S型城市隧道污染物傳播特性數值模擬

李嘉齊，明廷臻，吳永佳，文遠高

(武漢理工大學土木工程與建筑學院，湖北 武漢 430070)

在城市化的進程中，城市用地緊張問題日趨嚴峻。立體化利用城市空間已成為交通規劃設計的必然方向。城市隧道以其造價相對低廉、可有效降低噪音污染、緩解地面擁堵以及可集中排放處理隧道內污染物等優勢，已成為當今城市立體交通系統必不可缺的組成部分。

城市隧道雖在一定程度上緩解了城市的交通擁堵問題，但城市隧道中機動車產生的污染物對環境的影響依然是一個急需解決的問題。城市隧道雖具有相對集中排放污染物的優勢，不會大范圍對沿線環境產生影響，但也正是因為此原因隧道內的污染性氣體以及顆粒物被限制在有限空間內且難以擴散稀釋，使隧道內環境污染程度亦遠超普通城市道路。尤其是隨著如今隧道工程技術的日益成熟，隧道也日益向長大化趨勢發展，這也進一步導致隧道內環境污染問題的加劇。當隧道內污染累積到一定程度時，如不及時進行緩解，不僅將對隧道內人員的健康產生嚴重的影響，同時亦加劇了駕駛人員的安全隱患。

如今許多城市新型隧道采取上方局部開口方式，以期緩解隧道內部環境污染以及出口污染物集中排放的問題。同時，隧道內部設置射流風機也是改善隧道內空氣質量的重要措施之一。而隧道頂部開口和隧道內部設置射流風機必將使隧道系統流場以及污染物傳播規律發生重大的改變。目前針對城市隧道交通系統的研究多集中于隧道內火災、噪音、進出口污染、污染物組成等單一方面，而對具有復雜結構的S型城市隧道中頂部開口和射流風機耦合作用下污染物傳播特性的研究尚處于起步階段。為此，本文針對武漢市二環線水果湖隧道的實際結構，構建了一個頂部開口和隧道內部設置射流風機的S型城市隧道三維立體模型，并運用計算流體動力學(CFD)方法，模擬分析了頂部開口和射流風機對S型城市隧道系統流場以及污染物傳播特性的影響，以期為隧道設計以及隧道內空氣質量預測與污染控制提供依據。

1 物理數學模型構建

1.1 物理模型的建立

本文以武漢市二環線水果湖隧道為研究對象，參照實際工程設計尺寸，采用ICEM軟件建立了該S型城市隧道全尺寸三維幾何物理模型，如圖1所示。

圖1 S型城市隧道三維幾何物理模型

下方S型隧道全長為1 270 m，包括150 m開口貫通段和1 120 m暗埋段。從隧道北進口進入后依次為暗埋段(300 m)、北開口貫通段(100 m)、暗埋段(625 m)、南開口貫通段(50 m)、暗埋段(195 m)組成，其中開口貫通段頂部與地面等高。下方S型隧道其造型為矩形箱涵結構，高為6 m，寬為10.85 m，雙車道。隧道內凈空尺寸為9.65 m×6.0 m，同時下方S型隧道內部還采用射流風機進行輔助通風設計，射流風機懸掛于隧道頂部，其風量為11 m/s。射流風機分7組布置，每組2臺，總共布置了14臺。

1.2 數學模型的建立

為了模擬該S型城市隧道內污染物的傳播規律，依據實際的流體流動特性做如下假定：①流體為不可壓縮流體；②計算域中空氣物性不發生改變；③計算域中流體流動為湍流且充分發展。

相應滿足條件的流體流動連續性方程、動量方程和能量方程如下：

(1)

(2)

(3)

本文選用RNG

k

-

ε

模型進行求解，流體的湍動能方程

k

和湍流耗散率方程

ε

分別表示如下：

(4)

(5)

式中：

G

為平均速度梯度產生的流體湍動能(m/s)；

α

、

α

分別為與流體的湍動能

k

和湍流耗散率

ε

相對應的Prandtl數有關的常量，分別取值為

α

=1

.

39、

α

=1

.

39；

C

1、

C

2為湍流常數，分別取值為

C

1=1

.

42、

C

2=1

.

