復雜公路隧道空氣污染物分布規(guī)律模擬研究

牟瑞芳，陳渤，向杰

[摘要]依托汶馬高速公路獅子坪隧道工程，利用CATIA技術(shù)進行隧道BIM模型構(gòu)建，運用流體力學和擴散力學知識建立隧道空氣污染物運移方程并在Fluent軟件中對模型進行求解分析。通過對隧道內(nèi)氣體流場和污染物的濃度場進行計算，分析氣體污染物濃度在隧道縱向和橫截面上的分布規(guī)律，研究在不同風速和不同交通量條件下，隧道內(nèi)氣體污染物濃度的分布規(guī)律。

[關(guān)鍵詞]復雜隧道； 數(shù)值分析； 三維模擬； 氣體污染物分布

[中國分類號]U453.5? ? ? ? ? ? ? ? ? ? [文獻標志碼]A

0引言

公路隧道具有縱橫比大、半封閉性等特點，再加上交通量日益增大，隧道內(nèi)的空氣質(zhì)量問題變得越來越嚴峻。空氣污染物不僅會妨礙車輛的安全行駛，而且會危害駕駛員的身體健康，因此需要利用通風技術(shù)對隧道進行通風?，F(xiàn)階段隨著通風技術(shù)的發(fā)展，隧道通風結(jié)構(gòu)多呈復雜的網(wǎng)絡化狀，在雙洞隧道之間構(gòu)建橫通道，與通風斜井或豎井共同構(gòu)成復雜的網(wǎng)絡化通風系統(tǒng)，以進行整體內(nèi)部之間的通風換氣。但復雜的通風結(jié)構(gòu)易導致隧道空氣污染物聚集且分布規(guī)律復雜，本文依托汶馬高速獅子坪隧道對其空氣污染物分布情況展開模擬研究，探究復雜隧道空氣污染物分布規(guī)律（圖1）。

國內(nèi)外在公路隧道污染物濃度分布方面的研究方面具有代表性的研究有：1982年，Ohashi等［2］最先利用數(shù)值計算的手段對日本KAN-ETSU公路隧道內(nèi)空氣污染物濃度分布進行了研究，并為公路隧道空氣污染的控制提供了依據(jù)；1997年，Nadel［3］建立了隧道空氣污染物的數(shù)值模型，并對美國波士頓Central Artery隧道內(nèi)的空氣污染物濃度進行研究，分析環(huán)境控制標準所需的通風量。2011年，何成［1］利用有限元法對構(gòu)建的隧道污染物擴散模型進行求解分析，得出隧道內(nèi)部空氣污染物濃度分布與通風風速、交通量的規(guī)律，為隧道的空氣污染物的治理與控制奠定了基礎。施孝增等［4］分析豎井型長大隧道CO分布規(guī)律，為優(yōu)化通風方案和CO控制手段提供了指導。楊清海等［5］研究交通風和射流通風流場作用下的污染物濃度的分布規(guī)律。

綜上所訴，國內(nèi)外對隧道空氣污染物的研究主要集中在隧道主洞局部分析，對復雜的網(wǎng)絡化隧道內(nèi)的氣體污染物研究甚少，未能結(jié)合橫通道與豎井等通風設施進行全面整體的模擬分析，各通風區(qū)段之間流場會相互影響，流體污染物在隧道內(nèi)的擴散十分復雜，它不僅取決于污染物自身特性，而且還與隧道內(nèi)的環(huán)境因素密切相關(guān)。所以本文運用流體力學和擴散力學知識建立隧道空氣污染物運移方程，通過CATIA技術(shù)構(gòu)建隧道三維模型，再利用Fluent軟件對模型進行求解分析，探究空氣污染物在隧道內(nèi)的分布規(guī)律。

1隧道空氣污染物擴散運動控制方程

1.1流體力學方程

由于隧道內(nèi)氣流的不可壓縮性，可以認為隧道內(nèi)氣體的運動速度是隨時間的函數(shù)，隧道內(nèi)空氣流動的力學平衡方程為式（1）［8］。

dvdt=ρAL（∑Δpj+Δpt-Δpw-Δpr）（1）

式中：L為隧道長度（m）；A為隧道斷面面積（m2）；Δpt為交通通風力（Pa）；Δpw為自然風力（Pa）；Δpj為風機增壓值（Pa）；Δpr為摩擦阻力（Pa）。

1.2氣體擴散方程

研究氣體擴散時，在平穩(wěn)、均勻湍流的假定下，從梯度輸送理論出發(fā)，在空間固定點上由于大氣湍流運動而引起質(zhì)量通量不變，故氣體擴散方程可以表示如式（2）［9］：

