矩形大斷面隧道洞口CO擴散與中隔墻長度設置

田 芳，孫 穎,付 帥，李論之

(1.江蘇省交通工程建設局，江蘇 南京 210004；2.華設設計集團股份有限公司,江蘇 南京 210005;3.長安大學 電子與控制工程學院，陜西 西安 710064)

0 引言

高速公路和城市快速干道的隧道，大多采用雙洞單向行駛的建設形式[1-3]。多數情況下，雙洞隧道的洞口間距較小，存在污染物竄流現象，導致通風運營成本增加；同時造成洞門污濁，影響美觀。“二次污染”問題不斷凸顯[4]，對隧道洞門設計提出了新的挑戰。因此，研究雙洞隧道污染物擴散規律，給出隧道洞口設計的合理建議，對于營造長大公路隧道洞口景觀，降低運營成本非常重要。

目前，國內外關于隧道洞口污染物擴散及防竄措施的研究采用了模型試驗、示蹤試驗以及數值模擬等方法[5-6]。在模型試驗方面，國內外學者利用風洞實驗室進行隧道模型試驗，研究隧道洞口的射流作用、環境風速及活塞風對洞口CO擴散影響。Ide等[7]通過風洞模型試驗，提出了用于預測隧道洞口污染物擴散的4種模型，分別是射流模型、交通模型、疊加射流模型和疊加交通模型；Gramotnev等[8]建立了隧道洞口模型，得到了洞口污染物擴散的解析模型，并預測污染物最大濃度的位置，討論了該模型的適用條件以及湍流擴散和顆粒沉積對理論預測的影響，得出污染物濃度與擴散距離的函數關系；Zumsteg等[9]根據實際工況建立了高斯模型，通過此模型來模擬公路隧道洞口污染物，模型預測值與實測值有較好的吻合度。在示蹤試驗方面，國內外學者主要以乙烯為示蹤氣體，研究了隧道洞口CO擴散對周圍環境的影響，分析洞口排放廢氣的濃度分布狀況，并與模型試驗結果進行對比。Okamoto等[10]提出了特征風場環境與有限元方法結合的平流擴散模型，并選取對兩條隧道進行洞口污染物擴散示蹤驗，示蹤氣體試驗結果和模型求解結果由于空氣浮力存在一定差異性；胡維擷、蔣維楣等[11-12]以乙烯為示蹤氣體，分析城市下穿隧道、過江隧道洞口排放污染物的地面濃度，對污染物擴散規律進行了總結，并對污染物對周圍環境的影響進行了評價。數值模擬方面，國內外學者利用CFD數值模擬軟件，應用k-ε湍流模型，設置不同風速和風向，對隧道洞口廢氣對流擴散進行了數值模擬研究，仿真隧道出口的CO擴散情況，并分析了洞口設置防竄措施對污染物竄流的影響，給出了降低隧道洞口二次污染的建議措施。徐麗等[13]以某城市隧道建立了數值模型，對冬夏季節工況下的洞口污染物擴散進行了數值模擬，得到洞外環境風對污染物擴散影響較大；Chow[14]、Chung等[15]利用CFD軟件模擬了山區隧道污染物擴散規律，并基于模擬結果，建立隧道洞口CO擴散的數學模型；王子云等[16]利用CFD軟件對某城市洞口有無中隔墻時的污染物擴散及分布情況進行了數值模擬，得到了隧道洞口中隔墻可有效減少污染物回流，并給出了中隔墻長度設置建議；Pei等[17]以重慶某隧道為例，利用CFD軟件模擬低風速下隧道入口污染氣體擴散，得到了污染物主要沿隧道軸線方向擴散，距隧道入口約250 m 處CO濃度符合規范要求。

上述研究工作集中于一般公路或城市隧道，隧道斷面形狀多為半圓形和拱形且斷面尺寸小，但是矩形大斷面隧道呈現“超寬扁平”的特點，與常見的半圓形、拱形斷面隧道的通風及煙氣擴散特性呈現明顯的差異性，而針對大斷面洞口污染物擴散特性及防竄的研究較少；同時，部分研究提出利用中隔墻防止污染物竄流，但也大都基于城市小斷面隧道或傳統的圓形或拱形隧道，針對矩形大斷面隧道中隔墻具體布設參數的研究也鮮有報道。因此，本研究針對水下特長矩形大斷面隧道，以江蘇蘇錫常高速太湖矩形大斷面隧道為工程背景，使用CFD模擬軟件Fluent進行建模，對不同進(排)風速、自然風速工況下隧道洞口CO擴散進行有限元數值模擬計算，得到了矩形大斷面隧道洞口CO擴散規律。同時，選取CO竄流最嚴重的典型工況，研究中隔墻長度對隧道洞口CO竄流狀況的影響，從而提出中隔墻長度設置的建議值，降低隧道洞口CO竄流，降低通風運營費用。

