付 偉 李 輝 陳 瑞 明華軍

(1.中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢 430058；2.三峽大學(xué)土木與建筑學(xué)院，湖北 宜昌 443002； 3.三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

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自然通風(fēng)下高海拔公路單向隧道污染物擴(kuò)散影響因素

付 偉1李 輝2陳 瑞2明華軍3*

(1.中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢 430058；2.三峽大學(xué)土木與建筑學(xué)院，湖北 宜昌 443002； 3.三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

通過物理與數(shù)學(xué)模型，從隧道長度、交通量、進(jìn)口風(fēng)速、汽車尾氣排放量等方面，分析了自然通風(fēng)下，高海拔公路單向隧道污染物擴(kuò)散的主要影響因素，最終得出了一些有意義的結(jié)論。

隧道，污染物，自然通風(fēng)，交通量，汽車尾氣

公路隧道內(nèi)的空氣污染，既會(huì)對人體造成危害，又會(huì)影響行車安全。尤其是隨著西部大開發(fā)進(jìn)程的加快，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)特別是公路建設(shè)日新月異，西部特殊的地形地貌使得越來越多的高海拔公路隧道不斷涌現(xiàn)。人們在高原上經(jīng)常出現(xiàn)缺氧、頭痛、耳鳴、呼吸困難等癥狀，特別是在隧道這個(gè)相對密閉的空間里，如果通風(fēng)效果不好，更容易引發(fā)安全事故[1]。

公路隧道內(nèi)空氣污染物主要來自過往車輛的尾氣，其主要成分為CO，NOx和HC化合物，SO2以及顆粒物等。其中CO對人體健康和人的反應(yīng)能力影響最突出，是威脅隧道內(nèi)駕乘人員健康、隧道運(yùn)營安全的最重要污染物[2]。通風(fēng)是最常用改善隧道內(nèi)空氣環(huán)境的一種工程方式，分為自然通風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)兩種。通常建議長度超過40 m的隧道就采用機(jī)械通風(fēng)，因此，國內(nèi)外在隧道機(jī)械通風(fēng)情況下通風(fēng)設(shè)計(jì)[4-9]、通風(fēng)效果[10-14]等方面研究較多。然而，高寒高海拔地區(qū)多屬于經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)，采用機(jī)械通風(fēng)模式需要大筆的施工與后期管養(yǎng)費(fèi)用，而實(shí)際情況是隧道建成后期通風(fēng)運(yùn)營費(fèi)用較高，且維護(hù)資金來源不穩(wěn)定。因此，自然通風(fēng)方式成為高寒高海拔地區(qū)公路隧道通風(fēng)的首選方式。

通常認(rèn)為，公路隧道污染物擴(kuò)散與隧道長度、交通量、行車速度、隧道縱坡、車輛組成、汽車尾氣排放量、進(jìn)口風(fēng)速等有關(guān)。高海拔地區(qū)公路隧道屬于低交通量隧道，因而，行車速度一般變化不大。同時(shí)對于非超長隧道，隧道縱坡引起的進(jìn)出口高差相對較小。另外，為了數(shù)值模擬的可行性，通常不考慮車輛類型的差別。隧道內(nèi)污染物對司乘人員影響最大的區(qū)域，是離隧道底板1.5 m高程面。所以，本文擬借用流體力學(xué)軟件FLUENT，進(jìn)行自然通風(fēng)下高海拔公路單向隧道污染物擴(kuò)散分析，僅考慮隧道長度、交通量、進(jìn)口風(fēng)速、汽車尾氣排放量，對公路單向隧道距底板1.5 m高程斷面最大污染物濃度的影響研究。

1 物理模型

考慮模擬隧道為單洞單向行駛隧道，隧道縱坡為0.1%，隧道設(shè)計(jì)時(shí)速為54 km/h，車輛按照模擬交通量勻速、等間距運(yùn)行。模擬隧道為新通車或久未過車隧道，行車方向是Z軸負(fù)方向，隧道進(jìn)口在Z=0 m處，隧道出口在Z=-150 m處，自然風(fēng)速與行車方向相同。認(rèn)為汽車均嚴(yán)格遵守交規(guī)，靠右行駛，且不超車。計(jì)算模型如圖1所示。隧道運(yùn)行時(shí)間為設(shè)計(jì)交通量下行車時(shí)間。

