(nèi)污染物的傳播最終會(huì)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),其強(qiáng)度可設(shè)定為4×10kg/(m·s)。
本次數(shù)值計(jì)算在通用CFD商用軟件Ansys Fluent 15.0中進(jìn)行。壓力與速度的耦合采用SIMPLE算法;壓力插值采用Standard算法;梯度插值采用格林-高斯節(jié)點(diǎn)方式;對(duì)流項(xiàng)離散選用二階迎風(fēng)差分格式,擴(kuò)散項(xiàng)離散選用二階中心差分格式。收斂標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定為最大值<1×10。
本模型整體計(jì)算域采用結(jié)構(gòu)六面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分,考慮到隧道內(nèi)近壁面、內(nèi)部射流風(fēng)機(jī)、開口貫通處等區(qū)域流體湍流度較高,以上區(qū)域網(wǎng)格將全部加密。上述區(qū)域?yàn)榫W(wǎng)格中心區(qū)域且向整體計(jì)算域各方向進(jìn)行等比加疏操作,并且控制其漸進(jìn)比在1.1以內(nèi)。為了保證計(jì)算準(zhǔn)確性和計(jì)算精度,需對(duì)模型網(wǎng)格無關(guān)性進(jìn)行驗(yàn)證,并對(duì)模型粗網(wǎng)格、細(xì)網(wǎng)格和超細(xì)網(wǎng)格3組網(wǎng)格系統(tǒng)進(jìn)行劃分,將模型3組網(wǎng)格系統(tǒng)的網(wǎng)格數(shù)量劃分為5 054 568個(gè)、6 129 214個(gè)和7 710 864個(gè)。模擬結(jié)果表明:上述3組網(wǎng)格系統(tǒng)中同截面上,第一、二組網(wǎng)格系統(tǒng)的平均風(fēng)速和污染物平均濃度的最大誤差分別為2.6%和2.3%;第二、三組網(wǎng)格系統(tǒng)的平均風(fēng)速和污染物平均濃度的最大誤差分別為1.7%和1.9%。因此,認(rèn)為模型網(wǎng)格可以保證獨(dú)立性和網(wǎng)格質(zhì)量。為了節(jié)約計(jì)算資源和成本,本次選取網(wǎng)格數(shù)量為6 129 214個(gè)的網(wǎng)格系統(tǒng)作為分析依據(jù)。
為了分析頂部開口和射流風(fēng)機(jī)均不開啟工況下S型城市隧道內(nèi)污染物的傳播特性,通過對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行整理,提取了S型城市隧道內(nèi)污染物CO平均濃度(即CO質(zhì)量分?jǐn)?shù))的分布云圖,見圖2。
圖2 頂部開口關(guān)閉且射流風(fēng)機(jī)不啟動(dòng)工況下S型城市隧道內(nèi)污染物CO平均濃度的分布云圖
由圖2可見,S型城市隧道內(nèi)由北端入口開始隨著距離隧道入口距離的增加,隧道內(nèi)污染物CO濃度呈遞增趨勢(shì),并且在南端出口CO濃度達(dá)到峰值。究其原因主要為自S型城市隧道入口開始,隧道內(nèi)流場(chǎng)在環(huán)境風(fēng)的作用下開始向隧道出口方向流動(dòng),流場(chǎng)特性的變化將直接對(duì)污染物擴(kuò)散規(guī)律產(chǎn)生影響,從而使隧道內(nèi)污染物向隧道出口方向遷移,且隨著距離隧道入口距離的增加,污染物的堆積現(xiàn)象將越發(fā)嚴(yán)重。傳統(tǒng)直型隧道內(nèi)污染物的傳播亦有相似特性。
同時(shí),S型城市隧道內(nèi)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)直型城市隧道也存在些許差異:直型城市隧道近壁面處流場(chǎng)速度通常呈對(duì)稱均勻分布;而S型城市隧道彎曲處外環(huán)近壁面將先受到流體沖擊使其湍流強(qiáng)度更高,從而導(dǎo)致隧道各彎曲處外環(huán)近壁面流場(chǎng)速度比內(nèi)環(huán)近壁面流場(chǎng)速度更高。