1 仿真模型建立

1.1 依托工程

太湖隧道位于中國江蘇省無錫市，其設計時速為100 km/h，隧道全長10.79 km，寬43.6 m，其中暗埋段長度為10 km，是全中國最長最寬的隧道。其中單洞隧道截面寬17.45 m，高7.25 m，面積為120 m2。隧道采用縱向通風方式，擬布置216臺1120型射流風機，其中每組風機共3臺，每臺風機軸向推力為1 148 N。隧道整體通風設備布置設計平面圖和標準橫斷面如圖1和圖2所示。

圖1 隧道通風平面布置(單位:m)Fig.1 Layout of ventilation plane of tunnel(unit:m)

圖2 隧道標準橫斷面(單位:m)Fig.2 Standard cross-section of tunnel(unit:m)

1.2 隧道洞口仿真模型建立

(1)隧道洞口模型建立

根據太湖水下隧道橫截面實際尺寸17.45 m×7.25 m建立物理模型，隧道雙洞間距4.5 m；洞外設置1個長方體的模擬計算空間，其長寬高設置為200 m×100 m×40 m，長為沿隧道縱向的方向，寬為沿隧道截面的方向，具體物理計算模型如圖3所示。其中“1-1截面”、“2-2截面”均距離隧道洞口50 m，為隧道內模擬空間的邊界，“自然風向”選取最不利風向，即垂直自然風。

圖3 隧道計算模型示意圖Fig.3 Schematic diagram of tunnel calculation model

利用ANSYS軟件中的ICEM CFD建立隧道洞口模型，隧道洞口模型進行網格劃分，導入Fluent軟件對隧道洞口污染物擴散進行數值研究，并做以下假設[18-20]：

①流體流動屬于不可壓縮連續介質穩定流。

②計算區域內所有進口邊界氣流溫度相等，均為300 K；進口壓強與大氣壓相等，取101.2 kPa；隧道位于湖底水域，空氣濕度較大，取相對濕度為75%。

③不考慮進出口隧道車輛速度對氣流流動的影響。

④以CO為污染物對隧道洞口污染物竄流進行仿真模擬。CO散發源的設置為：“上行隧道”截面設置為均勻的CO散發面源，CO濃度取值參考《公路隧道通風設計細則》(JTG/T D70/2-01—2014)和《公路隧道照明設計細則》(JTG/T D70/2-02—2014)，取設計閾值100×10-6，相當于占空氣的質量分數為0.01%。下行隧道不設置CO散發源。

(2)數學模型

采用k-ε雙方程紊流模型[21-22]及質量組分擴散傳輸方程組[23]。離散方法選用二階迎風格式，求解器采用有限體積法中的SIMPLE算法。

(3)邊界條件

洞外長方體計算空間地面設置為固體壁面，其他與外界大氣相連，在不考慮自然風時設置為outflow，在考慮自然風時，將自然風吹入的面設為velocity-inlet(即速度入口)。壁面邊界采用無滑移邊界條件，壁面溫度不變。考慮到實際地面粗糙程度較人工筑造隧道壁面更甚，因此本研究將壁面粗糙高度設置為0.007，粗糙常數取0.8。

(4)網格劃分

基于穩態模擬，三維計算模型采用非結構化網格，網格劃分尺寸為0.4。隧道洞口仿真模型如圖4所示。

圖4 隧道洞口仿真模型Fig.4 Simulation model of tunnel portal

(5)評價方法

以二次污染率(進風洞口反吸入的CO與排風洞口排出的CO總量的相對百分比)在10%以下[4]。二次污染率計算公式為:

(1)

式中，AveCO-INlet為隧道進口截面處CO質量分數平均值；AveCO-OUTlet為隧道出口截面處CO質量分數平均值。

2 不考慮自然風時隧道洞口CO擴散規律

隧道通風設計文件中隧道通風最大設計風速為7.5 m/s，因此本研究選取隧道洞口進(排)風速度上限值為7.5 m/s。

2.1 進風速度變化對CO擴散的影響

不考慮自然風時，研究機械排風速度V0分別為2，3，4，5 m/s和6 m/s工況下，機械進風速度V1在1～7.5 m/s變化時，利用Fluent數值模擬48種工況下隧道洞口CO擴散情況，并計算二次污染率。排風速度V0=4 m/s，進風速度V1變化時，隧道洞口CO擴散濃度分布如圖5所示(截面高度為2 m)。給定排風速度V0，進風速度V1變化時，隧道洞口二次污染率變化情況如圖6所示。

圖5 V0=4 m/s，V1變化時隧道洞口CO濃度分布圖(單位:%)Fig.5 CO concentration distribution of tunnel portal when V0=4 m/s and V1 changes(unit:%)

