自然通風機理與通風口優化研究

尚延剛 余謹涵

(武漢地產集團，湖北武漢 430024)

1 概述

城市隧道頂部開口型自然通風方式是指沿隧道前進方向的頂部間隔一定距離布置通風口與外界大氣連通，充分利用隧道內、外熱壓、自然風壓和車輛行駛時的交通風壓等動力進行隧道內、外空氣交流的一種通風方式［1］。隧道頂部自然通風口吸進的新鮮空氣能夠稀釋隧道內污染空氣達到降低污染空氣濃度的目的，通風口排出的污染空氣能夠降低隧道內污染空氣中的污染物總量從而達到分流空氣中污染物的目的，因此對于開設頂部開口的城市隧道，無論自然通風口是處于進風還是排風狀態，其對隧道到通風系統產生的作用都認為是有利的。城市公路隧道相對于山嶺公路隧道而言，通常埋深都較淺，覆土較薄，在不影響路面交通情況和地面建筑的情況前提下，有利于設置自然通風口，設置自然通風口不需要消耗電能，利用天然的壓差進行通風，具有十分顯著的經濟效益［2］。顯而易見，頂部開口的面積越大，越有利于整個隧道系統的自然通風，但是城市隧道對于占地要求相對較高，往往隧道沿線的綠化和景觀布置有一定的要求，限制條件較多，需要在有限的面積和約束之下對通風口的大小、形狀以及間距等進行合理設計。目前在城市隧道的通風系統中設置頂部通風口已經漸漸成為一種設計趨勢，然而對于通風口的開口面積、開口形狀、通風口間隔布置的區間長度等因素還沒有進行過系統的研究，形成的結論對工程建設的指導意義不大［3］。本文旨在通過CFD數值計算手段，開展自然通風機理與通風口優化研究，為武漢東湖通道口的自然通風方式在城市道路隧道中的應用提供支持。

2 計算工況

主要通過Fluent動網格技術模擬隧道內行駛車輛引起的交通風對自然通風系統的作用機理，以及對自然通風口進、排風的影響，通過自然通風口處壓力和速度的變化評判自然通風系統的效率，進而優化自然通風口設計方案。這部分共分析計算了19種工況，工況表如表1所示，其中工況十五和工況十六為三維動網格數值模擬，其他工況為二維動網格數值模擬。自然通風口優化主要通過二維動網格數值模擬研究，以武漢市東湖通道右線自然通風段為研究對象進行分析計算，里程為DHTDK5+100～DHTDK6+500，模型長度1 400 m。由于計算時間限制，三維動網格數值模擬計算了長度為200 m的模型，重點分析了一組(3個)通風口分布在小車和大車通過時的壓力和速度變化規律，對比分析了自然通風機理。

表1 工況表

3 計算參數

本文主要以武漢市東湖通道右線自然通風段為研究對象進行分析計算，相關的分析結論也可供左線隧道參考。模型長度1 400 m(對應隧道里程為DHTDK5+100～DHTDK6+500)。隧道內交通風由勻速行駛的車輛產生，車輛包括小型車和大型車。小型車尺寸:4.8 m×1.5 m(長 × 高)，大型車尺寸:8 m ×3.2 m(長 ×高)。

3.1 邊界條件

交通車流引起的隧道內部的空氣流動屬于非定常流動，流場中的流動變化模擬需要在一定的初始條件下才能進行描述，對于不同類型的問題，初始條件對數值計算的影響也是不同的。通常如果初始條件給定的不合理，所要計算的問題會隨著計算時間的推移慢慢偏離初始條件的影響，在非定常流動的數值計算中，不合理的初始條件極易造成數值計算結果的誤差甚至是造成數值解遠遠偏離理論解析解。通常對于非定常流動求解的一般思路是:先通過某個特定的方法得到一個大致解，形成一個近似的初始場，進而以此初始場為初始條件，進行迭代求解。邊界條件是在求解區域邊界上所要求解變量或者其一階導數所需要滿足的條件與約束。

