劉慶平 馮 煉

長大公路隧道噴霧降溫可行性分析

劉慶平 馮 煉

（西南交通大學 成都 610031）

對于長大公路隧道，由于縱向通風的距離較大，而行駛的機動車產(chǎn)生的熱量積聚在隧道內，以至于在隧道縱向方向空氣溫度不斷升高，可能會影響行車安全。參考江蘇某隧道建立了長大公路隧道三維溫度場模型，利用fluent軟件，模擬分析了長大隧道在正常運營通風情況下的溫度場分布。并在此基礎上，加入了空氣相對濕度的計算，利用Fluent的DPM（離散相模型）對隧道通風時加入噴霧以后的溫度場進行了模擬。結果表明：噴霧降溫的方式可以有效地控制隧道內的溫升情況。

長大公路隧道；數(shù)值模擬；噴霧降溫；溫度場

0 引言

隨著公路隧道向長大化方向的發(fā)展，行車密度的加大，根據(jù)現(xiàn)有規(guī)范[1]，隧道內通風量是由稀釋隧道內CO和煙霧等污染物濃度決定。一般說來，對于交通流量不是太大或長度較短的中小型隧道而言，洞內通風量在保證空氣品質達到一定標準后，隧道內空氣溫度也不會帶來太多的問題。所以以往的城市道路隧道通風設計中一般都不考慮溫度因素的影響。事實上，當車輛在隧道內行駛時，汽油或柴油燃燒后，向隧道內排出廢氣的同時亦向周圍排出大量的廢熱，排熱量能使洞內溫度升高。在較短隧道中，隧道升溫的矛盾不是特別突出，但在炎熱夏季，對于交通比較繁忙的長大隧道，尤其是在土壤及隧道結構散熱條件不是很好的情況下，對隧道內溫度的控制就不能忽略了。

通常情況下，一旦氣溫達到40℃以上，機動車發(fā)動機的工作效能會降低，可能引起汽車有路電路故障、水箱溫度上升，從而導致汽車拋錨引起事故[2]。車輛在隧道內發(fā)生故障或者事故，以及隧道內需要施工人員對隧道進行維護，一部分人將在隧道內逗留較長的時間，由相關熱環(huán)境理論可知，人在高溫環(huán)境中的逗留時間不宜過長，參考各項因素[3]，公路隧道內溫度可見表1。

表1 公路隧道空氣溫度標準

近年來，噴霧降溫作為一種新型的降溫方式，降溫效果好，耗電量低，不產(chǎn)生其他污染物，是一種高效節(jié)能的降溫裝置，逐漸受到人們的重視。

1 長大公路隧道溫度場預測

1.1 物理模型

參考江蘇某隧道，利用ICEM軟件，建立了長大公路隧道三維溫度場模型，隧道截面如圖1所示，截面面積為115m2；隧道縱向長度為7210m，豎井位于距離隧道出口180m處。

圖1 隧道物理模型

1.2 計算參數(shù)選取

本次模擬計算重點考慮汽車在隧道內行駛過程中的排出的尾氣和車體本身的散熱量。汽車在行駛過程中排出大量的廢氣，現(xiàn)代汽油車發(fā)動機的有效熱效率約為35%，柴油車發(fā)動機的有效熱功率約為40%，汽油的燃料熱值約為43.5MJ柴油的燃料熱值約為40.2～44.4MJ。

汽車行駛過程中的散熱量很大程度上去取決于隧道的交通量，隧道高峰小時預測交通量[4]下單位長度的散熱量如圖2所示。

參考相關規(guī)范[5,6]，選取以下數(shù)據(jù)作為本論文模擬的隧道外氣象參數(shù)。夏季通風室外計算溫度31.3℃；相對濕度70%；隧道材料為混凝土，襯砌厚度為1.5m，密度為2500kg/m3，導熱系數(shù)為1.74W/（m·℃）。

圖2 隧道預測交通量下隧道內單位長度散熱量

單向長大公路隧道的通風狀況由隧道自身的條件及隧道的交通量等因素共同確定，根據(jù)《公路隧道通風設計細則》所提供的特長公路隧道通風條文和計算方法，計算得到隧道在不同年份交通量下的通風參數(shù)[4]，如表2所示。

表2 隧道南線在不同年份交通量下的通風參數(shù)

1.3 模擬結果

圖3 隧道空氣沿長度方向上溫度分布

由圖3可看出，隨著隧道長度的增加，車輛運行過程中散發(fā)的熱量在隧道內無法及時排出而逐漸積聚，溫度隨長度的增加而逐漸升高。

對于預測的高峰小時交通量比較大的時候，此時隧道內單位長度的排熱量也比較大。由模擬結果可以看出，當隧道內排熱量較大同時隧道內需風量如果只取決于釋隧道內CO和煙霧等污染物濃度，此時無法很好的控制隧道內的溫度。也就是說，交通量比較大而需風量取值僅僅是為了控制污染物濃度時，隧道內空氣的溫度很有可能超過45℃。

2 噴霧降溫可行性分析

2.1 噴嘴流量的選取

霧滴顯熱吸熱量+霧滴氣化潛熱吸熱量=隧道內空氣傳遞給霧滴的熱量

式中：為隧道內產(chǎn)熱量；為隧道內總噴霧質量流量；為隧道入口空氣體積流量；ρc為空氣熱容；為霧滴氣化潛熱；為噴嘴斷面處空氣干球溫度；0為水的初始溫度；c為水的定壓比熱。