為了探究隧道內(nèi)污染物傳播規(guī)律隨高度變化的相關(guān)特性,通過對(duì)模擬結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行整理,提取了距S型城市隧道底部分別為2 m、2.5 m、3 m、3.5 m、4 m、4.5 m、5 m、5.5 m高度處斷面的CO平均濃度(即CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)),繪制了隧道內(nèi)CO平均濃度隨高度的變化曲線,見圖3。
由圖3可見,隨著距離隧道底部高度的增加,隧道內(nèi)污染物CO濃度整體呈下降趨勢(shì),且當(dāng)高度在4m以下時(shí)污染物CO濃度受高度影響的敏感性較大,當(dāng)高度大于4 m后隨著距離隧道底部高度的增加,隧道內(nèi)污染物CO濃度的降幅減小,其敏感性減弱。
圖3 S型城市隧道內(nèi)不同高度處CO平均濃度的分布圖
上述探究了S型城市隧道內(nèi)污染物CO濃度隨高度變化的相關(guān)特性。另外,在沿城市隧道長度方向上,不同位置垂直斷面的污染物濃度分布也不盡相同且各具有特異性,為了更詳盡地探究污染物濃度沿隧道長度方向的分布特性,提取了S型城市隧道車輛移動(dòng)方向沿線長度分別為1/5(254 m)、2/5(508 m)、3/5(762 m)、4/5(1 016 m)斷面處污染物CO平均濃度的分布云圖,見圖4。
由圖4可見,隨著隧道沿線距離的增加,各斷面污染物CO濃度呈現(xiàn)出由隧道底部向隧道中部和頂部擴(kuò)散的趨勢(shì);在隧道沿線長度為3/5(762 m)斷面處污染物CO近乎已覆蓋隧道橫斷面的大半個(gè)空間。
圖4 S型城市隧道沿線不同斷面處污染物CO平均濃度的分布云圖
為了探究射流風(fēng)機(jī)對(duì)S型城市隧道內(nèi)污染物擴(kuò)散規(guī)律的影響,開啟了隧道內(nèi)部7組14臺(tái)射流風(fēng)機(jī),通過對(duì)模擬結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行整理,提取了S型城市隧道內(nèi)斷面上流場(chǎng)流速的分布云圖,見圖5。
圖5 頂部開口關(guān)閉且射流風(fēng)機(jī)啟動(dòng)工況下S型城市隧道內(nèi)斷面上流場(chǎng)流速的分布云圖
由圖5可見,射流風(fēng)機(jī)對(duì)隧道出口周圍流場(chǎng)流速的提升明顯,說明射流風(fēng)機(jī)對(duì)隧道流場(chǎng)的影響顯著,其射流影響段明確,這一規(guī)律與先前學(xué)者針對(duì)隧道內(nèi)部射流風(fēng)機(jī)作用的研究結(jié)果相一致,即射流風(fēng)機(jī)通過加速隧道內(nèi)流場(chǎng)流動(dòng)以及誘導(dǎo)隧道內(nèi)整體流場(chǎng)向隧道出口方向移動(dòng)以達(dá)到緩解隧道內(nèi)空氣污染的作用。
頂部開口關(guān)閉且射流風(fēng)機(jī)啟動(dòng)工況下S型城市隧道內(nèi)污染物CO平均濃度的分布云圖,見圖6。
圖6 頂部開口關(guān)閉且射流風(fēng)機(jī)啟動(dòng)工況下S型城市隧道內(nèi)污染物CO平均濃度的分布云圖
由圖6可見,射流風(fēng)機(jī)對(duì)緩解S型城市隧道內(nèi)整體空氣污染狀況具有一定的作用,但緩解程度不夠顯著,隧道內(nèi)污染物CO濃度的降低幅度約為10%。究其原因主要為該隧道長度較長且為S型,在S型隧道中曲率較大的彎道處均會(huì)降低射流風(fēng)機(jī)的作用。
由此可見,對(duì)于S型城市隧道內(nèi)空氣質(zhì)量保證以及污染物控制問題,不能僅依托射流風(fēng)機(jī),對(duì)于如今新型設(shè)計(jì)的S型城市隧道還應(yīng)該考慮頂部開口的作用,這將在下面展開探究。
