林炎頃， 常 軍， 李 雁， 李先庭,*

(1.清華大學(xué)建筑學(xué)院室內(nèi)空氣質(zhì)量評價與控制實驗室， 北京 100084；2.北京市市政工程設(shè)計研究總院有限公司， 北京 100082)

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公路隧道旁通式凈化站氣流組織數(shù)值模擬及凈化效果分析

林炎頃1， 常 軍2， 李 雁2， 李先庭1,*

(1.清華大學(xué)建筑學(xué)院室內(nèi)空氣質(zhì)量評價與控制實驗室， 北京 100084；2.北京市市政工程設(shè)計研究總院有限公司， 北京 100082)

為分析和解釋氣流組織對凈化站污染處理效果的影響，以常見的旁通式凈化站為例，基于FLUENT軟件建立包含主隧道和旁通凈化風(fēng)道的數(shù)值模型，分析不同來流壓力下主隧道和旁通風(fēng)道的流動規(guī)律以及凈化效果。研究結(jié)果表明，旁通風(fēng)道風(fēng)量只取決于設(shè)備阻力以及風(fēng)機性能，與主隧道環(huán)境無關(guān)；當來流風(fēng)量小于凈化風(fēng)量時主隧道將發(fā)生凈流量回流的現(xiàn)象,導(dǎo)致兩旁凈化風(fēng)道的負荷不同；當凈化風(fēng)量比為100%時，凈化站對污染物的處理效果最佳。

公路隧道；旁通凈化站；空氣凈化；氣流組織；FLUENT

0 引言

公路隧道是緩解城市交通壓力的重要手段，其建設(shè)數(shù)量以及長度呈迅速增長趨勢[1]，中國已經(jīng)是全世界隧道和地下工程數(shù)量最多、發(fā)展速度最快的國家[2]，2010—2013年隧道總里程與座數(shù)的增長率分別為46.7%和35.0%[3]。然而，公路隧道是一個相對密閉的空間，本身不利于污染物的擴散，另外，城市交通量的增長也給隧道污染物的治理提高了難度，容易造成洞口附近污染物質(zhì)量濃度超標[4]。

隨著人們環(huán)保意識的提高，對隧道等地下工程污染排放問題的關(guān)注度也逐漸提高。有研究指出，對于長大公路隧道，僅僅依靠通風(fēng)稀釋和增加豎井的方式來控制隧道污染物質(zhì)量濃度，其技術(shù)經(jīng)濟性很差[5-7]，也難以滿足城市用地、景觀以及其他環(huán)保方面的要求[8]。用機械通風(fēng)與隧道空氣凈化相結(jié)合的方式是治理公路隧道空氣污染的一個發(fā)展方向[5,9]。

目前國際上對于隧道空氣的凈化和過濾采用的主要技術(shù)是活性炭吸附、溶液吸收以及靜電除塵ESP技術(shù)，具體的安裝形式為旁通式、吊頂式以及洞口通風(fēng)塔[10]。凈化站設(shè)計的出發(fā)點主要是保障隧道內(nèi)能見度以及對隧道洞口污染物排放的控制，詳細見表1。而當發(fā)生火災(zāi)時，凈化站處于關(guān)閉，由隧道縱向射流通風(fēng)系統(tǒng)營造抑制煙氣擴散的臨界風(fēng)速。

表1 國際上凈化過濾裝置的安裝形式Table 1 Installation forms of purification devices internationally

20世紀90年代重慶大學(xué)與四川省交通廳合作，開展了隧道空氣凈化器的研究。研究表明，在實驗室條件下脈沖電暈放電技術(shù)能有效去除粉塵和CO[2,6]。另外，由納米技術(shù)及應(yīng)用國家工程研究中心牽頭的“十一五”國家科技支撐計劃“道路隧道空氣治理關(guān)鍵技術(shù)研究及示范工程應(yīng)用”，建立了模擬試驗臺，實現(xiàn)了“靜電除塵、CO常溫催化氧化、HC和NOx吸附凈化”為一體的過濾凈化技術(shù)[5-6]。

