公路隧道旁通式凈化站氣流組織數值模擬及凈化效果分析

林炎頃， 常 軍， 李 雁， 李先庭,*

(1.清華大學建筑學院室內空氣質量評價與控制實驗室， 北京 100084；2.北京市市政工程設計研究總院有限公司， 北京 100082)

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公路隧道旁通式凈化站氣流組織數值模擬及凈化效果分析

林炎頃1， 常 軍2， 李 雁2， 李先庭1,*

(1.清華大學建筑學院室內空氣質量評價與控制實驗室， 北京 100084；2.北京市市政工程設計研究總院有限公司， 北京 100082)

為分析和解釋氣流組織對凈化站污染處理效果的影響，以常見的旁通式凈化站為例，基于FLUENT軟件建立包含主隧道和旁通凈化風道的數值模型，分析不同來流壓力下主隧道和旁通風道的流動規律以及凈化效果。研究結果表明，旁通風道風量只取決于設備阻力以及風機性能，與主隧道環境無關；當來流風量小于凈化風量時主隧道將發生凈流量回流的現象,導致兩旁凈化風道的負荷不同；當凈化風量比為100%時，凈化站對污染物的處理效果最佳。

公路隧道；旁通凈化站；空氣凈化；氣流組織；FLUENT

0 引言

公路隧道是緩解城市交通壓力的重要手段，其建設數量以及長度呈迅速增長趨勢[1]，中國已經是全世界隧道和地下工程數量最多、發展速度最快的國家[2]，2010—2013年隧道總里程與座數的增長率分別為46.7%和35.0%[3]。然而，公路隧道是一個相對密閉的空間，本身不利于污染物的擴散，另外，城市交通量的增長也給隧道污染物的治理提高了難度，容易造成洞口附近污染物質量濃度超標[4]。

隨著人們環保意識的提高，對隧道等地下工程污染排放問題的關注度也逐漸提高。有研究指出，對于長大公路隧道，僅僅依靠通風稀釋和增加豎井的方式來控制隧道污染物質量濃度，其技術經濟性很差[5-7]，也難以滿足城市用地、景觀以及其他環保方面的要求[8]。用機械通風與隧道空氣凈化相結合的方式是治理公路隧道空氣污染的一個發展方向[5,9]。

目前國際上對于隧道空氣的凈化和過濾采用的主要技術是活性炭吸附、溶液吸收以及靜電除塵ESP技術，具體的安裝形式為旁通式、吊頂式以及洞口通風塔[10]。凈化站設計的出發點主要是保障隧道內能見度以及對隧道洞口污染物排放的控制，詳細見表1。而當發生火災時，凈化站處于關閉，由隧道縱向射流通風系統營造抑制煙氣擴散的臨界風速。

表1 國際上凈化過濾裝置的安裝形式Table 1 Installation forms of purification devices internationally

20世紀90年代重慶大學與四川省交通廳合作，開展了隧道空氣凈化器的研究。研究表明，在實驗室條件下脈沖電暈放電技術能有效去除粉塵和CO[2,6]。另外，由納米技術及應用國家工程研究中心牽頭的“十一五”國家科技支撐計劃“道路隧道空氣治理關鍵技術研究及示范工程應用”，建立了模擬試驗臺，實現了“靜電除塵、CO常溫催化氧化、HC和NOx吸附凈化”為一體的過濾凈化技術[5-6]。

從國內外研究進展來看，隧道空氣過濾凈化方面的研究主要集中在凈化和過濾技術本身，研究重點主要是凈化、過濾效率和阻力情況。從實際應用情況來看，國內還沒有實際投入使用的隧道空氣過濾凈化設備，國際上“旁通式”凈化站是主要應用形式之一。然而在凈化站的氣流組織以及污染物的處理效果方面[9]，有些問題目前還缺乏相關研究，具體體現為：1)旁通式凈化站能否達到設計要求引入足夠的隧道風量，其受主隧道環境的影響有多大。2)該段隧道是否會發生空氣短路，出現回流現象。3)凈化站如何運行才能實現最好的凈化效果。上述問題對隧道凈化站的設計和運行都非常重要。針對上述問題，本文建立包括主隧道、旁通風道的CFD數值模型，對主隧道和旁通式凈化站的氣流組織、污染物分布進行研究，評估其凈化處理效果，以期為地下工程通風和凈化的模擬研究提供借鑒。

1 模型和方法

1.1 凈化站結構

圖1為旁通式凈化站的結構。該凈化站共有2條旁通風道，每條旁通風道主要阻力和動力構件包括：靜電除塵器、NO2過濾器(活性炭)、軸流風機、消聲器以及配套的其他通風設備。該凈化站運行時，軸流風機開啟，從主隧道中引入部分風量，經過靜電除塵器、NO2過濾器等部件過濾凈化后排入主隧道與來流空氣混合。

