王建華， 任 會(huì)， 張 泉

(1.湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司, 湖南 長(zhǎng)沙 410200； 2.湖南大學(xué)， 湖南 長(zhǎng)沙 410082)

1 概述

隧道是交通通道中重要的結(jié)點(diǎn)，對(duì)于縮短路程、降低能耗起著至關(guān)重要的作用，然而維持隧道安全運(yùn)營(yíng)的電氣照明及機(jī)械通風(fēng)卻又十分耗能，特別是長(zhǎng)大隧道，通風(fēng)設(shè)備耗能往往達(dá)到了60%以上。在能源問題十分嚴(yán)峻的今天，有效減少長(zhǎng)大隧道通風(fēng)設(shè)備，降低隧道運(yùn)營(yíng)能耗顯得非常重要和緊迫。本文以湖南長(zhǎng)永高速星沙段下穿城市改造項(xiàng)目為依托，研究將本需要機(jī)械通風(fēng)的下沉式長(zhǎng)大隧道通過洞頂開孔的方式用自然通風(fēng)解決隧道通風(fēng)換氣問題，以達(dá)到節(jié)能減碳的目的。

長(zhǎng)永高速星沙段下穿城市改造項(xiàng)目采用框架結(jié)構(gòu)連接長(zhǎng)永高速公路南北兩側(cè)，頂部設(shè)計(jì)為休閑廣場(chǎng)，下部為高速公路，蓋頂部位總長(zhǎng)度為1 650 m，全線隧道按雙洞六車道高速公路設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)行車速度100 km/h。該隧道采用洞頂開孔與設(shè)置遮光板相結(jié)合的方式(見圖1)，在保證行車安全的前提下充分利用自然通風(fēng)和太陽光，減少風(fēng)機(jī)和燈具的運(yùn)行能耗。本文主要對(duì)該隧道通風(fēng)節(jié)能進(jìn)行研究。

圖1 隧道結(jié)構(gòu)示意圖

2 研究模型

在單向交通情況下，隧道內(nèi)行駛車輛所產(chǎn)生的交通通風(fēng)力是洞內(nèi)通風(fēng)最重要的一種動(dòng)力。當(dāng)交通通風(fēng)力足夠時(shí)，全封閉的中短隧道不設(shè)置機(jī)械通風(fēng)，采用自然通風(fēng)即可滿足換氣要求。而當(dāng)隧道更長(zhǎng)時(shí)，如本項(xiàng)目為1 650 m長(zhǎng)隧道，全封閉情況下利用交通通風(fēng)力已無法滿足隧道通風(fēng)換氣要求?？紤]到本項(xiàng)目隧道頂沒有其它構(gòu)造物，如果隧道頂敞開足夠多，則仍然可采用自然通風(fēng)，因此本文就隧道頂部開孔相對(duì)較小的前提下，研究充分利用交通通風(fēng)力而達(dá)到不采用機(jī)械通風(fēng)的目的。

2.1 研究方法

通過建立模型并加入汽車簡(jiǎn)化模型，運(yùn)用FLUENT軟件強(qiáng)大的計(jì)算能力和動(dòng)網(wǎng)格計(jì)算技術(shù)進(jìn)行模擬，以汽車尾部作為污染物排放源，得到汽車運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的交通通風(fēng)力隧道內(nèi)氣流分布以及污染物濃度分布情況，利用隧道頂開孔加快氣流交換，使洞內(nèi)污染物濃度降低到允許范圍，從而達(dá)到不設(shè)置機(jī)械通風(fēng)的目的。

2.2 模型建立

隧道內(nèi)空氣視為不可壓縮流體，空氣流視為不隨時(shí)間變化的恒定流，汽車行駛同樣視為恒定流。

隧道全長(zhǎng)1 650 m，左側(cè)為入口，右側(cè)為出口。隧道頂按位置要求布置9個(gè)風(fēng)口，風(fēng)口尺寸為10 m×6 m，縱向設(shè)置位置如表1所示。受項(xiàng)目3處跨線橋位置的影響，風(fēng)口非縱向均勻布置。汽車模型共7個(gè)，每個(gè)相距90 m，開始時(shí)刻位于隧道入口，汽車模型用6 m×2.5 m×2 m的立方體來模擬，汽車后面帶一個(gè)2.4 m×2.5 m×2 m的方體，作為CO氣體的散發(fā)源。各散發(fā)源所釋放CO為各計(jì)算行車速度下總CO排放量的1/7。隧道模型見圖2。