取隧道內的通風量為629.65m3/s，水的汽化潛熱為2500kJ/kg，空氣的密度為1.2kg/m3，水的定壓比熱為4.18kJ/（kg·K），設空氣的干球溫度為38℃，相對濕度為60%。

2.2 霧滴粒徑大小的選擇

霧滴在蒸發(fā)分為2個過程，霧滴加熱升溫過程和霧滴穩(wěn)態(tài)蒸發(fā)過程，霧滴由粒徑d蒸發(fā)至d0的時間[7]可由下式表示：

式中：為時間；為液體密度；為環(huán)境溫度；為霧滴初始直徑；0為霧滴蒸發(fā)后直徑；為液體分子重量；P為水蒸氣的飽和分壓力；為霧滴周圍空氣壓力；為擴散系數(shù)。

霧滴在穩(wěn)定狀態(tài)下，則霧滴的溫度[7]可由以下方程式計算：

（3）

式中：T霧滴穩(wěn)定狀態(tài)溫度；為水的蒸發(fā)潛熱。K空氣的熱傳導系數(shù)。

霧滴由于重力的作用，會在空氣中向下運動，但由于摩擦阻力等力的存在，霧滴的速度會逐漸降低，直到霧滴的阻力與重力達到平衡，此時的速度為霧滴的下降速度或稱終端速度。單顆霧滴下降速度[8]下式計算：

式中：V為顆粒下降速度；ρ為空氣密度；C為阻力系數(shù)，可由下式計算，此式適用于層流及紊流。

由上述公式，即可計算不同大小霧滴完全蒸發(fā)時所需下降高度。實際霧滴在隧道內的運動要復雜的多，霧滴在隧道中不斷蒸發(fā)，本身的粒徑不斷變小，也可能與其他霧滴相互碰撞轉化為大顆粒霧滴，另外隧道內的空氣處于紊流流動，在一定程度上也會改變霧滴的運動軌跡。

2.3 物理模型和噴嘴布置

噴嘴霧化模型選用solid-cone霧化噴嘴，噴嘴條件設置為每個噴嘴流量0.0245kg/s，霧滴平均粒徑大小為50μm，模擬在500m長的隧道空間內進行，每50m為一個截面，每個界面均勻設置3個噴嘴，噴嘴設置在距離地面6m的高度處，噴口擴散角為50℃，垂直向下噴出霧滴，水溫為30℃。忽略隧道內的產(chǎn)濕量，隧道內初始的空氣溫度為38℃，相對濕度為60%。

圖4 噴霧噴嘴布置主視圖

圖5 噴霧降噴嘴布置左視圖

2.4 噴霧降溫前后溫度場對比

圖6 噴霧前縱向方向上溫度場分布

圖7 噴霧后縱向方向上溫度場分布

由于隧道加載的內熱源的存在，噴霧前隧道內空氣溫度隨著縱向長度的增大而逐漸升高。噴霧前后出口截面平均溫度差約2℃；由于熱浮升力的影響，熱空氣向上運動，在近地面處噴霧前后最大溫差可達到4～5℃。由前文對霧滴運動軌跡的分析可知，霧滴從噴嘴噴出以后，速度迅速衰減，之后受周圍空氣的影響，跟隨空氣運動，噴霧后模擬區(qū)域的后部分的降溫效果明顯，所以采用噴霧降溫的方式是可行的。

3 結論

本文通過對長大公路隧道進行三維建模，然后利用fluent對正常運營狀態(tài)下的隧道溫度場進行模擬預測，結果顯示車輛運行過程中散發(fā)的熱量在隧道內無法及時排出而逐漸積聚，溫度隨長度的增加而逐漸升高。從模擬結果來看，當交通量比較大而需風量取值僅僅是為了控制污染物濃度時，隧道內空氣的溫度很有可能超過45℃。

在對溫度場模擬的基礎上，加入了空氣相對濕度的計算，利用Fluent的DPM（離散相模型）對隧道通風時加入噴霧以后的溫度場進行了模擬。結果表明：噴霧前后出口截面平均溫度差約2℃；由于熱浮升力的影響，熱空氣向上運動，在近地面處噴霧前后最大溫差可達到4～5℃。噴霧后模擬區(qū)域的后部分的降溫效果明顯，所以采用噴霧降溫的方式是可行的。

[1] JTJ 026.1-1999,公路隧道通風照明設計規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2000.

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[8] Holterman H J. Kinetics and evaporation of water drops in air[J]. 2003.

Feasibility Analysis of Spray Cooling for Long Highway Tunnel

Liu Qingping Feng Lian

( School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu, 610031 )

For long highway tunnels, due to the large distance of longitudinal ventilation and the heat generated by driving vehicles accumulates in the tunnel, so that the air temperature in the direction of tunnel ventilation increases continuously, which may affect the driving safety. In this paper, a three-dimensional temperature field model of a long highway tunnel is established with reference to a tunnel in Jiangsu Province. Using FLUENT software, the temperature field distribution of the long tunnel under normal operation ventilation is simulated and analyzed. On the basis of this, the calculation of relative humidity of air is added, and the temperature field of tunnel ventilation is simulated by using DPM (discrete phase model) of Fluent. The results show that spray cooling can effectively control the temperature rise in the tunnel.

Long highway tunnel; numerical simulation; spray cooling; temperature field

U435.5

A

1671-6612（2020）05-577-04

劉慶平（1995-），女，在讀碩士研究生，E-mail：2627782376@qq.com

馮 煉（1964-），女，博士，教授，E-mail：lancyfeng90@163.com

2019-11-27