考慮川藏高原公路隧道一般斷面特征，建立隧道計(jì)算模型斷面為如圖2所示城門洞型。隧道寬10 m，高7 m，由直徑為10 m的半圓形和高為2 m的矩形組成。

兼顧汽車運(yùn)行過程中對氣流影響和數(shù)值模擬的可行性，將汽車簡化為如圖3所示模型特征。汽車寬度為2 m；駕駛室高1.5 m、長2 m；車前蓋高1 m、長1.5 m；車后備箱蓋高1 m、長1 m。汽車尾氣管處于車后右下方，考慮數(shù)值計(jì)算成本，在不影響尾氣排放模擬的基礎(chǔ)上，設(shè)定尾氣管大小為0.5 m×0.5 m。

2 數(shù)學(xué)模型

隧道內(nèi)空氣為非穩(wěn)態(tài)不可壓縮流體，氣體流動(dòng)是三維不可壓縮瞬態(tài)湍流，湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型；湍流流動(dòng)的模型采用不涉及化學(xué)反應(yīng)的組分傳輸采用無反應(yīng)的組分輸運(yùn)模型，氣體組分包括空氣和CO。

考慮普通電腦運(yùn)算的可行性和問題說明的可能性，隧道基本網(wǎng)格尺寸采用0.5 m，所有網(wǎng)格均為六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，單元總數(shù)為62 304。計(jì)算步長設(shè)置為0.01 s。

考慮汽車運(yùn)動(dòng)帶來的流場形狀隨時(shí)間改變的問題，建模中采用FLUENT軟件建立Layering動(dòng)網(wǎng)格模型。

數(shù)值計(jì)算中邊界條件設(shè)置為：1)隧道內(nèi)壁為墻面，粗糙度為2 cm；2)汽車尾氣管設(shè)定為質(zhì)量流量入口邊界(mass-flow-inlet)；3)隧道進(jìn)口設(shè)定為速度進(jìn)口邊界(velocity-inlet)；4)隧道出口設(shè)定為壓強(qiáng)為當(dāng)?shù)卮髿鈮旱膲毫Τ隹谶吔?pressure-outlet)。

根據(jù)GB 18352.5—2013輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國第五階段)要求，對于包括駕駛員座位在內(nèi)，座位數(shù)不超過6座，且最大總質(zhì)量不超過2 500 kg的點(diǎn)燃式啟動(dòng)的客車，在常溫冷啟動(dòng)后CO的排放限值為1.00 g/km。因此，該隧道模型中初步采用汽車尾氣口CO摩爾質(zhì)量為4.8 ppm。

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 隧道長度對污染物擴(kuò)散的影響研究

圖4為長度分別為150 m和450 m單向公路隧道，在設(shè)計(jì)小時(shí)交通量分別為360輛車和2 160輛車的行車密度下，隧道內(nèi)距底板1.5 m高程斷面最大CO濃度，隨隧道運(yùn)行時(shí)間的演化圖。由圖4可見，當(dāng)在相對低交通量(360輛/h)下，隧道長度變化對污染物擴(kuò)散影響不顯著；當(dāng)在相對高交通量(2 160輛/h)下，運(yùn)行一段時(shí)間后，隨著隧道長度的增加，污染物擴(kuò)散造成距底板1.5 m高程斷面最大CO濃度增長速度變快。

3.2 交通量對污染物擴(kuò)散的影響研究

圖5為隧道長度分別為150 m和450 m的隧道，在不同交通量情況下，距底板1.5 m高程斷面最大CO濃度隨隧道運(yùn)行時(shí)間的演化圖。由圖5可見，不管是150 m長度隧道，還是450 m長度隧道，距底板1.5 m高程斷面最大CO濃度，均隨交通量的增大而增大。且交通量越大，距底板1.5 m高程斷面最大CO濃度增長越明顯。表明，當(dāng)交通量增大后，進(jìn)口風(fēng)速和行車活塞風(fēng)在降低污染物濃度上所起的作用，已經(jīng)不明顯了。

