交通風作用下的城市公路隧道污染擴散特性數值模擬研究

趙 宇 Nawaz Ali 宋曉程 江超文 馮 瑤

（1.大連理工大學建設工程學部土木工程學院 大連 116024；2.大連大學建筑工程學院 大連 116622）

0 引言

由于結構封閉、單體長度長和污染物物聚集效果明顯等特點，長度通常在1km 以上的城市長大公路隧道內污染暴露水平遠遠高于一般大氣環境和室內環境。同時，現有城市公路隧道通風系統受運行能耗和年均運行電費高的制約，全年有效開啟時間極少，這進一步加劇了隧道內部污染積聚效果[1]。即便駕乘人員在公路隧道內停留時間較短，現有研究已經證實，隧道內部濃度較高的污染物會嚴重危害人員的身心健康[2]。隧道主要污染物中，一氧化碳（CO）會降低血液內含氧量，在濃度較高條件下會嚴重影響人員行為和工作效率[3,4]。氮氧化物（NOx）能嚴重影響支氣管功能，并可能引發哮喘等疾病[5-8]。因而，隧道內部以CO 和NOx為代表的污染擴散及暴露水平的研究對后續健康風險評價及通風系統運行優化的支撐作用尤為顯著。

國內外學者針對隧道內部車輛運動交通風、污染物擴散及暴露特性進行了一系列研究[9-12]，特別是車輛運動尾流區內污染擴散特性的分析更是研究的熱點和焦點[13,14]。在公路隧道中，車速、車輛類型和隧道車輛通行特點等因素是影響隧道車輛運動過程中污染擴散的主要因素[15-17]。同時從研究方法的角度看，現場實測、風洞實驗和數值模擬是隧道污染擴散問題的主要研究方法。現場實測和風洞實驗方法通常具有研究條件受限、研究經費高等劣勢，因而數值模擬成為近年來上述污染擴散問題的主要研究手段。現有研究中，學者們通過建立一維[18]、二維[19]和三維[20]隧道模型模擬分析不同車輛運行條件下的污染物擴散特性。然而，現有研究所建立模型長度通常控制在1km 以下，對長度在1km 以上的超長隧道內污染擴散的研究較為有限，同時，對于交通風的影響研究較為有限，研究成果遠遠不能指導隧道通風系統的優化運行。

本文針對現有研究存在的問題，利用Realizablek-ε模型和被動標量模型，模擬3km 超長隧道內多輛車在車速60km/h，40km/h 和20km/h條件下CO 和NOx污染擴散特性，研究成果可作為未來隧道通風運行優化、污染暴露及健康風險評價的基礎和依據。

1 研究方法

本研究采用Realizablek-ε兩方程模型分析隧道內部湍流特性，由于Realizablek-ε兩方程模型主要模擬高雷諾數流動，對于近壁面的低雷諾數流動不適用；因而，在近壁面采用壁面函數法進行處理。同時考慮到車輛行駛交通風的影響，將車輛行駛過程誘導產生的交通風特性作為動量源項、湍動能源項和湍流耗散率源項進行分析，Realizablek-ε模型的基本方程如式（1）-（4）所示，交通風源項的表達方法如式（5）-（7）所示。

式中：＜＞為時均值；t為時間；xi為空間位置坐標；ui，uj為i和j方向上的平均速度分量；ρ為空氣密度；p為氣壓；ui’，uj’為雷諾平均應力；μ為動力粘度；ν為運動粘度；μt為湍流粘度；σk，σε為k和ε的湍流普朗特數；k為湍流動能；ε為湍流耗散率；Gk，Gb為由平均速度梯度和浮力產生的湍流動能；Ym為可壓縮湍流中脈動膨脹對總耗散率的貢獻；Fm，Fk和Fε為由于VIT 引起的附加源項；C1ε，C2，C3ε,，σk和σε為常數系數，分別取1.44、1.9、1.44、1.0 和1.2；Cf-car為汽車的截面阻力系數；Acar為垂直于交通方向的車輛前部區域面積；Vfluid為單位體積內的流體體積；ucari，ucarj為i和j方向的車速；Lcar為無間隙安裝車輛時箱子的平均周長；Cε-car為Lcar與湍流長度尺度的比值。