68；

μ

為流體的有效運動黏度(m/s)。

本研究中污染物傳播的組分輸運方程如下：

(6)

式中：

D

為污染物傳播組分

S

的擴散系數；

c

為污染物傳播組分

S

的體積濃度(ppm)；

S

為系統內單位體積單位時間污染物傳播組分

S

的產生量(kg/m·s)。

1.3 邊界條件及污染源

計算案例中下方S隧道北端入口為速度入口(2 m/s)；其南端出口為壓力出口，壓力值設置為表壓0 Pa；隧道內部7組14臺射流風機設定為fan邊界條件，其風量為11 m/s；隧道南北端頂部開口設置為壓力出口，壓力值設置為表壓0 Pa；模型中隧道固體壁面均為無滑移壁面。

整體模型中污染源設定在S型隧道內機動車道上，機動車排放物作為模型中污染源，由于CO排放在機動車尾氣中占比較大且不易與空氣中其他成分發生反應，同時也為溫室效應重要的影響因素之一。因此，本研究選用CO作為污染物標記物，并且釋放源設置為體污染源。在交通堵塞情況下，隧道內污染物的傳播最終會達到穩定狀態，其強度可設定為4×10kg/(m·s)。

本次數值計算在通用CFD商用軟件Ansys Fluent 15.0中進行。壓力與速度的耦合采用SIMPLE算法；壓力插值采用Standard算法；梯度插值采用格林-高斯節點方式；對流項離散選用二階迎風差分格式，擴散項離散選用二階中心差分格式。收斂標準設定為最大值<1×10。

1.4 模型驗證

本模型整體計算域采用結構六面體網格進行劃分，考慮到隧道內近壁面、內部射流風機、開口貫通處等區域流體湍流度較高，以上區域網格將全部加密。上述區域為網格中心區域且向整體計算域各方向進行等比加疏操作，并且控制其漸進比在1.1以內。為了保證計算準確性和計算精度，需對模型網格無關性進行驗證，并對模型粗網格、細網格和超細網格3組網格系統進行劃分，將模型3組網格系統的網格數量劃分為5 054 568個、6 129 214個和7 710 864個。模擬結果表明：上述3組網格系統中同截面上，第一、二組網格系統的平均風速和污染物平均濃度的最大誤差分別為2.6%和2.3%；第二、三組網格系統的平均風速和污染物平均濃度的最大誤差分別為1.7%和1.9%。因此，認為模型網格可以保證獨立性和網格質量。為了節約計算資源和成本，本次選取網格數量為6 129 214個的網格系統作為分析依據。

2 結果與分析

2.1 S型城市隧道頂部開口關閉且射流風機不啟動工況分析

為了分析頂部開口和射流風機均不開啟工況下S型城市隧道內污染物的傳播特性，通過對模擬結果進行整理，提取了S型城市隧道內污染物CO平均濃度(即CO質量分數)的分布云圖，見圖2。

圖2 頂部開口關閉且射流風機不啟動工況下S型城市隧道內污染物CO平均濃度的分布云圖

由圖2可見，S型城市隧道內由北端入口開始隨著距離隧道入口距離的增加，隧道內污染物CO濃度呈遞增趨勢，并且在南端出口CO濃度達到峰值。究其原因主要為自S型城市隧道入口開始，隧道內流場在環境風的作用下開始向隧道出口方向流動，流場特性的變化將直接對污染物擴散規律產生影響，從而使隧道內污染物向隧道出口方向遷移，且隨著距離隧道入口距離的增加，污染物的堆積現象將越發嚴重。傳統直型隧道內污染物的傳播亦有相似特性。

同時，S型城市隧道內流場結構與傳統直型城市隧道也存在些許差異：直型城市隧道近壁面處流場速度通常呈對稱均勻分布；而S型城市隧道彎曲處外環近壁面將先受到流體沖擊使其湍流強度更高，從而導致隧道各彎曲處外環近壁面流場速度比內環近壁面流場速度更高。

為了探究隧道內污染物傳播規律隨高度變化的相關特性，通過對模擬結果數據進行整理，提取了距S型城市隧道底部分別為2 m、2.5 m、3 m、3.5 m、4 m、4.5 m、5 m、5.5 m高度處斷面的CO平均濃度(即CO質量分數)，繪制了隧道內CO平均濃度隨高度的變化曲線，見圖3。

由圖3可見，隨著距離隧道底部高度的增加，隧道內污染物CO濃度整體呈下降趨勢，且當高度在4m以下時污染物CO濃度受高度影響的敏感性較大，當高度大于4 m后隨著距離隧道底部高度的增加，隧道內污染物CO濃度的降幅減小，其敏感性減弱。

圖3 S型城市隧道內不同高度處CO平均濃度的分布圖

上述探究了S型城市隧道內污染物CO濃度隨高度變化的相關特性。另外，在沿城市隧道長度方向上，不同位置垂直斷面的污染物濃度分布也不盡相同且各具有特異性，為了更詳盡地探究污染物濃度沿隧道長度方向的分布特性，提取了S型城市隧道車輛移動方向沿線長度分別為1/5(254 m)、2/5(508 m)、3/5(762 m)、4/5(1 016 m)斷面處污染物CO平均濃度的分布云圖，見圖4。