圖1 旁通式凈化站結構Fig.1 Structure of a bypass-type purification station

1.2 數學模型

本文通過數值模擬的方法，對隧道空氣的氣流組織以及凈化效果進行研究。連續性方程和動量方程描述隧道空氣流動情況，自定義標量方程描述污染物的擴散和傳播過程?？刂品匠倘缦隆?/p>

連續性方程：

(1)

動量方程：

(2)

湍流RNGk-ε方程：

(3)

(4)

自定義標量方程：

(5)

另外，為研究整段隧道的氣流組織和總體凈化效果，本文定義了凈化風量比和總凈化效率2個概念，見式(6)和式(7)。

(6)

(7)

1.3 幾何模型以及邊界條件

模擬對象為旁通式凈化站以及主隧道局部段，圖2為該局部對象的CFD幾何模型和網格劃分情況，凈化站上游、下游主隧道的長度為200 m，主隧道為矩形截面，隧道高度為6.6 m，寬度為17.5 m，旁通風道的長度約為145 m。網格劃分采用六面體結構化網格，數量約為28萬個，網格最大扭曲率小于0.67，另外通過設置邊界層網格，保證壁面無量綱距離y+約為105。六面體網格的劃分可以節省網格數量、提高網格質量，既保證計算精度又節省計算資源。

(a) CFD 幾何模型

(b) CFD 網格劃分

湍流模型采用RNGk-ε模型，壁面為無滑移壁面，粗糙度為2.5 mm，壁面函數采用標準壁面函數，主隧道的出入口采用壓力邊界。凈化站中設備的阻力采用一維的Porous Jump模型進行模擬，由式(8)描述。旁通風道中的突擴、突縮以及三通彎頭等，通過直接幾何建模的方式來描述其阻力情況。軸流風機通過風機性能曲線進行描述。邊界條件設置匯總見表2。

(8)

式中：Δp為通過阻力部件后的壓降，Pa；C2為壓降系數，量綱一的量；ρ為空氣密度，kg/m3;v為空氣流速，m/s; Δm為阻力介質的長度，m。

表2 邊界條件Table 2 Boundary conditions

1.4 凈化器模型

在眾多的CFD代碼中并沒有直接用于模擬凈化器的模塊，為模擬旁通風道中的NO2凈化器，本文通過自定義函數編程的方法(UDF方法)修改自定義標量方程式(5)中的源項，建立了NO2凈化器(活性炭)的計算模型，如圖3所示。由于該凈化站的結構并非單一風道，隧道空氣可能在主隧道出現回流的現象，即凈化器入口上游污染物質量濃度隨著計算迭代的進行而不斷變化，故在CFD迭代計算過程中，為正確表達NO2的凈化效率，需要根據每個迭代步計算得到的污染物質量濃度計算NO2的源項(匯)，該源項的大小取決于入口污染物質量濃度以及來流風量。

圖3 NO2凈化模型和CFD計算迭代流程Fig.3 Model of NO2 purifier and iterative process for CFD

1.5 模型工具與驗證

在進行旁通式凈化站的數值計算前，本文對所采用的FLUENT軟件進行模擬驗證。

模擬的對象為美國“紀念隧道”(The Memorial Tunnel),該隧道長度為853 m，隧道斷面為拱形截面，隧道出入口段為矩形截面。MTFVTP項目[11](Memorial Tunnel Fire Ventilation Test Program)對該隧道進行了大量的實驗測試，在冷態通風實驗測試中，隧道分布5組相同的射流風機，每組3臺，見圖4。

圖4 美國紀念隧道射流風機布置Fig.4 Layout of jet fans in Memorial Tunnel in America

主要測試內容為射流風機開啟數量與其誘導的隧道縱斷面風量的關系。實驗結果和本文所采用FLUETN軟件的模擬結果對比如表3所示。

表3 實驗與CFD模擬結果對比Table 3 Comparison between experiment results and CFD simulation results

在冷態通風實驗中，實際上隧道內還放置了用于火災實驗的設備，且隧道壁面較粗糙，由于無法獲取這些要素的信息，在模擬中沒有考慮，故模擬結果較實驗測試結果偏高。

2 計算結果與分析

2.1 旁通站氣流組織

對于旁通式凈化站的設計，隧道空氣氣流組織狀況如何，是否發生“回流”是設計者非常關心的一個問題，因為該現象關系到污染物在隧道中的傳播以及凈化站的處理效果。當pt設置為5 Pa的情況下(下文中pt均表示主隧道入口總壓)，旁通式凈化站的氣流組織情況如圖5所示。