為了單獨(dú)探究頂部開口對(duì)S型城市隧道內(nèi)流場(chǎng)以及污染物傳播特性的影響,開啟了S型城市隧道的北端頂部開口和南端頂部開口,將隧道內(nèi)射流風(fēng)機(jī)關(guān)閉,通過對(duì)模擬結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行整理,提取了S型城市隧道內(nèi)斷面上流場(chǎng)流速的分布云圖,見圖7。
圖7 頂部開口開啟且射流風(fēng)機(jī)關(guān)閉工況下S型城市隧道內(nèi)斷面上流場(chǎng)流速的分布云圖
由圖7可見,頂部開口對(duì)隧道內(nèi)流場(chǎng)的影響巨大,經(jīng)北開口段后隧道內(nèi)流場(chǎng)流速發(fā)生了明顯的下降,致使北開口段后剩余隧道長度內(nèi)流場(chǎng)流速長期處于較低水平。究其原因主要為北開口段對(duì)隧道內(nèi)流場(chǎng)起到了分流作用,且由于北開口段隧道長度較長為100 m,致使北開口段后隧道內(nèi)流場(chǎng)流量和流速顯著下降。
頂部開口開啟且射流風(fēng)機(jī)關(guān)閉工況下S型城市隧道內(nèi)污染物CO平均濃度的分布云圖,見圖8。
圖8 頂部開口開啟且射流風(fēng)機(jī)關(guān)閉工況下S型城市隧道內(nèi)CO平均濃度的分布云圖
由圖8可見,S型城市隧道內(nèi)污染物CO在經(jīng)北開口段后,因流場(chǎng)堆積且流速緩慢等因素,污染物CO濃度急劇上升,且污染物CO濃度甚至上升了1至2個(gè)量級(jí),因此僅開啟頂部開口時(shí)甚至還會(huì)對(duì)隧道內(nèi)流場(chǎng)和污染物傳播起到消極作用,使隧道內(nèi)空氣污染情況加劇。由此可見,對(duì)于S型城市隧道內(nèi)空氣質(zhì)量保證以及污染物控制問題,不宜采取僅開啟隧道頂部開口的方式。為此,下面將探討頂部開口與射流風(fēng)機(jī)同時(shí)工作情況下,對(duì)S型城市隧道內(nèi)流場(chǎng)以及污染物傳播規(guī)律的耦合影響。
為了探究頂部開口與射流風(fēng)機(jī)同時(shí)開啟對(duì)S型城市隧道內(nèi)流場(chǎng)以及污染物傳播特性的影響,開啟了S型城市隧道北端頂部開口和南端頂部開口,并開啟了隧道內(nèi)射流風(fēng)機(jī),通過對(duì)模擬結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行整理,提取了S型城市隧道北端頂部開口和南端頂部開口周圍計(jì)算域流場(chǎng)流線圖,見圖9和圖10。
圖9 南北雙頂部開口與射流風(fēng)機(jī)同時(shí)開啟工況下S型城市隧道北頂部開口計(jì)算域流場(chǎng)流線圖
圖10 南北雙頂部開口與射流風(fēng)機(jī)同時(shí)開啟工況下S型城市隧道南頂部開口計(jì)算域流場(chǎng)流線圖
由圖9圖10可見,南北雙頂部開口與射流風(fēng)機(jī)同時(shí)開啟工況下S型城市隧道北、南兩端頂部開口處均使隧道內(nèi)流場(chǎng)發(fā)生了明顯的分流效應(yīng)。
進(jìn)一步提取該工況下S型城市隧道內(nèi)斷面上流場(chǎng)流速的分布云圖,見圖11。
圖11 南北雙頂部開口與射流風(fēng)機(jī)同時(shí)開啟工況下S型城市隧道內(nèi)斷面上流場(chǎng)流速的分布云圖
由圖11可見,經(jīng)南、北端頂部開口后S型城市隧道內(nèi)流場(chǎng)流速均發(fā)生了明顯的下降,但隨后隧道內(nèi)流場(chǎng)又在射流風(fēng)機(jī)的作用下提升了一定量的流速,并最終達(dá)到較均勻的流速。由此可以推測(cè),該工況下隧道內(nèi)空氣質(zhì)量和污染狀況將有較大的改善。
為了印證上述流場(chǎng)分析結(jié)果的合理性且進(jìn)一步探究S型城市隧道內(nèi)污染物CO的傳播特性,本文提取了S型隧道內(nèi)污染物CO平均濃度的分布云圖,見圖12。
圖12 南北雙頂部開口與射流風(fēng)機(jī)同時(shí)開啟工況下S型城市隧道內(nèi)污染物CO平均濃度的分布云圖