ct=-ucx-vcy-wcz+

xKxcx+yKycy+zKzcz（2）

式中：c為污染物濃度，mg/m3；u、v、w為風速分別在x、y、z上的分量，m/s；Kx、Ky、Kz為分別為x、y、z方向上的擴散系數(shù)，m2/s

1.3隧道空氣污染物運移方程

機動車排放的大氣污染物在隧道內(nèi)的運移狀態(tài)主要受風的平流運動和空氣擴散作用的共同影響。在建立大氣污染物運移方程時，取直角坐標系的x軸與平均風向一致。假設與風的平流運動相比，x方向的湍流擴散可以忽略。在建立大氣污染物運移方程的過程中，主要考慮了隧道通風風速和隧道交通量對隧道內(nèi)污染物濃度分布的影響。所研究對象采用自然縱向通風，忽略了垂直路面方向污染氣體濃度的差異［6］。氣體污染物的擴散用組分運移方程來描述，方程組的通式為式（3）。

cit=-ciux+Di2cix2+Ri（ci，T）+

Si（x，y，z，t）+Pi（x，y，z，t）（3）

式中：ci為公路隧道內(nèi)i種污染物的濃度（mg/m3）；u為沿x、y和z方向上的風速方向上的風速（m/s）；Di為第i種污染物的分子擴散系數(shù)（m2/s）；Ri為第i種污染物的化學反應生產(chǎn)率［mg/（m3s）］；Si為第i種污染物的排放源強，即單位時間內(nèi)的產(chǎn)生量［mg/（m3s）］；Pi為第i種污染物的沉降率［mg/（m3s）］。

2數(shù)值模型構(gòu)建

2.1工程背景

獅子坪隧道是汶川至馬爾康高速公路的深埋長大隧道，是汶馬高速公路的全線控制性工程。隧道結(jié)構(gòu)形式為單洞雙向，隧道全長13.15 km，隧道左線起訖樁號為ZK138+010～ZK152+062，長13 156 m，右線起訖樁號為K138+045～K152+033 m，長13 082 m，主線隧道寬度為11.06 m，隧道進口高程2 493.89 m，隧道出口高程2 616.45 m。根據(jù)本路段工程可行性研究報告交通量預測如表1所示。

2.2基于CATIA技術(shù)構(gòu)建隧道BIM模型

獅子坪隧道全長約13.15km，如果完全建立與之對應的1∶1三維幾何模型進行數(shù)值仿真計算，需要耗費大量的計算資源。為了提高計算效率，又能反映復雜隧道內(nèi)污染物的擴散規(guī)律，本文選取獅子坪隧道第二通風區(qū)段中較復雜的通風結(jié)構(gòu)進行計算模型的建立。

CATIA具有較強的復雜條件建模功能，非常適用于隧道結(jié)構(gòu)三維模型的構(gòu)建。所以利用CATIA技術(shù)建立隧道BIM模型，為后續(xù)數(shù)值模擬提供幾何模型基礎。如圖2所示，其構(gòu)建步驟：

（1）根據(jù)隧道橫斷面參數(shù)構(gòu)建標準輪廓模型并進行參數(shù)化設置。

（2）根據(jù)高程等地理信息繪制路線。

（3）將隧道橫斷面輪廓掃描至整個道路路線。

（4）建立隧道橫通道、斜井的起、終點與路線標準輪廓曲面接合得到一完整的、閉合的隧道模型。

2.3網(wǎng)格模型的建立

通過ANASYS-mesh對建立的隧道幾何模型進行網(wǎng)格的劃分，隧道模型尺寸參數(shù)設置和原型隧道相同。隧道計算模型網(wǎng)格劃分示意如圖3所示。假定風機出口氣流為均勻速度；污染物釋放源假定為一個1 m2的均勻速度面釋放源。針對射流風機和汽車尾氣釋放源與附近環(huán)境存在較大的速度差異，將對射流風機和汽車尾氣釋放源附近的網(wǎng)格進行加密處理，以生成較高質(zhì)量的網(wǎng)格。

2.4求解方法

計算流體力學技術(shù)的基本思想是用有限個離散點上的一組變量值代替在時間域和空間域中不斷變化的原始場變量（如速度場和壓力場），并通過一定的原理和方法建立。一個關(guān)于這些離散點上的場變量之間關(guān)系的代數(shù)方程組，然后求解場變量的近似值。

Fluent軟件正是基于計算流體力學的思想，為了解決各種復雜流動的現(xiàn)象，采用不同的離散格式和數(shù)值方法，以實現(xiàn)高效的計算速度、良好的穩(wěn)定性和較高的精度，從而有效地解決各種復雜流動的計算問題，而且Fluent軟件具有豐富的物理模型、先進的數(shù)值方法和強大的前后處理功能。因此，本文采用Fluent2020進行仿真計算。