隧道入口處的邊界條件包含:質量入口、速度入口以及壓力入口等參數，質量和速度等變量在隧道入口處都是一個變化的量，無法進行合理的設置以及預測，在本次計算過程中，隧道入口暫定為壓力入口邊界條件(pressure-inlet)，采用隧道入口的壓力等于大氣壓力的初始條件;隧道出口:為了研究交通風對隧道內壓力和速度場的影響，出口設置為outflow用在求解流動問題之前，這種邊界條件用在流動速度和壓力細節未知的場合，適合于在出口上的流動為完全發展的情況;自然通風口:設置為出口通風邊界條件(outlet-vent)，環境(出口)的壓力為大氣壓。在數值計算中把汽車設置成具備一定粗糙度和移動速度的墻體，認為汽車是一個能夠移動的剛性體，對于實際情況而言，這是合理的。

3.2 網格類型

影響網格類型選擇的主要因素包括:劃分網格的耗時，計算的時間代價，數值耗散的大小以及收斂速度等各種因素，尤其需要注意是否能夠滿足自然通風模型所需要動網格方式要求。當所計算的數值模型具有較為復雜的幾何外形的時候，采用結構網格或者塊結構網格要花費極大的計算時間代價，有一些時候甚至根本無法得到合理的結構網格。對于三角形網格和四面體網格，可以通過使用尺寸函數進行局部加密網格，從而對網格數量進行合理控制，然而，四邊形網格和六面體網格由于不能實現這個功能，會在不需要加密網格的地方產生大量不必要的單元，對網格數量的控制極為不利。

3.3 網格數量設計

數值耗散是在三維及多維條件下數值模擬計算的主要誤差來源，準確的說，所有解決流體問題的計算格式都會產生耗散現象，數值耗散在誤差分析中屬于截斷誤差的一種，是控制方程的偏導數與離散估計值形成的差值。數值耗散最小的網格是結構網格，因為可以和流動在一條直線上，但是三角形網格和四面體網格和流動無法形成一條直線，因此相比于結構網格而言數值耗散也較大。此外，網格的分辨率也會影響到數值耗散量的大小，兩者之間成反比關系。通常來說，對網格的精細化剖分是可以解決數值耗散的問題的，然后在流體的數值計算中，越復雜的網格對于計算機的要求越高，CPU計算的時間和資源要求越高，往往要花費更大的代價進行一次數值計算。綜上所述，在進行CFD數值計算過程中，原則上在能夠滿足計算精度的前提和條件下，我們的網格精度越小，網格劃分越少，在數值計算中的計算效率越高，基于以上分析，在這次自然通風的數值計算中，尤其需要注意的是車輛周圍區域和自然通風口附近區域的網絡劃分與流場變化。

3.4 二維與三維的計算關系

軸對稱的假設可以使空間坐標從三個簡化為兩個，控制方程的形式和數目也會減少，對于計算代價的節省有顯著的優點。隧道結構本身屬于長條形、線性結構，東湖隧道的橫斷面也是軸對稱結構，可以看作是一個軸對稱的工程結構體，因此在CFD計算中采用軸對稱的方法就可以采用二維計算模型從而使控制方程的形式和數目大為減化，加快此次計算的收斂速度。

在隧道自然通風系統的數值模擬研究中，二維計算模型的計算周期較短，計算代價較小，但其計算合理性和準確性需要通過三維計算進行驗證和修正。

3.5 通風口風量

每個風口風量通過下式計算:

其中，N為單個風口總風量;Vi為風口出口處(h=10.1 m)各個點的速度，每隔0.1 m選取一個點。對于長度為4 m的通風口，每個風口共40個點;對于長度為6 m的通風口，每個風口共60個點;對于長度為8 m的通風口，每個風口共80個點;b為各個選定速度點之間間距，取0.1 m;l為通風口橫向寬度，取7.85 m;α為二維計算結果折減系數，取為0.23，此時的二維風量計算結果基本與三維計算的風量結果一致。二維動網格模型對于風口風量的變化有加強效應，風量的絕對值根據三維動網格模型的計算結果進行了修正，將結果折減系數取為0.23，此時，風速基本能夠反映相同工況參數下三維模型的計算結果。