由圖12可見,S型城市隧道內(nèi)CO污染在射流風(fēng)機(jī)和頂部開口的聯(lián)合作用下得到了明顯的緩解,污染物CO濃度先在北開口段大幅降低,隨后隨著隧道長度的增加,污染物CO濃度相應(yīng)遞增,并在南開口段CO濃度再次顯著降低。由此可見,對(duì)于S型城市隧道內(nèi)空氣質(zhì)量保證以及污染物控制問題,使用射流風(fēng)機(jī)與頂部開口同時(shí)開啟方案,將會(huì)達(dá)到更理想的效果。
通過上述分析可知,頂部開口與射流風(fēng)機(jī)同時(shí)開啟時(shí),對(duì)緩解S型城市隧道內(nèi)空氣污染具有較明顯的效果。然而上述工況為南、北頂部開口均開啟,如若僅開啟單個(gè)頂部開口時(shí),將會(huì)對(duì)隧道內(nèi)空氣污染狀況起到多大程度的緩解,同樣值得探究。為此,本文僅設(shè)定南頂部開口與射流風(fēng)機(jī)同時(shí)開啟工況進(jìn)行了模擬計(jì)算分析(由于隧道內(nèi)污染物CO大部分堆積于南半段,由此僅考慮開啟南頂部開口工況),提取了南頂部開口與射流風(fēng)機(jī)同時(shí)開啟工況下S型城市隧道內(nèi)污染物CO平均濃度的分布云圖,見圖13。
圖13 南頂部開口與射流風(fēng)機(jī)同時(shí)開啟工況下S型城市隧道內(nèi)污染物CO平均濃度分布云圖
由圖13可見,S型城市隧道內(nèi)CO污染在該工況下也得到了一定程度的緩解,尤其在南頂部開口范圍,但CO污染整體緩解效果相對(duì)南北雙頂部開口與射流風(fēng)機(jī)同時(shí)開啟工況而言則相對(duì)較弱。
為了印證上述結(jié)論,通過對(duì)模擬結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行整理,分別提取了頂部開口與射流風(fēng)機(jī)均不開啟、僅開啟射流風(fēng)機(jī)、南北雙頂部開口與射流風(fēng)機(jī)同時(shí)開啟、南頂部開口與射流風(fēng)機(jī)同時(shí)開啟4種工況下,S型城市隧道內(nèi)污染物CO的平均濃度圖,見圖14。
圖14 不同工況下S型城市隧道內(nèi)污染物CO的平均濃度圖
由圖14可見,僅開啟射流風(fēng)機(jī)工況較頂部開口與射流風(fēng)機(jī)均不開啟工況而言,S型城市隧道內(nèi)污染物CO濃度的降低幅度有限,約為10%;而南北雙頂部開口與射流風(fēng)機(jī)均開啟工況可使隧道內(nèi)空氣污染得到明顯的緩解,S型城市隧道內(nèi)污染物CO濃度的降低幅度約為35%。上述結(jié)論也與前文分析結(jié)果相一致。
(1) 本研究的S型城市隧道環(huán)境中,由入口開始隨著隧道長度的增加,隧道內(nèi)污染物濃度呈遞增趨勢(shì),并且在南端出口污染物濃度達(dá)到峰值。
(2) 在頂部開口關(guān)閉,單啟動(dòng)射流風(fēng)機(jī)工況下,射流風(fēng)機(jī)對(duì)緩解S型城市隧道內(nèi)整體空氣污染狀況具有一定的作用,但緩解程度不夠顯著,隧道內(nèi)污染物CO濃度的降低幅度約為10%;而單開啟頂部開口工況對(duì)緩解隧道內(nèi)空氣污染無積極作用。
(3) 當(dāng)南北雙頂部開口與射流風(fēng)機(jī)同時(shí)開啟時(shí),S型城市隧道內(nèi)空氣污染狀況將得到了明顯的緩解,隧道內(nèi)污染物CO濃度的降低幅度約為35%。
本文主要研究了該S型城市隧道環(huán)境的污染物傳播特性,以期為隧道設(shè)計(jì)以及隧道內(nèi)空氣質(zhì)量預(yù)測(cè)與污染控制提供依據(jù)。但值得指出的是,除了上述研究?jī)?nèi)容外,例如隧道開口環(huán)境周圍因受太陽輻射導(dǎo)致的局部受熱不均勻情況也將對(duì)隧道內(nèi)空氣流場(chǎng)以及污染物傳播規(guī)律產(chǎn)生一定的影響;而隧道內(nèi)部車流速度和射流風(fēng)機(jī)設(shè)置角度對(duì)S型隧道內(nèi)污染物傳播規(guī)律的影響同樣值得探索。對(duì)于上述各項(xiàng)影響因素將會(huì)在后續(xù)研究工作中予以考慮。