表1 右線風(fēng)口縱向設(shè)置位置表m入口樁號(hào)風(fēng)口1風(fēng)口2風(fēng)口3風(fēng)口4風(fēng)口5風(fēng)口6風(fēng)口7風(fēng)口8風(fēng)口9出口樁號(hào)02103304906108409601 0801 3201 4401 650

圖2 隧道模型示意圖

2.3 模擬計(jì)算

由于交通風(fēng)引起的隧道內(nèi)流場(chǎng)非常復(fù)雜，在實(shí)際研究中無法直接計(jì)算得到速度場(chǎng)和濃度場(chǎng)達(dá)到平衡時(shí)的情況，為此，通過研究連續(xù)的N次汽車流(7輛汽車組成)通過隧道后隧道場(chǎng)參數(shù)的變化情況來近似獲取，并得到其變化趨勢(shì)。通過實(shí)際計(jì)算，每2輛車相距90 m、車速為40 km/h時(shí)，任意時(shí)刻隧道內(nèi)汽車輛數(shù)均接近50，所以選擇7輛汽車是保守的。

2.3.1隧道內(nèi)速度場(chǎng)模擬分析

污染物在湍流氣流作用下的擴(kuò)散相比自身濃度梯度引起的擴(kuò)散作用大得多，因此，首先分析隧道內(nèi)的氣流速度場(chǎng)。分別模擬隧道內(nèi)汽車以20、40、60 km/h速度通過N次(本次計(jì)算中N取10)，得到隧道內(nèi)各種速度下,汽車各通行次數(shù)的風(fēng)速場(chǎng)模擬云圖。因篇幅限制，僅截取40 km/h時(shí)速下通過第5次和第6次汽車流所得到的速度場(chǎng)模擬云圖(見圖3、圖4)。

圖3 40 km/h下第5次汽車流通過時(shí)隧道內(nèi)速度場(chǎng)云圖(局部)

圖4 40 km/h下第6次汽車流通過時(shí)隧道內(nèi)速度場(chǎng)云圖(局部)

分析模擬數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)隧道內(nèi)風(fēng)速在汽車流通過5、6次后趨于穩(wěn)定，因此以第6次為穩(wěn)定狀態(tài)，將所獲各監(jiān)測(cè)面的風(fēng)速值計(jì)入表格，比較20、40、60 km/h時(shí)速下的隧道風(fēng)速場(chǎng)(見表2)。

表2 不同車速風(fēng)速場(chǎng)穩(wěn)定時(shí)各截面全程均風(fēng)速變化數(shù)據(jù)表監(jiān)測(cè)點(diǎn)x/m以下車速時(shí)均風(fēng)速值/(m·s-1)20 km·h-140 km·h-160 km·h-12000.56 1.07 1.63 4000.78 1.43 2.206001.21 2.26 3.52 8001.35 2.51 3.94 1 0001.31 2.55 3.76 1 2001.21 2.38 3.70 1 4001.13 2.07 3.31 1 6000.97 1.78 2.86

從表2可以看出，車流速度為20 km/h情況下，隧道內(nèi)風(fēng)速最小，平均值約為1.0 m/s;40 km/h時(shí)，風(fēng)速平均值增大到約2.0 m/s;當(dāng)車流速度達(dá)到60 km/h時(shí)，隧道內(nèi)風(fēng)速最大，均值約為3.0 m/s，全程有近1/2區(qū)段風(fēng)速達(dá)3.5 m/s。因此，在保證汽車安全行駛的條件下，隧道內(nèi)的高風(fēng)速對(duì)于排出CO氣體污染物十分有利。

2.3.2隧道內(nèi)污染物濃度場(chǎng)場(chǎng)模擬結(jié)果分析

交通風(fēng)影響下隧道內(nèi)污染物CO濃度場(chǎng)分布復(fù)雜。車速為40 km/h、排污量為0.034 m3/s的情況下，隧道內(nèi)依次通過5、6次汽車流而得到其內(nèi)部CO濃度分布云圖，見圖5、圖6。

從圖5、圖6可以看出，隧道內(nèi)污染物分布較為集中，主要分布在汽車尾部一段較長(zhǎng)距離范圍內(nèi)。該區(qū)域內(nèi)，污染物濃度較大，而在隧道其他區(qū)域，污染物濃度較小。同時(shí)由于風(fēng)速場(chǎng)趨于穩(wěn)定，隧道內(nèi)污染物濃度場(chǎng)也趨于穩(wěn)定。

圖5 第5次汽車流通過時(shí)CO濃度分布云圖(局部)

圖6 第6次汽車流通過時(shí)CO濃度分布云圖(局部)