2.5基本假設

數(shù)值模擬計算采用FLUENT軟件進行模擬分析。通過計算機控制流體流動偏微分方程和參數(shù)設置，可以得到隧道內(nèi)復雜流場的速度和濃度分布情況，以及隨時間的動態(tài)變化過程。流體的實際流動情況是一個復雜的過程，為了模擬計算的可能性，有必要對模型進行簡化和近似，并作出假設：

（1）隧道內(nèi)空氣近似為不可壓縮定常流動過程，流體流動過程中，各要素（如壓力和流速）均不隨時間變化。

（2）隧道壁面為絕熱、無滑移壁面，不考慮隧道壁面與流體的熱量交換過程，且壁面處切向速度分量為零。

（3）隧道入口風速假設為均勻風速。

（4）研究對象是隧道內(nèi)氣體污染物的濃度分布，由于隧道較長，車輛與隧道內(nèi)氣流的相對運動對氣體污染物擴散的影響忽略不計。

2.6邊界條件設定

隧道的入口位置做出相關(guān)定義，將其設定成速度入口需要滿足的邊界條件，考慮到自然風通風和交通風的情況；隧道的出口做出相關(guān)定義，將其設定成壓力出口需要滿足的邊界條件，對壁面做出相關(guān)的定義，將其設定為粗糙度符合特定水平的壁面。在風機入口之前的一段區(qū)域內(nèi)會呈現(xiàn)出負壓狀態(tài)，為保證質(zhì)量守恒定律，射流風機采用給定壓差的方法，P=1300 Pa，保證風量為32 m3/s，根據(jù)車流量以及排放因子，車輛的模擬采用動量源模型，機動車處于實際運行狀態(tài)時，其排氣位置的速度大都會處于0.15～1.5 m/s，在經(jīng)過消音器且接受了冷卻處理之后廢氣本身的溫度設定為60 ℃。釋放源為面，且將其定義為速度入口需要滿足的邊界條件，速度的數(shù)值設定為0.5 m/s，釋放源所包含的其他面全部假設為具有較高的光滑度（表2）。

3計算結(jié)果分析

3.1隧道流場分析

隧道射流風機是一種在有限空間的射流作業(yè)。在風機的出口端，射流與隧道內(nèi)氣流之間形成切向間斷，從而產(chǎn)生渦流，氣流在風機出口處有較好地匯聚；且氣流會依附隧道側(cè)壁向前傳播，與隧道內(nèi)空氣進行動量和質(zhì)量交換，進而形成了射流發(fā)展過程。如圖4所示，為5.5 m高度處縱向速度分布云圖，可以清楚地看到射流發(fā)展過程。圖5為風機所在平面的縱向速度分布云圖，由圖可看到流體的運動過程，由于污染物釋放和氣流相互混合，污染物的分布會對流場產(chǎn)生影響，進而形成一定距離的低速區(qū)。

3.2氣體污染物濃度分布規(guī)律分析

隧道內(nèi)行車時，車內(nèi)人員頭部高度約為1.2 m，同時考慮到人員站在排水溝作業(yè)時，高度約為2 m，因此主要分析此高度下，距離風機出口不同位置的縱向CO質(zhì)量分數(shù)分布，圖6為1.2 m高度處CO質(zhì)量分數(shù)縱向分布云圖，圖7為2.0 m高度處CO質(zhì)量分數(shù)縱向分布云圖。在風機后的湍流區(qū)，CO質(zhì)量分數(shù)先上升后下降；由于風機給風，CO沿著風向向隧道出口方向擴散，呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢，在隧道出口處質(zhì)量分數(shù)達到最大值。結(jié)合圖6和圖7可以看出，CO沿著隧道逐漸向上擴散，最后擴散至隧道頂部。

距離隧道入口不同橫截面CO質(zhì)量分數(shù)分布見圖8。從圖8可以看出，在距離隧道入口100 m左右處，CO主要集中在隧道下部空間，由于風機的給風作用，CO的質(zhì)量分數(shù)分布呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。隨著隧道內(nèi)的風速降低，再加上污染物的不斷釋放，CO質(zhì)量分數(shù)將繼續(xù)增大。在距離隧道200 m左右處，在風機氣流的作用下，CO的質(zhì)量分數(shù)向隧道兩側(cè)擴散，并在隧道段內(nèi)均勻分布。這些規(guī)律與隧道內(nèi)的流場分布是一致的。