(a)速度分布(單位:m/s)(b)壓力分布(單位:Pa)(c)速度矢量(單位:m/s)(d)流線圖(單位:m/s)

圖5 旁通式凈化站氣流組織(pt=5 Pa)
Fig.5 Air distribution of bypass-type purification station (pt=5 Pa)

從圖5(a)和5(d)可以看到，大部分的隧道空氣被引入到2條旁通風道中，隨后排回主隧道中，遠離旁通風道的主隧道側壁出現明顯的回流現象。從圖5(c)矢量圖中，更加明顯地觀察到主隧道出現了多個局部渦旋，旁通風道排回主隧道的空氣撞擊側壁面后發生回流，沿著側壁面往上游流動。另外，圖中該處風速非常小，這是因為凈化站的存在打斷了隧道連續通風排污的條件，使得與凈化站平行的主隧道段局部通風量小，故此處容易出現局部污染質量濃度升高的情況，在進行通風凈化系統設計的時候應該校核此處的污染物質量濃度，特別是阻塞工況。從圖5(b)可以看到，主隧道的壓力分布范圍比較窄，而旁通風道壓力分布差異明顯，最低壓力約為-1 160 Pa，最高壓力可達543 Pa。另外，空氣流經各個阻力構件后壓力下降明顯。

監測各主要斷面流量發現，旁通風道2臺風機的流量均為216.2 m3/s，主隧道空氣流量為335.1 m3/s。比較可以判斷，當主隧道入口總壓為5 Pa時，主隧道(與旁通風道對應主隧道段)空氣凈流量為負值，即該隧道段空氣總體流動趨勢為從下游(旁通風道出口)流向上游(旁通風道入口)。

為進一步分析主隧道對旁通式凈化站軸流風機運行情況的影響，設置了不同的計算工況(見表4)，邊界條件的設置同表2，計算結果見圖6。

由圖6可以看出，當主隧道入口總壓逐漸增大時，旁通風道內的2臺軸流風機的風量幾乎不變(約為216 m3/s)，可認為軸流風機的運行幾乎不受主隧道環境的影響，這是因為旁通風道的各個部件的阻力遠大于主隧道，風機的工作狀態點主要由旁通風道自身的阻力決定，也正因如此，凈化站的壓力變化范圍遠大于主隧道。

表4 計算工況Table 4 Cases for calculation

圖6 主要斷面風量及凈化風量比Fig.6 Air volume and ratio of purification air to the total

圖6表明，當主隧道入口總壓增大時，主隧道出口的風量增大，由于旁通風道軸流風機風量幾乎不變，凈化風量比逐漸下降。當凈化風量比高于100%時，說明主隧道來流風量較小，旁通風道對應的“主隧道段”空氣凈流量為負值，總體流動為下游流向上游，出現 “回流”現象。當凈化風量比小于100%時，凈化站只引入部分隧道空氣，旁通風道對應的“主隧道段”空氣凈流量為正值，總體流動為從上游流動到下游。

不同入口總壓下主隧道流場見圖7?？梢钥闯?，當主隧道入口總壓大于10 Pa時，凈化風量已經小于100%，主隧道段總體流動為上游流向下游，依然出現 “回流”現象，特別是遠離旁通風道的主隧道側壁面，出現空氣貼壁回流的現象。

2.2 旁通站凈化效果

在隧道實際運行中通過控制主隧道的來流風量，可保證較高的凈化風量比，但是不同的來流風量通風稀釋效果不同。高凈化風量比意味著較差的通風稀釋效果。NO2凈化效果見圖8。以NO2污染氣體為例，設置了表4相同的7個工況，研究該凈化站的凈化效果。

隧道入口處NO2的釋放量均為1 000 mg/s，壁面處污染物擴散通量為0，NO2凈化器的凈化效率設置為80%。當主隧道空氣進入旁通風道，經過NO2凈化器處理后顯著降低，該工況下短旁通風道受到 “回流”影響，其入口NO2質量濃度較長旁通風道低，2條凈化風道的負荷不同。計算結果見圖9及表5。

(a) 工況2(pt=5 Pa)

(b) 工況3(pt=10 Pa)

(c) 工況5(pt=20 Pa)

(d) 工況6(pt=30 Pa)

圖8 NO2凈化效果(工況0， pt=0)Fig.8 Purification effect of NO2(condition 0， pt=0)

圖9 隧道進出口NO2質量濃度、總凈化效率Fig.9 NO2 concentration at tunnel entrance/exit and total purification efficiency

表5 各工況下NO2質量濃度以及總凈化效率Table 5 NO2 concentration under different cases and total purification efficiency

