隧道通風活塞效應數值模擬方法研究

徐洪濤， 邵 斌， 李貝貝， 胡觀興

（1.上海理工大學 能源與動力工程學院，上海 200093；2.栢誠（亞洲）有限公司，香港）

隧道作為相對封閉的人造空間，車輛在其中行駛將帶來大量的污染物.若隧道內的污染物不能及時排出，將極大影響隧道內人員的健康.如公路隧道內部空氣污染物種類繁多，主要包括顆粒物（尤其是小粒子PM10，PM2.5）、氣 態一次污染物（CO，NOx，SO2，THC等）以及氣態二次污染物（O3等）.這些污染物的存在嚴重威脅著隧道內駕乘人員和風井排放口周邊居民的身體健康.為了使隧道內的空氣品質維持在可接受的水平，隧道內都要安裝通風系統.隧道通風系統的作用主要有兩個：當隧道內車輛阻塞產生大量污染物的時候，開啟隧道通風系統進行稀釋和排除；當隧道內發生火災時，利用隧道通風系統進行煙氣控制，維持隧道內可供人員逃生的可接受維生環境.

隧道內運行的車輛會引起隧道中的空氣沿車流方向運動，因為類似汽缸內活塞壓縮氣體現象，故稱為活塞效應（piston effect）.通常情況下，活塞效應可以帶入室外新鮮空氣，從而稀釋隧道內的污染空氣.隧道內由車輛正常運行產生的氣體污染物也可借助于活塞效應，通過自然通風的方式排出隧道外.充分利用活塞效應進行隧道通風，可以減小隧道風機不必要的啟動次數，節約能源.在隧道通風系統的設計中，活塞效應需同隧道的通風系統設計一起進行分析.尤其是當隧道系統復雜時，隧道內氣流模式將非常復雜，此時的隧道通風系統設計將變得更具挑戰性.筆者首先對隧道通風系統的研究進行綜述，其次，介紹了兩種分析隧道內活塞效應的數值計算方法，并給出了相應的模擬分析結果.

1 隧道通風系統綜述

國內外大量學者對隧道通風系統進行了研究，包括自然通風、機械通風及通風豎井的布置等.李成勛［1］在公路隧道通風的目的和要求及其設計指導思想的基礎上，研究了公路隧道頂部開孔自然通風的優點及其可行性.霍峙屹等［2］研究了通風孔集中布置對隧道內空氣流動及污染物擴散的影響.葛家美和畢海權［3］研究了城市公路隧道采用頂部開孔的自然通風方式時，隧道內氣流運動和污染物擴散問題.王軍和張旭［4］在通風系統的理論模型基礎上，借助Lyapounov穩定性理論，建立系統熱力學和動力學穩定性判據，指出宏觀參數擾動與具體宏觀過程的相互作用是決定公路隧道自然通風系統穩定性的根本原因.張祉道［5］對車輛為雙向行駛的低等級公路隧道，研究無需進行機械通風而僅采用自然通風的隧道最大長度.蘇林軍和張祉道［6］針對車輛為單向行駛的高等級公路隧道，研究分析了無需進行機械通風而僅采用自然通風的隧道最大長度.童艷等［7］采用量綱分析法，得到豎井型公路隧道自然通風的相似性準則.宋國森和胡斌［8］對隧道不同的風機、橫通道設置情況下的各工況進行了通風計算，尋找最有利的中性點位置，使隧道前后兩段在各種工況的需風量、風壓差、風機總功率值盡量小，通過計算分析結果，得到了特長單洞雙向隧道最優的通風設計參數.蔣效忠等［9］對公路隧道射流風機與豎（斜）井排出式組合通風排煙方式建立系統設計理論計算模型，分析了不同工況下的通風排煙控制方案要求及影響因素.

Modic［10］通過用準則數取代有害物質的濃度建立數學模型，通過相關的準則數來確定自然通風公路隧道內豎井的長度.Colella等［11］通過多尺度建模方法，分析了在緊急通風和一些風機無法工作的情況下，隧道通風系統能夠提供的通風流量.Wang等［12］使用動網格模型，分析了不同半徑的彎曲通道內，有汽車引起的交通力對通道內通風的影響.Ji等［13］利用大渦模擬分析了城市公路隧道火災，分析了豎井橫截面積和豎井長寬比對隧道內自然通風的影響.Chow 等［14］建立了帶坡度的等比例隧道模型，在機械通風的情況下，研究了不同坡度隧道內煙氣的流動情況.Kang［15］對隧道內的煙氣控制中的臨界風速做了研究，把隧道的高度作為特征長度，研究了阻塞比、隧道寬度、隧道長寬比對臨界風速的影響.Ciocanea和Dragomiresue［16］利用模塊化通風減少隧道內分散污染物，著重研究了減少分散污染物時，通風口之間的距離、通風口和汽車之間的影響以及通風口的布置.Bari和Naser［17］研究了由擁擠交通引起的隧道內污染物分布和濃度，著重分析了風機工作情況下和風機關閉情況下隧道內污染物分布情況.Ji等［18］研究了在自然通風的隧道內，風向的不定期波動對隧道內通風的影響，實驗利用示蹤氣體并引入了稀釋流率DFR 概念，實驗表明DFR 與風速、開口尺寸以及風向波動有關.Colella等［19］在一定的環境條件下，提出了一種新的隧道內通風流動模擬方法——多尺度方法，這種方法能夠提供局部流體的流動情況，此方法可為其他隧道的通風設計提供一定的參考.