3.2.1不同風速條件下CO濃度分布規(guī)律

本次試驗選取風速0 m/s、1 m/s、2 m/s、3 m/s的情況對隧道內(nèi)部CO濃度分布情況進行模擬分析。通過圖9可以看出，在隧道內(nèi)部車輛行進方向上及沿著隧道縱向方向上，CO濃度從隧道入口段到距入口600 m左右段隨著距離的增加而不斷增大，在0～400 m隧道段，3 m/s軸線上CO濃度大于0 m/s、1 m/s、2 m/s時的濃度。在600 m位置處，由于通風斜井的通風作用CO濃度由最大值迅速驟降后，沿著軸線方向上升至距隧道出口300 m左右的位置，出現(xiàn)第二次峰值，但較第一次峰值明顯下降，之后再沿著隧道行車方向不斷下降，可見網(wǎng)絡化的通風結(jié)構(gòu)對改善隧道內(nèi)的空氣質(zhì)量具有良好的效果，避免污染物集聚積累。

3.2.2不同交通量條件下CO濃度分布規(guī)律

根據(jù)《汶馬高速工程可行性研究報告》的交通量預測，分別對2020年、2030年和2036年的交通量條件下的CO濃度進行模擬分析，模擬過程中選取隧道通風風速在2 m/s，得到如下規(guī)律見圖10。

在不同運營期內(nèi)，隨著交通量的不斷增大，隧道內(nèi)的CO濃度不斷增大。在運營近期（2020年）小時高峰交通量條件下模擬CO最大濃度值分別為9.89 mg/m3；在運營中期（2030年）小時平均交通量條件下模擬CO最大濃度值分別為10.78 mg/m3；運營遠期（2036年）1 h平均交通量條件下模擬CO最大濃度值分別為11.52 mg/m3?？梢?，隨著運營年數(shù)的增加，隧道內(nèi)交通量也在不斷增加，隧道交通量越大，其內(nèi)部CO濃度也越大。

4結(jié)論與討論

本文通過數(shù)值仿真方法，研究了復雜隧道內(nèi)氣體污染物的分布規(guī)律，分析隧道內(nèi)流場的情況以及污染物分布規(guī)律情況，研究結(jié)果：

（1）網(wǎng)絡化的通風結(jié)構(gòu)對改善隧道內(nèi)空氣質(zhì)量具有良好效果，改善了以往單豎井通風方案左右線隧道之間空氣污染物相互獨立、一側(cè)聚集的現(xiàn)象，最大限度地發(fā)揮了雙洞隧道通風能力，相比單座主洞隧道能顯明顯控制污染氣體的濃度。

（2）在正常工況下，隧道內(nèi)CO濃度沿x軸方向增加，但在距離通風井及洞口約300 m處，濃度基本達到最大值。在橫截面上，在靠近隧道壁的區(qū)域，由于隧道壁的影響，隧道壁周圍的氣流受阻，導致隧道壁附近的污染物濃度較大。

參考文獻

［1］何成.城市隧道污染物擴散模型構(gòu)建與模擬分析［D］. 成都： 西南交通大學，2014.

［2］Mizuno A Ohashi H， Nakabori I et al. A new ventilation method for the Kan-etsu road tunnel［C］. Proc.4th ISAVVT BHRA Fluid Engineering.

［3］Nadel C. Overview of the Central Artery/Tunnel （CA/T， Boston，Ma）Project and the Tunnel Ventilation Methodologies Employed toEnsure Public Safety and to Maintain Acceptable Internal Tunnel Air Quality［C］//Proc. The Air &Waste Management Association Annual Meeting & Exhibition， 1997.

［4］施孝增.豎井型長大隧道污染物濃度分布的數(shù)值模擬研究［J］.潔凈與空調(diào)技術(shù)，2015（1）：105-110.

［5］楊清海，沈恒根，梁珍.行車隧道通風機射流作用下污染物濃度分布模擬試驗［J］.暖通空調(diào)，2020，50（9）：128-134.

［6］胡宇峰，陸志良.汽車隧道內(nèi)氣流及污染問題研究［J］.中國公路學報，2004（4）：112-116.

［7］雷玉勇，李曉紅，盧義玉.公路隧道空氣污染治理的研究進展［J］.環(huán)境科學進展，1998（2）：41-45.

［8］林衛(wèi)，朱培根，田義龍， 等. 豎井型城市隧道自然通風模型實驗研究［J］.制冷空調(diào)與電力機械，2011（4）.

［9］葛家美，畢海權(quán). 頂部開孔組合方式對城市公路隧道自然通風的影響［J］.制冷與空調(diào)，2011（1）.

［10］鄧順熙 ，陳愛俠 ，曹申存 .高速公路汽車污染物排放因子的測試研究 ［J］. 中國公路學報 ， 1999， 12（增刊 ）： 94-100.

［11］桑建國，溫市耕.大氣擴散的數(shù)值計算［M］.北京：氣象出版社，1992.

［12］徐志勝，王蓓蕾，孔杰，等.風機橫向布置間距對公路隧道污染物分布的影響研究［J］.安全與環(huán)境學報，2021，21（1）.