從國內(nèi)外研究進展來看，隧道空氣過濾凈化方面的研究主要集中在凈化和過濾技術(shù)本身，研究重點主要是凈化、過濾效率和阻力情況。從實際應(yīng)用情況來看，國內(nèi)還沒有實際投入使用的隧道空氣過濾凈化設(shè)備，國際上“旁通式”凈化站是主要應(yīng)用形式之一。然而在凈化站的氣流組織以及污染物的處理效果方面[9]，有些問題目前還缺乏相關(guān)研究，具體體現(xiàn)為：1)旁通式凈化站能否達到設(shè)計要求引入足夠的隧道風(fēng)量，其受主隧道環(huán)境的影響有多大。2)該段隧道是否會發(fā)生空氣短路，出現(xiàn)回流現(xiàn)象。3)凈化站如何運行才能實現(xiàn)最好的凈化效果。上述問題對隧道凈化站的設(shè)計和運行都非常重要。針對上述問題，本文建立包括主隧道、旁通風(fēng)道的CFD數(shù)值模型，對主隧道和旁通式凈化站的氣流組織、污染物分布進行研究，評估其凈化處理效果，以期為地下工程通風(fēng)和凈化的模擬研究提供借鑒。

1 模型和方法

1.1 凈化站結(jié)構(gòu)

圖1為旁通式凈化站的結(jié)構(gòu)。該凈化站共有2條旁通風(fēng)道，每條旁通風(fēng)道主要阻力和動力構(gòu)件包括：靜電除塵器、NO2過濾器(活性炭)、軸流風(fēng)機、消聲器以及配套的其他通風(fēng)設(shè)備。該凈化站運行時，軸流風(fēng)機開啟，從主隧道中引入部分風(fēng)量，經(jīng)過靜電除塵器、NO2過濾器等部件過濾凈化后排入主隧道與來流空氣混合。

圖1 旁通式凈化站結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of a bypass-type purification station

1.2 數(shù)學(xué)模型

本文通過數(shù)值模擬的方法，對隧道空氣的氣流組織以及凈化效果進行研究。連續(xù)性方程和動量方程描述隧道空氣流動情況，自定義標量方程描述污染物的擴散和傳播過程?？刂品匠倘缦?。

連續(xù)性方程：

(1)

動量方程：

(2)

湍流RNGk-ε方程：

(3)

(4)

自定義標量方程：

(5)

另外，為研究整段隧道的氣流組織和總體凈化效果，本文定義了凈化風(fēng)量比和總凈化效率2個概念，見式(6)和式(7)。

(6)

(7)

1.3 幾何模型以及邊界條件

模擬對象為旁通式凈化站以及主隧道局部段，圖2為該局部對象的CFD幾何模型和網(wǎng)格劃分情況，凈化站上游、下游主隧道的長度為200 m，主隧道為矩形截面，隧道高度為6.6 m，寬度為17.5 m，旁通風(fēng)道的長度約為145 m。網(wǎng)格劃分采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，數(shù)量約為28萬個，網(wǎng)格最大扭曲率小于0.67，另外通過設(shè)置邊界層網(wǎng)格，保證壁面無量綱距離y+約為105。六面體網(wǎng)格的劃分可以節(jié)省網(wǎng)格數(shù)量、提高網(wǎng)格質(zhì)量，既保證計算精度又節(jié)省計算資源。

(a) CFD 幾何模型

(b) CFD 網(wǎng)格劃分

湍流模型采用RNGk-ε模型，壁面為無滑移壁面，粗糙度為2.5 mm，壁面函數(shù)采用標準壁面函數(shù)，主隧道的出入口采用壓力邊界。凈化站中設(shè)備的阻力采用一維的Porous Jump模型進行模擬，由式(8)描述。旁通風(fēng)道中的突擴、突縮以及三通彎頭等，通過直接幾何建模的方式來描述其阻力情況。軸流風(fēng)機通過風(fēng)機性能曲線進行描述。邊界條件設(shè)置匯總見表2。

(8)

式中：Δp為通過阻力部件后的壓降，Pa；C2為壓降系數(shù)，量綱一的量；ρ為空氣密度，kg/m3;v為空氣流速，m/s; Δm為阻力介質(zhì)的長度，m。

表2 邊界條件Table 2 Boundary conditions

1.4 凈化器模型

在眾多的CFD代碼中并沒有直接用于模擬凈化器的模塊，為模擬旁通風(fēng)道中的NO2凈化器，本文通過自定義函數(shù)編程的方法(UDF方法)修改自定義標量方程式(5)中的源項，建立了NO2凈化器(活性炭)的計算模型，如圖3所示。由于該凈化站的結(jié)構(gòu)并非單一風(fēng)道，隧道空氣可能在主隧道出現(xiàn)回流的現(xiàn)象，即凈化器入口上游污染物質(zhì)量濃度隨著計算迭代的進行而不斷變化，故在CFD迭代計算過程中，為正確表達NO2的凈化效率，需要根據(jù)每個迭代步計算得到的污染物質(zhì)量濃度計算NO2的源項(匯)，該源項的大小取決于入口污染物質(zhì)量濃度以及來流風(fēng)量。

