胡北

摘 要：在較為密閉的公路隧道中，其污染物來(lái)源于汽車尾氣的排放，分別為一氧化碳、氮級(jí)化物和顆粒物等。一氧化碳極易與人體的血紅蛋白結(jié)合，造成組織窒息，對(duì)人體全身細(xì)胞均有毒性作用。二氧化氮可增強(qiáng)哮喘受試者對(duì)非特異性藥物和過(guò)敏源的支氣管反應(yīng)，這些均會(huì)對(duì)人體造成傷害。因此文章研究隧道內(nèi)污染物分布規(guī)律，得出隧道內(nèi)污染物分布情況，為降低隧道內(nèi)人員受污染程度提供新的思路和方法。

關(guān)鍵詞：祥和隧道;污染物;數(shù)值模擬;車流工況劃分;交通風(fēng);計(jì)算流體力學(xué)

0 引言

祥和隧道為典型的雙洞分離式長(zhǎng)隧道，其內(nèi)車流量較大，車輛排放較多尾氣嚴(yán)重影響隧道內(nèi)人員安全。為改善隧道運(yùn)營(yíng)期間空氣質(zhì)量，保障內(nèi)部人員安全，對(duì)祥和隧道進(jìn)行污染物分布規(guī)律研究很有必要[1-3]。

國(guó)內(nèi)關(guān)于公路隧道污染物濃度分布方面的研究仍處于探索階段。胡宇峰等[4]研究了汽車隧道內(nèi)空氣流動(dòng)及污染擴(kuò)散問(wèn)題，對(duì)隧道內(nèi)各種通風(fēng)豎井進(jìn)行簡(jiǎn)化，建立了隧道內(nèi)空氣總的運(yùn)動(dòng)方程;重慶大學(xué)雷玉勇等[5]對(duì)公路隧道內(nèi)的空氣污染物來(lái)源進(jìn)行了研究，認(rèn)為CO，NO和顆粒物是隧道內(nèi)的主要污染物。本文根據(jù)依托項(xiàng)目對(duì)運(yùn)營(yíng)期間隧道污染物分布規(guī)律進(jìn)行研究。

1? ? 工程概況

祥和隧道為雙洞分離式長(zhǎng)隧道，其長(zhǎng)度為1 792 m/1 654 m，地處杭紹臺(tái)高速南部，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，隧道內(nèi)車流量較大，車輛尾氣產(chǎn)生較多污染物，影響洞內(nèi)人員安全。

由于實(shí)際交通情況復(fù)雜多變，數(shù)值模擬根據(jù)交通擁堵?tīng)顟B(tài)劃分交通流仿真工況。參考Skycomp的擁堵評(píng)價(jià)體系，劃分3種仿真工況，分別為自由流工況、輕度擁堵工況、中度擁堵工況。對(duì)應(yīng)的行駛速度分別為85 km/h、60 km/h以及40 km/h。3種工況內(nèi)的平均車隊(duì)長(zhǎng)度為420 m。3種交通流下，每條車道的平均車輛間距分別為85 m、55 m以及35 m。每一類交通流工況再根據(jù)車型占比不同細(xì)分3類，交通流全部工況如表1所示。工況5的車流模型如圖1所示（根據(jù)隧道左洞建立模型）。

2? ? 理論方法

文章采用數(shù)值模擬方法以得到隧道污染物在不同交通流下的分布情況，根據(jù)祥和隧道預(yù)測(cè)交通流組成，借用COPERT IV模型，建立起祥和隧道污染物排放模型，計(jì)算分析不同工況下不同污染物在祥和隧道內(nèi)的宏觀分布規(guī)律。