由圖4可見，隨著隧道沿線距離的增加，各斷面污染物CO濃度呈現出由隧道底部向隧道中部和頂部擴散的趨勢；在隧道沿線長度為3/5(762 m)斷面處污染物CO近乎已覆蓋隧道橫斷面的大半個空間。

圖4 S型城市隧道沿線不同斷面處污染物CO平均濃度的分布云圖

2.2 S型城市隧道頂部開口關閉且射流風機啟動工況分析

為了探究射流風機對S型城市隧道內污染物擴散規律的影響，開啟了隧道內部7組14臺射流風機，通過對模擬結果數據進行整理，提取了S型城市隧道內斷面上流場流速的分布云圖，見圖5。

圖5 頂部開口關閉且射流風機啟動工況下S型城市隧道內斷面上流場流速的分布云圖

由圖5可見，射流風機對隧道出口周圍流場流速的提升明顯，說明射流風機對隧道流場的影響顯著，其射流影響段明確，這一規律與先前學者針對隧道內部射流風機作用的研究結果相一致，即射流風機通過加速隧道內流場流動以及誘導隧道內整體流場向隧道出口方向移動以達到緩解隧道內空氣污染的作用。

頂部開口關閉且射流風機啟動工況下S型城市隧道內污染物CO平均濃度的分布云圖，見圖6。

圖6 頂部開口關閉且射流風機啟動工況下S型城市隧道內污染物CO平均濃度的分布云圖

由圖6可見，射流風機對緩解S型城市隧道內整體空氣污染狀況具有一定的作用，但緩解程度不夠顯著，隧道內污染物CO濃度的降低幅度約為10%。究其原因主要為該隧道長度較長且為S型，在S型隧道中曲率較大的彎道處均會降低射流風機的作用。

由此可見，對于S型城市隧道內空氣質量保證以及污染物控制問題，不能僅依托射流風機，對于如今新型設計的S型城市隧道還應該考慮頂部開口的作用，這將在下面展開探究。

2.3 S型城市隧道頂部開口開啟且射流風機關閉工況分析

為了單獨探究頂部開口對S型城市隧道內流場以及污染物傳播特性的影響，開啟了S型城市隧道的北端頂部開口和南端頂部開口，將隧道內射流風機關閉，通過對模擬結果數據進行整理，提取了S型城市隧道內斷面上流場流速的分布云圖，見圖7。

圖7 頂部開口開啟且射流風機關閉工況下S型城市隧道內斷面上流場流速的分布云圖

由圖7可見，頂部開口對隧道內流場的影響巨大，經北開口段后隧道內流場流速發生了明顯的下降，致使北開口段后剩余隧道長度內流場流速長期處于較低水平。究其原因主要為北開口段對隧道內流場起到了分流作用，且由于北開口段隧道長度較長為100 m，致使北開口段后隧道內流場流量和流速顯著下降。

頂部開口開啟且射流風機關閉工況下S型城市隧道內污染物CO平均濃度的分布云圖，見圖8。

圖8 頂部開口開啟且射流風機關閉工況下S型城市隧道內CO平均濃度的分布云圖

由圖8可見，S型城市隧道內污染物CO在經北開口段后，因流場堆積且流速緩慢等因素，污染物CO濃度急劇上升，且污染物CO濃度甚至上升了1至2個量級，因此僅開啟頂部開口時甚至還會對隧道內流場和污染物傳播起到消極作用，使隧道內空氣污染情況加劇。由此可見，對于S型城市隧道內空氣質量保證以及污染物控制問題，不宜采取僅開啟隧道頂部開口的方式。為此，下面將探討頂部開口與射流風機同時工作情況下，對S型城市隧道內流場以及污染物傳播規律的耦合影響。

2.4 S型城市隧道南北雙頂部開口與射流風機同時開啟工況分析

為了探究頂部開口與射流風機同時開啟對S型城市隧道內流場以及污染物傳播特性的影響，開啟了S型城市隧道北端頂部開口和南端頂部開口，并開啟了隧道內射流風機，通過對模擬結果數據進行整理，提取了S型城市隧道北端頂部開口和南端頂部開口周圍計算域流場流線圖，見圖9和圖10。