圖3 NO2凈化模型和CFD計算迭代流程Fig.3 Model of NO2 purifier and iterative process for CFD

1.5 模型工具與驗證

在進行旁通式凈化站的數(shù)值計算前，本文對所采用的FLUENT軟件進行模擬驗證。

模擬的對象為美國“紀念隧道”(The Memorial Tunnel),該隧道長度為853 m，隧道斷面為拱形截面，隧道出入口段為矩形截面。MTFVTP項目[11](Memorial Tunnel Fire Ventilation Test Program)對該隧道進行了大量的實驗測試，在冷態(tài)通風(fēng)實驗測試中，隧道分布5組相同的射流風(fēng)機，每組3臺，見圖4。

圖4 美國紀念隧道射流風(fēng)機布置Fig.4 Layout of jet fans in Memorial Tunnel in America

主要測試內(nèi)容為射流風(fēng)機開啟數(shù)量與其誘導(dǎo)的隧道縱斷面風(fēng)量的關(guān)系。實驗結(jié)果和本文所采用FLUETN軟件的模擬結(jié)果對比如表3所示。

表3 實驗與CFD模擬結(jié)果對比Table 3 Comparison between experiment results and CFD simulation results

在冷態(tài)通風(fēng)實驗中，實際上隧道內(nèi)還放置了用于火災(zāi)實驗的設(shè)備，且隧道壁面較粗糙，由于無法獲取這些要素的信息，在模擬中沒有考慮，故模擬結(jié)果較實驗測試結(jié)果偏高。

2 計算結(jié)果與分析

2.1 旁通站氣流組織

對于旁通式凈化站的設(shè)計，隧道空氣氣流組織狀況如何，是否發(fā)生“回流”是設(shè)計者非常關(guān)心的一個問題，因為該現(xiàn)象關(guān)系到污染物在隧道中的傳播以及凈化站的處理效果。當pt設(shè)置為5 Pa的情況下(下文中pt均表示主隧道入口總壓)，旁通式凈化站的氣流組織情況如圖5所示。

(a)速度分布(單位:m/s)(b)壓力分布(單位:Pa)(c)速度矢量(單位:m/s)(d)流線圖(單位:m/s)

圖5 旁通式凈化站氣流組織(pt=5 Pa)
Fig.5 Air distribution of bypass-type purification station (pt=5 Pa)

從圖5(a)和5(d)可以看到，大部分的隧道空氣被引入到2條旁通風(fēng)道中，隨后排回主隧道中，遠離旁通風(fēng)道的主隧道側(cè)壁出現(xiàn)明顯的回流現(xiàn)象。從圖5(c)矢量圖中，更加明顯地觀察到主隧道出現(xiàn)了多個局部渦旋，旁通風(fēng)道排回主隧道的空氣撞擊側(cè)壁面后發(fā)生回流，沿著側(cè)壁面往上游流動。另外，圖中該處風(fēng)速非常小，這是因為凈化站的存在打斷了隧道連續(xù)通風(fēng)排污的條件，使得與凈化站平行的主隧道段局部通風(fēng)量小，故此處容易出現(xiàn)局部污染質(zhì)量濃度升高的情況，在進行通風(fēng)凈化系統(tǒng)設(shè)計的時候應(yīng)該校核此處的污染物質(zhì)量濃度，特別是阻塞工況。從圖5(b)可以看到，主隧道的壓力分布范圍比較窄，而旁通風(fēng)道壓力分布差異明顯，最低壓力約為-1 160 Pa，最高壓力可達543 Pa。另外，空氣流經(jīng)各個阻力構(gòu)件后壓力下降明顯。

監(jiān)測各主要斷面流量發(fā)現(xiàn)，旁通風(fēng)道2臺風(fēng)機的流量均為216.2 m3/s，主隧道空氣流量為335.1 m3/s。比較可以判斷，當主隧道入口總壓為5 Pa時，主隧道(與旁通風(fēng)道對應(yīng)主隧道段)空氣凈流量為負值，即該隧道段空氣總體流動趨勢為從下游(旁通風(fēng)道出口)流向上游(旁通風(fēng)道入口)。

為進一步分析主隧道對旁通式凈化站軸流風(fēng)機運行情況的影響，設(shè)置了不同的計算工況(見表4)，邊界條件的設(shè)置同表2，計算結(jié)果見圖6。