（1）建立祥和隧道模型（模型四周均為大氣壓力邊界條件，不考慮排出廢氣溫度與環(huán)境溫度差值），利用Fluent仿真軟件進(jìn)行隧道污染物排放仿真：選取不同交通流量工況下對(duì)應(yīng)的隧道洞口風(fēng)速作為隧道洞口進(jìn)排風(fēng)速度，根據(jù)污染物質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布圖，分析祥和隧道不同進(jìn)排風(fēng)速度下污染物擴(kuò)散的基本規(guī)律，確定污染物敏感點(diǎn)。

（2）該模型分為兩個(gè)區(qū)域：一個(gè)包含整個(gè)解決方案域的背景區(qū)域和幾個(gè)包含移動(dòng)車輛的過(guò)高區(qū)域。對(duì)于背景區(qū)域，天花板、風(fēng)扇、隧道內(nèi)外的地板以及垂直方向上的表面被視為處于防滑墻狀態(tài)。將隧道入口和除外部區(qū)域中的地板以外的所有表面設(shè)置為零靜壓力的壓力出口。其他表面設(shè)置為對(duì)稱平面。對(duì)于超車區(qū)域，假定轎廂表面處于防滑墻狀態(tài)。車輛排氣管被設(shè)置為速度出口。根據(jù)覆蓋網(wǎng)格方法，將其他曲面設(shè)置為覆蓋網(wǎng)格界面。

3 結(jié)果與討論

根據(jù)不同工況下的數(shù)值模擬結(jié)果得到不同位置和車速下CO濃度隨時(shí)間變化的分布情況，由于工況較多，故僅選取工況4進(jìn)行展示，工況4污染物濃度分布情況如圖2所示（Z為隧道內(nèi)高度）。

車輛剛進(jìn)入隧道由于尾氣排放隧道內(nèi)污染物濃度開(kāi)始遞增，但在500 m左右，車輛行駛帶來(lái)的交通風(fēng)使洞內(nèi)污染物逐漸擴(kuò)散并趨于穩(wěn)定。

4? ? 結(jié)語(yǔ)

（1）沿隧道內(nèi)的交通方向污染物累積非常顯著，呼吸區(qū)（0.5～1.5 m高）的最大CO和NOx污染程度分別為暴露極限的7.74和5.01倍。即使車輛以中速（60 km/h）或高速（85 km/h）的速度移動(dòng)，通風(fēng)系統(tǒng)也應(yīng)繼續(xù)工作以降低隧道內(nèi)的污染物濃度。

（2）在所有工況下，在呼吸區(qū)域中出現(xiàn)CO在Z=0.5 m時(shí)，在不同的車速下獲得了具有污染物濃度倒U形分布。然而除了在隧道內(nèi)車輛運(yùn)動(dòng)開(kāi)始時(shí)，1.5 m平面內(nèi)污染物濃度隨時(shí)間的增加和減少是相當(dāng)平滑的。在所有工況下，在隧道內(nèi)車輛運(yùn)動(dòng)期間，Z=1.5 m處的污染物濃度分布急劇增加。

（3）祥和隧道內(nèi)污染物濃度分布敏感點(diǎn)為距入口洞口500 m處，可增加適當(dāng)除污設(shè)備。

[參考文獻(xiàn)]

[1]馬因韜，劉啟漢，雷國(guó)強(qiáng)，等.機(jī)動(dòng)車排放模型的應(yīng)用及其適用性比較[J].北京大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008（2）：308-316.

[2]程穎，于雷，王宏圖，等.基于PEMS的MOBILE與COPERT排放模型對(duì)比研究[J].交通運(yùn)輸系統(tǒng)工程與信息，2011（3）：176-181.

[3]呂海明.機(jī)動(dòng)車尾氣污染與防治措施研究[J].低碳世界，2015（15）：7-8.

[4]胡宇峰.汽車隧道內(nèi)氣流及污染問(wèn)題研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2003.

[5]雷玉勇，李曉紅，盧義玉，等.公路隧道空氣污染治理的研究進(jìn)展[J].環(huán)境科學(xué)進(jìn)展，1998（2）：41-45.

（編輯 王雪芬）