圖6 同一排風速度V0，進風速度V1變化時隧道洞口二次污染率變化趨勢Fig.6 Trend of secondary pollution rate of tunnel portal when V1 changes and V0 is constant

由圖5和圖6分析可知，不考慮自然風，在給定排風速度時，隨著進風速度的增大，二次污染率逐漸增大。當排風速度大于進風速度時，隧道洞口二次污染率小于10%，且在排風速度V0=2.5 m/s，進風速度V1=7.5 m/s時二次污染率最高，為38.96%。無自然風時，當排風速度一定時，進風速度不斷增大，導致隧道進口處負壓值增大，隧道出口排出的CO擴散作用加強，致使更多的CO竄流回隧道進口處，造成較為嚴重的二次污染。

2.2 排風速度變化對污染物擴散的影響

同理，不考慮自然風時，研究進風速度V1分別為2，3，4 m/s和6 m/s工況下，排風速度V0在1 ～7.5 m/s變化時，利用Fluent數值模擬48種工況下隧道洞口CO擴散情況，并計算二次污染率。進風速度V1=3 m/s，排風速度V0變化時，隧道洞口CO擴散濃度分布如圖7所示(截面高度為2 m)。給定進風速度V1，進風速度V0變化時，隧道洞口二次污染率變化如圖8所示。

圖7 V1=3 m/s，V0變化時隧道洞口CO濃度分布(單位:%)Fig.7 CO concentration distribution of tunnel portal when V1=3 m/s and V0 changes(unit:%)

圖8 同一進風速度V1，排風速度V0變化時隧道洞口二次污染率變化趨勢Fig.8 Trend of secondary pollution rate of tunnel portal when V1 changes and V1 is constant

由圖7和圖8分析可知，不考慮自然風時，給定進風速度V1時，隨著排風速度V0增大，二次污染率逐漸降低。當進風速度V1=6 m/s，排風速度V0=1 m/s時，隧道洞口二次污染率最嚴重，為70.38%。當進風速度一定時，排風速度不斷增大，導致隧道出口處壓力不斷增大，致使上下行隧道洞口間壓差降低，隧道出口排放廢氣的射流作用明顯，致使更少的CO竄流回隧道進口處，二次污染程度降低。

2.3 中隔墻長度對污染物擴散的影響

中隔墻在原太湖隧道計劃中未規劃，本研究以太湖隧道為模型，希望以此類隧道模型為基礎，對類似的矩形大斷面隧道的中隔墻布設具體參數進行更深入的研究。由2.1節和2.2節可知，隧道洞口在不同進(排)風速度下存在較嚴重的二次污染，為減少隧道雙洞間的二次污染，建立中隔墻模型進行模擬計算。

為了得到有效減少二次污染率的中隔墻長度，選取二次污染率最高的兩種典型工況：(1)排風速度V0=2 m/s，進風速度V1=7.5 m/s；(2)進風速度V1=6 m/s，排風速度為V0=1 m/s。模擬分析不同中隔墻長度對隧道洞口CO的防竄效果。此外，為遵循隧道通風設計，模擬時固定中隔墻和隧道等高，為7.25 m，寬度為2 m，研究中隔墻長度L分別為10，15，20，25 m時隧道洞口CO的擴散情況。兩種典型工況下，設置不同中隔墻長度，雙洞隧道之間的二次污染率如圖9和圖10所示。

圖9 V0=2 m/s，V1=7.5 m/s時，二次污染率隨中隔墻長度變化趨勢Fig.9 Secondary pollution rate varying with length of mid-partition when V0=2 m/s and V1=7.5 m/s

圖10 V1=6 m/s，V0=1 m/s時，二次污染率隨中隔墻長度變化趨勢Fig.10 Secondary pollution rate varying with length of mid-partition when V0=6 m/s and V1=1 m/s

由圖9和圖10分析可知，無自然風時，排風速度V0=2 m/s，進風速度V1=7.5 m/s時，二次污染率隨中隔墻長度增加而減小，中隔墻設置長度為25 m 時，隧道洞口之間二次污染率為9.76%，接近于標準值10%；進風速度V1=6 m/s，進風速度V0=1 m/s時，二次污染率隨中隔墻長度的增加而減小，中隔墻設置長度為25 m時，隧道洞口之間二次污染率為10.45%，接近于標準值10%。考慮到中隔墻的設置對隧道整體外觀的影響，中隔墻的設置應在滿足防竄要求的基礎上越短越好。因此，無自然風時，隧道中隔墻長度設置為25 m即可滿足隧道洞口污染物防竄要求。

3 自然風變化對CO擴散的影響

圖11 隧道洞口風速及中隔墻設置水平面示意圖Fig.11 Schematic diagram of wind speed at tunnel portal and horizontal plane of mid-partition