由圖6可以看出，當主隧道入口總壓逐漸增大時，旁通風(fēng)道內(nèi)的2臺軸流風(fēng)機的風(fēng)量幾乎不變(約為216 m3/s)，可認為軸流風(fēng)機的運行幾乎不受主隧道環(huán)境的影響，這是因為旁通風(fēng)道的各個部件的阻力遠大于主隧道，風(fēng)機的工作狀態(tài)點主要由旁通風(fēng)道自身的阻力決定，也正因如此，凈化站的壓力變化范圍遠大于主隧道。

表4 計算工況Table 4 Cases for calculation

圖6 主要斷面風(fēng)量及凈化風(fēng)量比Fig.6 Air volume and ratio of purification air to the total

圖6表明，當主隧道入口總壓增大時，主隧道出口的風(fēng)量增大，由于旁通風(fēng)道軸流風(fēng)機風(fēng)量幾乎不變，凈化風(fēng)量比逐漸下降。當凈化風(fēng)量比高于100%時，說明主隧道來流風(fēng)量較小，旁通風(fēng)道對應(yīng)的“主隧道段”空氣凈流量為負值，總體流動為下游流向上游，出現(xiàn) “回流”現(xiàn)象。當凈化風(fēng)量比小于100%時，凈化站只引入部分隧道空氣，旁通風(fēng)道對應(yīng)的“主隧道段”空氣凈流量為正值，總體流動為從上游流動到下游。

不同入口總壓下主隧道流場見圖7?？梢钥闯?，當主隧道入口總壓大于10 Pa時，凈化風(fēng)量已經(jīng)小于100%，主隧道段總體流動為上游流向下游，依然出現(xiàn) “回流”現(xiàn)象，特別是遠離旁通風(fēng)道的主隧道側(cè)壁面，出現(xiàn)空氣貼壁回流的現(xiàn)象。

2.2 旁通站凈化效果

在隧道實際運行中通過控制主隧道的來流風(fēng)量，可保證較高的凈化風(fēng)量比，但是不同的來流風(fēng)量通風(fēng)稀釋效果不同。高凈化風(fēng)量比意味著較差的通風(fēng)稀釋效果。NO2凈化效果見圖8。以NO2污染氣體為例，設(shè)置了表4相同的7個工況，研究該凈化站的凈化效果。

隧道入口處NO2的釋放量均為1 000 mg/s，壁面處污染物擴散通量為0，NO2凈化器的凈化效率設(shè)置為80%。當主隧道空氣進入旁通風(fēng)道，經(jīng)過NO2凈化器處理后顯著降低，該工況下短旁通風(fēng)道受到 “回流”影響，其入口NO2質(zhì)量濃度較長旁通風(fēng)道低，2條凈化風(fēng)道的負荷不同。計算結(jié)果見圖9及表5。

(a) 工況2(pt=5 Pa)

(b) 工況3(pt=10 Pa)

(c) 工況5(pt=20 Pa)

(d) 工況6(pt=30 Pa)

圖8 NO2凈化效果(工況0， pt=0)Fig.8 Purification effect of NO2(condition 0， pt=0)

圖9 隧道進出口NO2質(zhì)量濃度、總凈化效率Fig.9 NO2 concentration at tunnel entrance/exit and total purification efficiency

表5 各工況下NO2質(zhì)量濃度以及總凈化效率Table 5 NO2 concentration under different cases and total purification efficiency

從圖9及表5可以看出，當入口總壓增大時，入口處NO2質(zhì)量濃度逐漸降低，這是因為隨著入口總壓增大，隧道進出口壓差增大，導(dǎo)致主隧道風(fēng)量增大(見圖6主隧道風(fēng)量)，通風(fēng)的稀釋效果增強。另外，隨著入口總壓增大，隧道出口NO2質(zhì)量濃度呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢；NO2的總凈化效率隨著來流風(fēng)量的增大而降低。當入口總壓為10 Pa時，出口處的NO2質(zhì)量濃度最低，為0.474 mg/m3，此時NO2總凈化效率為79.76%。考慮通風(fēng)稀釋以及凈化效果2種因素的作用，當凈化風(fēng)量等于來流風(fēng)量時，即凈化風(fēng)量比為100%時，旁通式凈化站的凈化效果最好。

2條旁通風(fēng)道NO2凈化器入口的質(zhì)量濃度監(jiān)測結(jié)果(見表5)表明：1)當入口總壓≤10 Pa時，2條旁通風(fēng)道的入口質(zhì)量濃度不一致，短旁通風(fēng)道受到回流的影響較大，其入口質(zhì)量濃度較低; 2)當入口總壓≥15 Pa時，對短旁通風(fēng)凈化器入口的NO2質(zhì)量濃度幾乎沒有影響。