從圖9及表5可以看出，當入口總壓增大時，入口處NO2質量濃度逐漸降低，這是因為隨著入口總壓增大，隧道進出口壓差增大，導致主隧道風量增大(見圖6主隧道風量)，通風的稀釋效果增強。另外，隨著入口總壓增大，隧道出口NO2質量濃度呈現先減小后增大的趨勢；NO2的總凈化效率隨著來流風量的增大而降低。當入口總壓為10 Pa時，出口處的NO2質量濃度最低，為0.474 mg/m3，此時NO2總凈化效率為79.76%?？紤]通風稀釋以及凈化效果2種因素的作用，當凈化風量等于來流風量時，即凈化風量比為100%時，旁通式凈化站的凈化效果最好。

2條旁通風道NO2凈化器入口的質量濃度監測結果(見表5)表明：1)當入口總壓≤10 Pa時，2條旁通風道的入口質量濃度不一致，短旁通風道受到回流的影響較大，其入口質量濃度較低; 2)當入口總壓≥15 Pa時，對短旁通風凈化器入口的NO2質量濃度幾乎沒有影響。

3 結論與建議

本文通過數值模擬的方法，對城市公路隧道旁通式凈化站進行CFD建模。針對隧道阻力構件，采用了一維Porous Jump模型進行模擬；針對旁通風道風機，采用了風機曲線進行描述；針對NO2傳播，采用了自定義標量方程的方法進行模擬；針對凈化器的模擬，建立了凈化器數值模型。

通過設置不同工況，采用FLUENT軟件模擬了旁通式凈化站在不同來流風量條件下的氣流組織，分析了凈化站的凈化效果，主要結論如下。

1)旁通風道中軸流風機的運行風量不受主隧道環境影響，其工作狀態點主要取決于旁通風道內各個構件的阻力。

2)由于軸流風機風量幾乎維持不變，當來流風量小于2臺軸流風機風量和時，旁通風道對應的“主隧道段”總體流動趨勢為從下游流動到上游；當來流風量大于2臺軸流風機風量和時，“主隧道段”空氣由上游流向下游。

3)當旁通風道對應的“主隧道段”空氣從上游流向下游時，不能完全避免“回流”現象，該“主隧道段”依然存在局部渦旋，特別是在側壁面處。

4)綜合考慮通風稀釋和凈化2種作用因素，當凈化風量比為100%時，盡管總凈化效率不是最高，但是出口處的污染物質量濃度最低，此時凈化效果最佳。

通過研究發現，隧道凈化處理效果和凈化站的氣流組織密切相關，通風量和凈化風量在相匹配的情況下才能達到較好的處理效果。

需要說明的是，本文模擬研究對象是凈化站所處的隧道段，并且通過設置不同壓力來直接模擬上游隧道的來流情況，實際上，主隧道中的空氣流量是由隧道形狀、隧道通風系統運行情況、車流情況決定的，本文未反映這些因素是如何影響隧道通風凈化的。未來可進一步研究通風系統和凈化系統如何匹配運行才能適應不同的隧道與交通情況。

另外，由于目前國內缺乏相關工程實例，采用凈化站進行隧道空氣處理的技術經濟性和適用條件也需要進一步地研究分析。

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Numerical Simulation of Air Distribution and Analysis of Purifying Effect of Bypass-type Purification Station in Highway Tunnel

LIN Yanqing1,CHANG Jun2,LI Yan2,LI Xianting1,*

(1.LaboratoryofIndoorAirQualityEvaluationandControl,SchoolofArchitecture,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China; 2.BeijingMunicipalEngineeringDesign&ResearchInstituteCo.,Ltd.,Beijing100082,China)

A numerical model based on computational fluid dynamic software FLUENT is established to simulate the air distribution and purifying effect under different air pressures in both the tunnel and the bypass-type purification station.It is shown that:1) The air flow rate of bypass tunnel only depends on the resistance of equipments and fan performance rather than the condition of main tunnel.2) When the upstream air flow rate is less than that of the station,“backflow” phenomenon occurs and results in unbalanced purifying load of the two bypass tunnels.3) When the air flow rate of the station to the main tunnel is 100%,the purifying effect is the best.The study results can provide reference for design and operation of ventilation and purification system of underground works in the future.

highway tunnel; bypass-type purification station; air purification; air distribution; FLUENT

2016-12-23;

2017-03-26

國家自然科學基金創新研究群體項目“室內環境營造的基礎科學問題”(51521005)

林炎頃(1990—)，男，廣東揭西人，清華大學土木工程(暖通方向)專業在讀碩士,主要研究方向為公路隧道污染物排放控制。E-mail:linyq14@mails.tsinghua.edu.cn。*通訊作者：李先庭， E-mail:xtingli@tsinghua.edu.cn。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.06.006

U 45

A

1672-741X(2017)06-0684-07