當自然風風向與隧道風向平行時，此時相當于隧道進風口排風口的速度與自然風速度相疊加，在前面一小節已進行了相關分析研究。當自然風風向與隧道風向垂直時，假定風向為進風口吹向出風口方向，則出風口排出的CO污染物在自然風的作用下遠離出風口，污染程度降低；假定風向為出風口吹向進風口方向，則出風口排出的污染物被吹向進風口附近，加重了CO的竄流污染。因此，本節研究最不利自然風向，即垂直自然風作用于隧道洞口時CO擴散規律，風向如圖11所示。根據氣象數據，選取自然風u=1，1.5，2 m/s和2.5 m/s，研究隧道洞口污染物CO情況，如圖11所示。

選擇2.3節中二次污染率最高的兩種工況，疊加最垂直自然風，研究隧道洞口不同中隔墻長度L對二次污染率的影響。具體模擬仿真工況劃分，如表1所示。

表1 自然風作用時，隧道洞口CO擴散仿真工況

結合2.3節結論：無自然風時，隧道洞口中隔墻長度L=25 m可滿足CO防竄要求。因此，在研究有自然風作用時，固定中隔墻高度為7.25 m，選取中隔墻長度L分別為25，30，35，40 m和45 m，研究不同工況下中隔墻長度對隧道洞口CO竄流的影響，得到存在垂直自然風時，8種工況不同中隔墻長度時的隧道洞口的二次污染率變化，如圖12所示。

圖12 隧道洞口二次污染率隨中隔墻長度變化趨勢Fig.12 Secondary pollution rate varying with length of mid-partition at tunnel portal

由圖12可知，給定進(排)風速度時，隨著自然風的增大，二次污染率逐漸增大。有垂向自然風作用時，隨著中隔墻長度的增加，二次污染率降低。當中隔墻長度為40 m時，8種工況下的隧道洞口二次污染率均低于10%，即存在垂向自然風時，中隔墻長度為40 m時能防止污染物防竄。

4 自然風2.5 m/s時中隔墻長度確定

根據氣象數據，可以得到隧址年平均風速為2.5 m/s。根據隧道通風設計文件，隧道洞口最大進(排)風速為7.5 m/s。為進一步驗證中隔墻設置長度的最佳取值，針對最大進(排)風速作用，自然風2.5 m/s工況下，中隔墻設置長度分別為45，50 m 和55 m，模擬不同中隔墻長度隧道洞口CO濃度場，并計算雙洞隧道之間CO的二次污染率，如表2所示。

表2 V0=V1=7.5 m/s，u=2.5 m/s時，二次污染率隨中隔墻長度的變化趨勢

由表2可知，二次污染率與中隔墻長度呈現負的相關現象。當中隔墻長度為50 m時，二次污染率值為8.23%，小于10%。因此，在最大進(排)風速為7.5 m/s，自然風u=2.5 m/s工況下，中隔墻長度設置為50 m滿足隧道洞口CO防竄要求。

5 結論

(1)本研究利用流體仿真模擬軟件Fluent，對水下特長矩形大斷面隧道洞口CO竄流情況進行了數值模擬。無自然風作用時，當排風洞口風速V0不變時，隧道洞口二次污染率與進風洞口風速V1關系為正相關，即CO竄流情況隨著進風洞口風速的增加而變得嚴重；而當進風洞口風速V1不變時，隨著排風洞口風速V0的增大，隧道洞口二次污染率不斷減小。

(2)隧道洞口無自然風作用時，針對(1)中CO竄流最嚴重的兩種工況，固定中隔墻高度為7.25 m，研究中隔墻長度L對隧道洞口CO竄流的影響，研究表明：隧道洞口設置中隔墻有利于減少隧道二次污染，隨著中隔墻長度的增加，隧道洞口二次污染值不斷降低；當中隔墻長度L為25 m時，隧道洞口二次污染率低于10%，滿足隧道CO防竄要求。

(3)隧道洞口存在自然風作用時，考慮最不利工況，研究垂直自然風對隧道洞口CO擴散規律的影響。研究表明：當給定隧道排風洞口風速V0和進風洞口風速V1時，隧道洞口二次污染率隨自然風速u的增加而增大。針對最大垂直自然風u為2.5 m/s，研究中隔墻長度L對隧道洞口CO竄流的影響，研究表明：當中隔墻長度L=40 m時，隧道洞口二次污染率低于10%，滿足隧道CO防竄要求。

(4)考慮隧道洞口最大進(排)風，即V0=V1為7.5 m/s，自然風u為2.5 m/s時，中隔墻長度對隧道洞口CO擴散規律的影響。研究表明：中隔墻長度L為50 m時，二次污染小于近10%，滿足CO防竄要求。隧道洞口中隔墻長度設置建議為50 m。