自然通風系統局部通風示意圖見圖1。

圖1 自然通風系統局部通風示意圖

4 結論與建議

基于對自然通風機理的認識及分析，對東湖隧道自然通風口優化設計有以下結論與建議，東湖通道自然通風口設置參數建議取值如表2所示。

表2 東湖通道自然通風口設置參數建議取值

1)在地面條件允許的情況下，建議增加每組通風口的數量(5個～6個)，減小各組通風口的間距。各組通風口間距應處于一定的范圍內，不宜過大。目前江蘇省頒布的DGJ32/TJ 102-2010城市隧道豎井型自然通風設計與驗收規范［5］僅給出了通風口間距上限，即不加輔助風機時，豎井間距不得大于240 m，對于通風口間距的下限(通風口間距應大于一定距離)并未作出明確的規定。現有設計方案已經符合《規范》對相鄰兩組通風口間距的要求，建議在維持原有通風口分組間距方案基礎上，通過調整通風口長度、每組通風口數量、相鄰通風口間距和通風口形式以更有效的利用自然通風口通風換氣。

2)工況一、工況二和工況三對比分析了隧道內行車車速對自然通風的影響。工況二(車速為40 km/h)各組通風口中峰值排風量相對于工況一(車速為60 km/h)的峰值排風量下降約30%。工況三(車速為20 km/h)各組通風口中峰值排風量相對于工況一(車速為60 km/h)的峰值排風量下降約30%。因此，保證隧道的暢通運營，以最大限度的發揮自然通風口的作用。

3)工況一、工況四和工況五對比分析了車輛組成對自然通風的影響，大型車對排風效果的影響較為顯著。工況四(全為小車)各組通風口中峰值排風量相對于工況一(四輛大車和四輛小車)的峰值排風量下降約30%。

4)工況五、工況六和工況七對比分析了通風口長度(沿X軸)對自然通風的影響。風量計算時，通風口寬度與設計方案一致，取為7.85 m。通風口長度從4 m加長為6 m，使得峰值排風量上升約50%。通風口長度從4 m加長為8 m，使得峰值排風量上升約1倍。通風口的峰值排風量與通風口長度呈線性關系，建議在條件允許的情況下可以增大通風口長度(6 m～8 m)，從而更好的利用自然通風口進行換氣。

5)工況五、工況八和工況九對比分析了每組通風內部相鄰通風口的間距對自然通風效果的影響。研究結果表明，改變通風口之間的間距(6 m變為2 m或10 m)，保持通風口長度不變，對自然通風口的峰值排風量的影響不明顯。因此，建議在不改變現有方案通風口分組間距及布置位置的基礎上，通過減小通風口間距(2 m～6 m)，增加通風口長度或數量，以增大自然通風口的峰值進、排風量。

6)工況十、工況十一和工況十二對比分析了分組設置通風口時，每組中通風口數量對自然通風的影響。研究結果表明，增加每組中通風口數量對風口的進、排風效果并不能產生顯著影響。但是，由于風口數量增加，總體進、排風效果增大，建議每組布置5個～6個通風口。

7)工況五和工況十三對比分析了車道層高度變化對自然通風的影響。研究結果表明，降低車道層高度，增大車輛斷面與隧道橫斷面比值，能夠增加通風口進、排風量。此外，降低自然通風口高度也有利于提高自然通風口的換氣效率。在工程條件允許的基礎上，建議將隧道高度降為4.5 m。

8)工況五和工況十四對比分析了設置局部導流(45°切角)對自然通風的影響。設置局部導流(45°切角)后，與其他參數相同的工況相比，各組通風口中峰值排風量上升約50%，其效果與加大通風口長度相似。因此，建議在有條件增加通風口長度的情況下，應增加通風口長度;當由于場地限制無法增加通風口長度時，也可以通過設置通風口局部導流達到相似的效果;在增加通風口長度的同時設置局部導流能夠進一步加強自然通風口換氣效果。

［1］葛家美.城市隧道頂部開孔自然通風研究［D］.成都：西南交通大學，2010.

［2］胡春艷.市政公路隧道頂部開孔自然通風研究［D］.成都：西南交通大學，2007.

［3］陳玉遠，甘 甜.自然通風在城市道路隧道中的應用研究［J］.隧道建設，2012，32(3)：350-354.

［4］涂江峰.豎井型城市隧道火災煙氣流動模擬分析［J］.潔凈與空調技術，2012，73(1)：1-3，13.

［5］DGJ32/TL 102-2010，城市隧道豎井型自然通風設計與驗收規范［S］.