隨著計算流體力學CFD 技術的發展，利用該技術輔助進行隧道通風系統設計越來越受到人們的重視.于福華等［20］以公路隧道射流風機通風效果為研究對象，綜合分析影響射流風機縱向通風效果的各項因素，利用CFD 理論對射流風機的安裝高度、風機軸線與隧道軸線之間的夾角進行優化仿真分析.王峰等［21］采用CFD 方法對曲線隧道內多種風機布置方式及射流特性進行三維數值模擬計算分析.方勇等［22］運用大型通用CFD 軟件，對三車道公路隧道中射流風機的射流場進行模擬，并根據計算結果確定公路隧道中射流風機的合理安裝位置.李含等［23］運用CFD 軟件進行三維數值模擬，分析橫通道及其附近區域的速度場，在合理定位橫通道的前提下選定最佳風機類型和數量，保證通風負荷較小的下坡隧道內的新風量通過橫通道送至上坡隧道內.Alexander和Walter［24］運用CFD 軟件模擬了隧道內的通風，分析了不同通風方式對隧道內環境污染物峰值的影響.

2 隧道通風活塞效應數值模擬方法

隧道內車輛運動引起的活塞效應取決于阻塞比（車輛橫截面積和隧道橫截面積的之比）、隧道配置、隧道通風、系統設計和車輛速度等［25－28］.在傳統隧道通風系統設計中，車輛引起的流動被視為一系列塊的內流動.結合車輛的阻力系數、交通設計速度以及當地平均縱向隧道空氣流速，可以計算出阻力，進而用于確定射流風機大小等.傳統的設計方法對活塞效應并沒有進行足夠的分析，隨著計算流體力學CFD 模擬技術［29］的發展，對隧道內活塞效應進行三維建模仿真分析成為可能，以下主要介紹兩種活塞效應數值模擬方法.

2.1 動網格分析

由于隧道內車輛一直在運動，為了真實體現車輛運動引起的活塞效應，可以采用動網格技術進行分析.動網格模型可以用來模擬流場形狀由于邊界運動而隨時間改變的問題.邊界的運動形式可以是預先定義的運動，即可以在計算前指定其速度或角速度，也可以是預先未做定義的運動，即邊界的運動要由前一步的計算結果決定.網格的更新過程由采用的程序根據每個迭代步中邊界的變化情況自動完成.在使用動網格模型時，必須首先定義初始網格、邊界運動的方式并指定參與運動的區域.可以用邊界型函數或者自定義邊界的運動方式，將運動的描述定義在網格面或網格區域上.如果流場中包含運動與不運動兩種區域，則需要將它們組合在初始網格中以對它們進行識別.那些由于周圍區域運動而發生變形的區域必須被組合到各自的初始網格區域中.

圖1為進行三維動網格建模的隧道橫縱剖面示意圖.隧道、通風豎井和列車的詳細數據為：隧道截面積75.9m2，長度1 633m；通風豎井截面積12m2，長度12m；列車截面積10m2，長度236m［30］.

圖1 隧道及通風豎井布置剖面示意圖Fig.1 Sectional view of tunnel and vent－shaft arrangement

利用FLUENT 軟件［29］進行動網格建模，采用標準k－e湍流模型進行分析.模型設置其它具體參數可以參見文獻［30］.圖2為網格劃分區域示意圖，其中包含列車的區域為移動區域，車站區域為固定區域.圖3為隧道入口處三維網格劃分模型.利用上述動網格技術，分析了隧道內壓力波的變化，并與實測數據進行了對比，具體結果見下頁圖4.從圖4可以看出，利用動網格技術進行隧道內移動列車分析時，雖然模擬結果與實測數據局部有差異，但模擬結果能清楚顯示壓力波峰谷值出現的位置，總體變化趨勢仍比較一致.圖5（見下頁）顯示了通風豎井局部壓力波隨時間變化的分布情況.

