多匝道特长公路隧道不同通风方式下通风效果的数值模拟研究

万中硕 刘 雨 谢艳萍

（重庆科技学院，重庆 401331）

0 引言

伴随着科技的日益发展，我国的交通也愈发便利。特长隧道、分合流隧道也日益增多。而针对多匝道特长公路隧道而言，隧道内相对闭合、隧道长度大、隧道内车流量大，当隧道内发生汽车阻滞时仅仅只依靠隧道进出口处的自然通风不能够完全带走车辆行驶过程中排出的废气和烟尘；需要机械通风来进行辅助。本项目通过运用软件模拟交通阻滞情况下隧道分叉口处不同通风方式下隧道内汽车尾气污染物分布情况；进而对比分析其通风效果。

1 研究现状

特长公路隧道通风问题在国内研究较晚，多借鉴国外的经验；目前国内的相关规范数量不多。1999 年重庆公路科研设计院主持编写《公路隧道通风照明设计规范》(JTJ026.1—1999)为公路隧道的设计提供指引与参考[1]。此规范于2014 年在《公路隧道通风设计细则》(JTG/T D70/2-01—2014）与《公路隧道照明设计细则》(JTG/T D70/2-02—2014）颁布的同时废止。近几年来国内也有大批学者关注并研究隧道的通风问题。2020 年学者刘凡[2]通过CFD 模拟了高速公路隧道合流段的夹角角度与通风特性的关系。2017 年，学者姜学鹏[3]通过SES 模拟不同隧道风口布置于不同位置的通风效果。学者夏永旭介绍并分析了特长公路隧道纵向-全横向混合通风方式[4]及秦岭终南山公路隧道的5 种通风方式[5]:两竖井三段送排式纵向通风；三竖井四段送排式纵向通风；四竖井五段送排式纵向通风；两竖井三段混合式通风；三竖井四段混合式通风。

2 项目概况

本项目来源于工程实际，以某多匝道城市公路隧道为依托。此隧道由一条主线隧道、两支线隧道构成，设计车速50km/h，海拔高度约为400m。此隧道设计为双洞单向交通。本模型选取右线隧道示例。由于此隧道的全长过长为简化模型故选取其极具特征的分岔口周围模拟研究，通过模拟不同通风方式下污染物的运动分析其通风效果。为实际工程中的通风建设提供理论依据。

3 软件模拟计算

3.1 模型分析

模型使用fluent 自带的DesignModeler 模块进行绘制，将所选取的隧道段以1:1 的比例进行建模。主干线的入口截面图及支干线出口的截面图见图1，模型的整体平面图见图2。在隧道的各个进出口及顶部布置风机，通过控制不同风机的运行来改变通风方式。需要模拟隧道阻滞工况，故在隧道内增加汽车，两车间距为1.5 米。车身长4.5 米。主干线进出口截面面积为115.3,支干线截面面积为88.9 。支干线长度为61，主干线长度为150 。

图1 主干线及支线的入口截面图

3.2 研究思路

在隧道的主干线进出口、支线出口及分叉口的顶部皆设有风机，通过控制不同风机运行进行组合以实现隧道内的不同通风方式。组合方式详见表1。风机位置平面布置图及编号如图2 所示。通过综合对比分析不同通风方式下隧道内污染物的分布及质量分数来确定通风效果。

图2 风机布置编号图及模型平面图

表1 风机组合方式

3.3 网格化分

网格划分的目的就是将空间连续的计算域划分成足够小的计算域。网格的质量影响计算的精准性，网格稀疏导致计算结果的精度不高，网格过于密集会大大增加计算时间[6]。对风机进口等部位进行加密处理，对变化不大的区域，网格尺寸适当放大，如此既保证计算精度有兼顾计算效率。对于加密处理的网格进行网格无关性验证，即网格数量超过限制时不再影响测量精度[7]。对于固体壁面还要增加设置边界层。最终选择使用mesh 模块进行网格划分，划分的网格为四面体非结构网格。最终划分的网格总量约为2800 万，边界层划分共5层，增长率为1.2。网格的整体质量较为后续计算提供可靠保证。

3.4 模拟计算

本项目采用fluent 软件进行隧道通风数值仿真计算。并做出如下假设，假设流体为不可压缩流体，流体为连续性流动满足连续性方程。此模型遵循质量守恒、能量守恒以及动量守恒定律。故在计算过程中需要开启能量方程、K-湍流方程；由于需要观测污染物在空气中的轨迹故需要开启组分运输方程；开启重力并设置重力参考点，采用压力基求解器进行稳态计算。

3.5 边界条件设定

进口处参数选择为速度进口，出口处的参数选择为压力出口。汽车尾气中的污染物设定为边界进口，设置条件时选择质量流量进口，单位为kg/s。co 的排放量依照规范《公路隧道通风设计细则》（JTG/TD/70/2-02-2014）计算，由该规范得知：交通阻滞时，阻滞段的平均co 设计浓度取同时经历时间不宜超过20 分钟[8]。交通阻滞时车辆按怠速考虑，2000 年机动车尾气中co 的基准排放量应取按每年2.0%的递减率计算2021 年为计算出隧道内co 的排放量为计算其所需稀释co 通风量为则风机送风速度为经查阅文献得知隧道内自然风速为故将模型进口风速设置为将计算的co排放量进行单位换算得到总排放量为每辆车尾气中co 排放量为隧道内温度设置为300k，求解方法选择压力速度偶和算法中的SIMPLE 算法，设置残差为采用Hybrid 方法进行初始化，设置迭代步数为3000 步。

3.6 结果输出

创建Y 值为1.5、3、6、8 的四个等值面，并截取每种通风方式下每个面的co 组分质量分数云图（如图3、图4），截取8 等值面的速度云图（见图5）。

图3 1.5 等值面的co 组分质量分数云图

图4 各等值面的co 组分质量分数云图

图5 8 高等值面的速度云图

4 结果分析

根据方案1 的污染物质量分数云图可以观测出污染物整体向隧道的顶部及出口运动，通过1.5 高、3 高、6 高处等值面的云图对比分析可得出由于co 密度小于空气在浮升力的作用下向上扩散，在风机射流扩散的作用下隧道前段的污染物扩散至中后段，致使中段的co 质量分数增大，co 聚集在隧道中段难以排出。综合分析方案2 的污染物云图可发现，在入口处射流风机和通风井排风的共同作用下隧道中段和前段的co 可以有效排出；主线后段及支线后段的co 在风压作用下逐步向出口处扩散。但在射流风机及通风井共同作用下在隧道的分岔口处会形成涡流，污染物在此处会有残留。分析方案3 的co 云图可发现，在单一通风井排风的作用下隧道下部（1.5 高）co 的运动受机械排风的影响较小，中高部co 的扩散受排风作用明显。隧道前段和中段的co 在通风井处汇聚最终通过风井排出。但主隧道及支线尾段的co 难以排出。

经对比三种方案的计算云图发现在通风量、风速相同的情况下，纵向射流通风与通风井排出式+射流风机通风对低平面的co 扩散影响明显，从整体来看通风井排出式+射流风机通风的排污效果要优于纵向射流通风。