3.3 進(jìn)口風(fēng)速對污染物擴(kuò)散的影響研究

圖6為隧道長度150 m、設(shè)計(jì)小時(shí)交通量360輛車、汽車尾氣口CO摩爾質(zhì)量為14.4 ppm的二維數(shù)值模型中，隧道進(jìn)口風(fēng)速分別為0.1 m/s，0.5 m/s，1.0 m/s和2.0 m/s時(shí)，距底板1.5 m高程斷面最大CO濃度隨隧道運(yùn)行時(shí)間的演化過程圖。由圖6可見，雖然在隧道運(yùn)行起始階段，隧道進(jìn)口風(fēng)速越大，距底板1.5 m高程斷面最大CO濃度越大。但隧道運(yùn)行一段時(shí)間后，進(jìn)口風(fēng)速對關(guān)鍵斷面的最大CO濃度影響逐漸減弱，進(jìn)而逐漸發(fā)展為幾乎可以忽略的地步。

3.4 汽車尾氣排放量對污染物擴(kuò)散的影響研究

GB 18352.5—2013輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國第五階段)規(guī)定的限排值是在標(biāo)準(zhǔn)大氣環(huán)境下的，但隨著海拔增加，由于嚴(yán)重缺氧使混合氣過濃，燃料不完全燃燒的程度也比低海拔要嚴(yán)重很多。同時(shí)，根據(jù)王玉偉等[15]文獻(xiàn)測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，點(diǎn)燃式汽車和增壓式汽車尾氣排放受海拔環(huán)境變化效果不同。點(diǎn)燃式汽車在海拔3 000 m處CO排放量可達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)大氣環(huán)境下的3倍，但增壓式汽車則變化較小。

圖7為汽車尾氣口CO摩爾質(zhì)量分別為4.8 ppm和14.4 ppm時(shí)，距底板1.5 m高程斷面最大CO濃度隨隧道運(yùn)行時(shí)間的演化過程圖。由圖7可見，在其他條件相同的情況下，汽車尾氣排放量越大，距底板1.5 m高程斷面最大CO濃度越大，且變化趨勢基本相同，濃度比值與汽車尾氣口CO摩爾質(zhì)量濃度比值基本相同?？梢?，汽車尾氣排放量并不影響隧道污染物擴(kuò)散規(guī)律，僅同步影響其濃度數(shù)值。

4 結(jié)論與討論

本文從自然通風(fēng)下高海拔公路單向隧道污染物擴(kuò)散分析入手，使用流體力學(xué)軟件FLUENT，進(jìn)行了隧道長度、交通量、進(jìn)口風(fēng)速、汽車尾氣排放量，對距隧道底板1.5 m高程斷面最大CO濃度的影響分析。得到了如下結(jié)論：1)交通量對距底板1.5 m高程斷面最大CO濃度影響最大，其隨著交通量增大，也增長顯著。2)僅在相對較高交通量下，隧道長度對距底板1.5 m高程斷面最大CO濃度才有顯著影響。3)當(dāng)隧道運(yùn)行一段時(shí)間后，進(jìn)口風(fēng)速對關(guān)鍵斷面最大CO濃度影響幾乎可以忽略。4)汽車尾氣排放量并不影響隧道污染物擴(kuò)散規(guī)律，僅同步影響其濃度數(shù)值。

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The influence factors of high altitude highway one-way tunnel pollutant dispersion under natural ventilation condition

Fu Wei1Li Hui2Chen Rui2Ming Huajun3*

(1.CCCC Second Highway Survey and Design Institute Limited Company, Wuhan 430058, China;2.CivilEngineeringandArchitectureCollege,ChinaThreeGorgesUniversity,Yichang443002,China;3.HydraulicandEnvironmentalEngineeringCollege,ChinaThreeGorgesUniversity,Yichang443002,China)

Through the physical and mathematical model, from the tunnel length, traffic volume, inlet velocity, vehicle exhaust emissions and other aspects, this paper analyzed the main influence factors of high altitude highway one-way tunnel pollutant dispersion under natural ventilation condition, finally draw some meaningful conclusions.

tunnel, pollutants, natural ventilation, traffic volume, vehicle exhaust

1009-6825(2016)30-0175-04

2016-08-15

明華軍(1984- )，男，博士，講師

X323

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