圖2 模擬列車運動采用的移動網格和動邊界示意圖Fig.2 Dynamic mesh and boundary condition used to simulate train movement

圖3 隧道入口處三維網格劃分Fig.3 3D meshing at the entrance of the tunnel

圖4 列車運行速度177.5km／h時模擬結果與測試數據對比Fig.4 Comparison between pressure measurement results and CFD results at the train speed of 177.5km／h

圖5 通風豎井內壓力波隨時間變化輪廓圖Fig.5 Pressure wave variation with time in vent－shaft

從以上分析可知，動網格技術可以給出隧道內詳細的三維空間局部參數的變化趨勢，但同時，利用動網格技術進行數值模擬耗時巨大，尤其是在網格數較多的情況下，需要采用并行計算或在專用服務器上進行，效率較低.

2.2 動量源項法

重點研究另外一種高效分析隧道內活塞效應的CFD 模擬方法，即動量源法［31］.圖6 為一個500 m長的隧道模型.隧道的橫截面積為57.27m2，隧道的水力直徑DH＝7.71m.在隧道的中間位置放置了一個3.2m×1.2m×520m 的矩形區域用來模擬車輛的線性結構（見圖7）.

圖6 公路隧道CFD 模型的示意圖Fig.6 Schematic diagram of the road tunnel CFD model

圖7 簡化后的公路隧道橫截面Fig.7 Simplified geometry of a road tunnel cross section

由于車輛在隧道內運行，模擬計算區域應包括隧道入口和出口區域.車輛在隧道內運行都要經受空氣阻力F.如果車輛在一個橫截面積為AT的隧道內運行，活塞效應會導致與汽車同一方向流動的空氣壓力（F／AT）的增強［32］.如果車輛速度為U 且空氣速度為U0.那么在同一方向上它們的相對速度為（U－U0），車輛運動方向上的阻力F 可以通過方程（1）計算出來.

式中，ρ為空氣的密度；CD，CV為車輛阻力系數和該系數的校正因子，具體如表1所示.

表1 車輛阻力系數的校正因子Tab.1 Correction factor of vehicle drag coefficient

根據上述理論，筆者研究出一種新的三維CFD數值方法，在該模型中，公路隧道中間位置將通過添加一個動量源來實現車輛移動.該方法可考慮隧道內的車輛活塞效應，用來模擬一個完整的公路隧道系統.縱向通風隧道內的流動為穩定不可壓縮流.速度和壓力耦合可利用CFD 軟件Fluent來解決，控制方程用有限體積法離散化，其余具體參數設置見文獻［32］.與動網格技術相比，該方法可避免消耗大量的計算資源和時間，大大提高模擬效率.圖8為該隧道模型詳細的計算網格劃分示意圖.

圖9顯示了計算區域內不同橫截面處z方向上的速度V 的分布輪廓圖.車輛的平均行駛速度設定為80km／h.在距離道路隧道入口20m 處，模擬結果顯示空氣速度較低（圖9（a）所示）.隧道中間位置空氣速度較高，這是高速的車輛通過隧道中心造成的（圖9（b）和9（c）所示）.圖10（見下頁）顯示車輛在以80km／h速度行駛時，y－z平面內的速度分布情況.從圖中可知，由于列車運動，氣流從隧道入口帶入隧道中，而隧道中間段縱向速度分布比較均勻.隨著列車駛出隧道，隧道出口處的氣流朝z＋方向流動，形成出口射流.

圖8 計算網格分布Fig.8 Computational grid distributions

圖9 80km／h行駛時x－z 平面內的速度分布云圖Fig.9 Velocity contours in x－z planes at 80km／h

從以上分析可知，采用上述動量源法進行數值模擬，可以準確的反映出活塞效應在隧道不同位置處的變化情況，同時，該方法可以大大縮短模擬分析的時間.上述模擬方法如需考慮供氣和排氣口以及射流風機的作用，則可以通過FLUENT 程序中的UDF進行修改設定.

4 結 論

綜述了目前國內外隧道通風系統的研究進展，大部分學者集中于通風方式、豎井布置、污染物擴散等的研究上，而對隧道內活塞效應很少關注.隨著人們對空氣質量的關注度和節約能源的意識越來越高，如何有效的利用活塞效應進行隧道通風是目前關注的研究熱點之一.

基于計算流體力學CFD 技術，本文重點介紹了兩種分析隧道活塞效應的方法：動網格和動量源法，并給出了利用該方法進行分析的部分模擬結果.動網格法可以在模型中真實體現車輛在隧道內的移動情況，但需要消耗大量的時間和計算資源，效率較低.動量源法可以避免上述因采用動網格法而帶來的問題，大大縮短模擬時間.模擬結果可以清楚顯示隧道內活塞效應在不同位置處的變化情況，該方法也可以進一步考慮其他一些影響活塞效應的因素，如更復雜的隧道結構、隧道的通風系統設計及室外環境條件等.

圖10 80km／h行駛時y－z 平面內的速度分布云圖Fig.10 Velocity contours in y－z planes at 80km／h

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