3 結(jié)論與建議

本文通過數(shù)值模擬的方法，對城市公路隧道旁通式凈化站進行CFD建模。針對隧道阻力構(gòu)件，采用了一維Porous Jump模型進行模擬；針對旁通風(fēng)道風(fēng)機，采用了風(fēng)機曲線進行描述；針對NO2傳播，采用了自定義標量方程的方法進行模擬；針對凈化器的模擬，建立了凈化器數(shù)值模型。

通過設(shè)置不同工況，采用FLUENT軟件模擬了旁通式凈化站在不同來流風(fēng)量條件下的氣流組織，分析了凈化站的凈化效果，主要結(jié)論如下。

1)旁通風(fēng)道中軸流風(fēng)機的運行風(fēng)量不受主隧道環(huán)境影響，其工作狀態(tài)點主要取決于旁通風(fēng)道內(nèi)各個構(gòu)件的阻力。

2)由于軸流風(fēng)機風(fēng)量幾乎維持不變，當來流風(fēng)量小于2臺軸流風(fēng)機風(fēng)量和時，旁通風(fēng)道對應(yīng)的“主隧道段”總體流動趨勢為從下游流動到上游；當來流風(fēng)量大于2臺軸流風(fēng)機風(fēng)量和時，“主隧道段”空氣由上游流向下游。

3)當旁通風(fēng)道對應(yīng)的“主隧道段”空氣從上游流向下游時，不能完全避免“回流”現(xiàn)象，該“主隧道段”依然存在局部渦旋，特別是在側(cè)壁面處。

4)綜合考慮通風(fēng)稀釋和凈化2種作用因素，當凈化風(fēng)量比為100%時，盡管總凈化效率不是最高，但是出口處的污染物質(zhì)量濃度最低，此時凈化效果最佳。

通過研究發(fā)現(xiàn)，隧道凈化處理效果和凈化站的氣流組織密切相關(guān)，通風(fēng)量和凈化風(fēng)量在相匹配的情況下才能達到較好的處理效果。

需要說明的是，本文模擬研究對象是凈化站所處的隧道段，并且通過設(shè)置不同壓力來直接模擬上游隧道的來流情況，實際上，主隧道中的空氣流量是由隧道形狀、隧道通風(fēng)系統(tǒng)運行情況、車流情況決定的，本文未反映這些因素是如何影響隧道通風(fēng)凈化的。未來可進一步研究通風(fēng)系統(tǒng)和凈化系統(tǒng)如何匹配運行才能適應(yīng)不同的隧道與交通情況。

另外，由于目前國內(nèi)缺乏相關(guān)工程實例，采用凈化站進行隧道空氣處理的技術(shù)經(jīng)濟性和適用條件也需要進一步地研究分析。

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Numerical Simulation of Air Distribution and Analysis of Purifying Effect of Bypass-type Purification Station in Highway Tunnel

LIN Yanqing1,CHANG Jun2,LI Yan2,LI Xianting1,*

(1.LaboratoryofIndoorAirQualityEvaluationandControl,SchoolofArchitecture,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China; 2.BeijingMunicipalEngineeringDesign&ResearchInstituteCo.,Ltd.,Beijing100082,China)

A numerical model based on computational fluid dynamic software FLUENT is established to simulate the air distribution and purifying effect under different air pressures in both the tunnel and the bypass-type purification station.It is shown that:1) The air flow rate of bypass tunnel only depends on the resistance of equipments and fan performance rather than the condition of main tunnel.2) When the upstream air flow rate is less than that of the station,“backflow” phenomenon occurs and results in unbalanced purifying load of the two bypass tunnels.3) When the air flow rate of the station to the main tunnel is 100%,the purifying effect is the best.The study results can provide reference for design and operation of ventilation and purification system of underground works in the future.

highway tunnel; bypass-type purification station; air purification; air distribution; FLUENT

2016-12-23;

2017-03-26

國家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體項目“室內(nèi)環(huán)境營造的基礎(chǔ)科學(xué)問題”(51521005)

林炎頃(1990—)，男，廣東揭西人，清華大學(xué)土木工程(暖通方向)專業(yè)在讀碩士,主要研究方向為公路隧道污染物排放控制。E-mail:linyq14@mails.tsinghua.edu.cn。*通訊作者：李先庭， E-mail:xtingli@tsinghua.edu.cn。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.06.006

U 45

A

1672-741X(2017)06-0684-07