同風(fēng)速場(chǎng)分析，以第6次汽車流為穩(wěn)定狀態(tài)，將獲取各監(jiān)測(cè)面的CO濃度均值計(jì)入表格，比較20、40、60 km/h車速下的隧道CO濃度分布(見表3)。

表3 不同車速濃度場(chǎng)穩(wěn)定時(shí)各截面全程均污染物濃度變化數(shù)據(jù)表監(jiān)測(cè)點(diǎn)x/m以下車速時(shí)污染物濃度值/10-620 km·h-140 km·h-160 km·h-120034934001083016600180522580023371351 0002989043 1 200344108511 400371120541 60039212747

在原本清潔的隧道內(nèi)，汽車流產(chǎn)生的污染物CO能迅速較強(qiáng)地影響隧道內(nèi)空氣環(huán)境，并在一定次數(shù)的汽車流通過后趨于穩(wěn)定。穩(wěn)定后，隧道內(nèi)的污染物濃度隨隧道縱向成近似線性分布，即縱向深度越大，污染物濃度越大，結(jié)合流體力學(xué)知識(shí)，交通風(fēng)場(chǎng)的遷移作用是其主要原因。

由表3可知，當(dāng)車速為20 km/h的穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，隧道內(nèi)的污染狀況仍然嚴(yán)重，隧道800～1600 m縱深范圍內(nèi)污染物CO濃度均超過200×10-6，隧道出口處濃度甚至達(dá)到最大的392×10-6。當(dāng)車速提高到40 km/h和60 km/h時(shí)，整條隧道內(nèi)污染物濃度均較小，最大值出現(xiàn)在隧道出口位置；40 km/h時(shí)CO濃度為127×10-6，60km/h時(shí)CO濃度為54×10-6，均小于規(guī)范要求濃度150×10-6。

考慮到高速公路單向行車速度小于30 km/h的行車概率非常低，且可以通過監(jiān)控手段最大程度地避免，研究可以判定本隧道采用洞頂開孔換氣的自然通風(fēng)方式有效可行，不需要使用通風(fēng)機(jī)進(jìn)行機(jī)械通風(fēng)。

2.3.3頂部風(fēng)口大小確定

根據(jù)流體力學(xué)可知，隧道頂部開口越多越大，越有利于隧道通風(fēng)換氣。通過模擬計(jì)算不同尺寸大小的通風(fēng)口(4 m×6 m、6 m×6 m、10 m×6 m、16 m×6 m)，其中小尺寸通風(fēng)口(4 m×6 m、6 m×6 m)在40 km/h工況下出現(xiàn)出口段污染物超標(biāo)，16 m×6 m尺寸通風(fēng)口效果較10 m×6 m尺寸通風(fēng)口顯著提高?？紤]到工程實(shí)際，本著從更為安全的角度出發(fā)，在盡量減少對(duì)隧道洞頂休閑廣場(chǎng)功能影響的情況下，確定共設(shè)置9個(gè)15 m×9 m的橢圓形風(fēng)口。

4 節(jié)能效益

經(jīng)計(jì)算，本隧道如采用機(jī)械通風(fēng),需要設(shè)置16臺(tái)30 kW的射流風(fēng)機(jī)，而采用自然通風(fēng)可直接減少前期設(shè)備投資145萬元，減少后期每年運(yùn)營(yíng)用電約1.1 MW，折合減少燃燒標(biāo)準(zhǔn)煤440 t，減少CO2排放1 097 t、減少SO2排放33 t。

5 結(jié)論

本項(xiàng)目下沉式長(zhǎng)大隧道采用洞頂開孔自然通風(fēng)方式，通過計(jì)算模擬研究可知：

1) 在充分利用隧道內(nèi)行駛車輛交通通風(fēng)力的情況下，隧道內(nèi)會(huì)產(chǎn)生較大的活塞風(fēng)，有利于隧道內(nèi)有害氣體及污染物向外界擴(kuò)散。

2) 通過運(yùn)用Fluent軟件動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)研究，得到隧道內(nèi)車輛通行的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)模擬情況以及不同車速與通風(fēng)量、隧道內(nèi)污染物濃度分布之間關(guān)系。

3) 隧道內(nèi)行車在非阻滯工況下(行車速度V>30 km/h)，不采用機(jī)械通風(fēng)，通過洞頂開孔，可降低洞內(nèi)污染物濃度，滿足隧道環(huán)保要求。

4) 采用自然通風(fēng)方式減少風(fēng)機(jī)使用，不僅降低了工程投資和運(yùn)營(yíng)成本，還達(dá)到了節(jié)能減排目的，該研究可為類似隧道設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，通過示范推廣，將產(chǎn)生明顯的社會(huì)與經(jīng)濟(jì)效益。