圖9 南北雙頂部開口與射流風機同時開啟工況下S型城市隧道北頂部開口計算域流場流線圖

圖10 南北雙頂部開口與射流風機同時開啟工況下S型城市隧道南頂部開口計算域流場流線圖

由圖9圖10可見，南北雙頂部開口與射流風機同時開啟工況下S型城市隧道北、南兩端頂部開口處均使隧道內流場發生了明顯的分流效應。

進一步提取該工況下S型城市隧道內斷面上流場流速的分布云圖，見圖11。

圖11 南北雙頂部開口與射流風機同時開啟工況下S型城市隧道內斷面上流場流速的分布云圖

由圖11可見，經南、北端頂部開口后S型城市隧道內流場流速均發生了明顯的下降，但隨后隧道內流場又在射流風機的作用下提升了一定量的流速，并最終達到較均勻的流速。由此可以推測，該工況下隧道內空氣質量和污染狀況將有較大的改善。

為了印證上述流場分析結果的合理性且進一步探究S型城市隧道內污染物CO的傳播特性，本文提取了S型隧道內污染物CO平均濃度的分布云圖，見圖12。

圖12 南北雙頂部開口與射流風機同時開啟工況下S型城市隧道內污染物CO平均濃度的分布云圖

由圖12可見，S型城市隧道內CO污染在射流風機和頂部開口的聯合作用下得到了明顯的緩解，污染物CO濃度先在北開口段大幅降低，隨后隨著隧道長度的增加，污染物CO濃度相應遞增，并在南開口段CO濃度再次顯著降低。由此可見，對于S型城市隧道內空氣質量保證以及污染物控制問題，使用射流風機與頂部開口同時開啟方案，將會達到更理想的效果。

2.5 S型城市隧道南頂部開口與射流風機同時開啟工況分析

通過上述分析可知，頂部開口與射流風機同時開啟時，對緩解S型城市隧道內空氣污染具有較明顯的效果。然而上述工況為南、北頂部開口均開啟，如若僅開啟單個頂部開口時，將會對隧道內空氣污染狀況起到多大程度的緩解，同樣值得探究。為此，本文僅設定南頂部開口與射流風機同時開啟工況進行了模擬計算分析(由于隧道內污染物CO大部分堆積于南半段，由此僅考慮開啟南頂部開口工況)，提取了南頂部開口與射流風機同時開啟工況下S型城市隧道內污染物CO平均濃度的分布云圖，見圖13。

圖13 南頂部開口與射流風機同時開啟工況下S型城市隧道內污染物CO平均濃度分布云圖

由圖13可見，S型城市隧道內CO污染在該工況下也得到了一定程度的緩解，尤其在南頂部開口范圍，但CO污染整體緩解效果相對南北雙頂部開口與射流風機同時開啟工況而言則相對較弱。

為了印證上述結論，通過對模擬結果數據進行整理，分別提取了頂部開口與射流風機均不開啟、僅開啟射流風機、南北雙頂部開口與射流風機同時開啟、南頂部開口與射流風機同時開啟4種工況下，S型城市隧道內污染物CO的平均濃度圖，見圖14。

圖14 不同工況下S型城市隧道內污染物CO的平均濃度圖

由圖14可見，僅開啟射流風機工況較頂部開口與射流風機均不開啟工況而言，S型城市隧道內污染物CO濃度的降低幅度有限，約為10%；而南北雙頂部開口與射流風機均開啟工況可使隧道內空氣污染得到明顯的緩解，S型城市隧道內污染物CO濃度的降低幅度約為35%。上述結論也與前文分析結果相一致。

3 結論與展望

(1) 本研究的S型城市隧道環境中，由入口開始隨著隧道長度的增加，隧道內污染物濃度呈遞增趨勢，并且在南端出口污染物濃度達到峰值。

(2) 在頂部開口關閉，單啟動射流風機工況下，射流風機對緩解S型城市隧道內整體空氣污染狀況具有一定的作用，但緩解程度不夠顯著，隧道內污染物CO濃度的降低幅度約為10%；而單開啟頂部開口工況對緩解隧道內空氣污染無積極作用。

(3) 當南北雙頂部開口與射流風機同時開啟時，S型城市隧道內空氣污染狀況將得到了明顯的緩解，隧道內污染物CO濃度的降低幅度約為35%。

本文主要研究了該S型城市隧道環境的污染物傳播特性，以期為隧道設計以及隧道內空氣質量預測與污染控制提供依據。但值得指出的是，除了上述研究內容外，例如隧道開口環境周圍因受太陽輻射導致的局部受熱不均勻情況也將對隧道內空氣流場以及污染物傳播規律產生一定的影響；而隧道內部車流速度和射流風機設置角度對S型隧道內污染物傳播規律的影響同樣值得探索。對于上述各項影響因素將會在后續研究工作中予以考慮。