對于CO 和NOx擴散，本文采用歐拉-歐拉模型進行模擬，主控方程如下所示：

式中：C為污染物濃度；D為污染物的分子擴散率；τ為污染物的湍流擴散率；Sc為污染物濃度變化源項，本文研究過程中取0。

研究過程中，考慮實際計算軟件對幾何尺寸的限制，本文建立一個長450m 的隧道模型，隧道內分9 排布置36 臺車輛，車輛間距根據中華人民共和國道路交通法中安全行車距離的要求確定為50m。模型中車輛長寬高尺寸分別為4.5m、1.8m和1.5m，在車輛右后方的尾部區域設置一個直徑為0.05m 的排氣管，排氣管中心離地0.3m。機動車排氣管出口設置為速度入口邊界條件，排氣速度、溫度及排放污染物濃度如表1所示。排氣口湍流條件設置包括湍流強度和湍流特征長度，其中湍流特征長度為排氣管直徑0.05m，湍流強度I計算公式如式（9）所示。經過計算，排氣管出口湍流強度為0.0373。在隧道頂部設置相應的射流風機，由于計算資源限制，本次模擬不考慮射流風機開啟對隧道污染擴散特性的影響，待后續研究中進一步分析考慮。研究過程中所建模型如圖1所示。

圖1 隧道和車輛幾何模型（單位：mm）Fig.1 Geometry model for tunnel and vehicles（Dimension：mm）

式中：Re 為雷諾數。

由于本文聚焦于3km 左右長大隧道的研究過程中，上文所述幾何模型尺寸遠遠小于3km，因而，本文在模擬過程中采用邊界條件傳遞方法，分別建立7 段算例，將上一段算例出口邊界條件傳遞到下一段算例入口斷面，進而完成了車輛行駛交通風特性及污染擴散規律沿長大隧道長度方向的傳遞。模擬過程中，建立了924645 個六面體結構化網格，并將首段隧道入口和出口斷面分別設置成壓力入口和出口，其他段隧道入口斷面設置成速度入口，機動車排氣口設置成速度入口，其他斷面均設置成無滑移壁面，根據中國機動車基準排放數值，并考慮年均2%的衰減系數，確定機動車排放CO 和NOx濃度。同時結合前期研究成果，確定隧道模擬過程中初邊值條件，如表1所示。

表1 模擬過程中的初邊值條件Table 1 Initial and boundary conditions during the simulation

本文所建立的模型和模擬方法已在課題組前期研究中經過充分驗證[11,12]。模擬過程中分別采用二階迎風格式和SIMPLE 方法進行主控方程中對流項和壓力-速度耦合，當連續性方程和能量方程殘差達到10-6，其他方程計算殘差達到10-4時，認為計算收斂。

2 結果分析與討論

圖2 和圖3 分別為入口和出口450m 段離地高度1m 表面的CO 濃度分布特性。上述兩圖中所示的結果表明，隨著交通風的作用，沿車行方向CO濃度快速增長。這表明交通風對CO 濃度的分布具有很明顯的推動作用。在隧道內多排車持續運動過程中，駕乘人員口鼻所處的1m 高度平面CO 濃度在入口段200m 以外區域即基本超過150ppm 的濃度限值。同時，多排車之間區域污染聚集現象十分明顯，且濃度值隨著行車距離的增加而快速增長。圖3 的結果進一步表明，在隧道出口段，駕乘人員口鼻高度1m 平面上的CO 濃度明顯高于入口段，處于500～1300ppm 范圍內，約為入口段8 倍左右。如此高的污染物濃度會對駕乘人員身心健康產生嚴重影響，即使在隧道內部停留的時間比較短。

圖2 不同行車速度下隧道入口段450m 范圍內z=1m 高度平面CO 濃度Fig.2 CO concentration at the section z=1m inside the first 450 m tunnel from the entrance under different vehicle speeds

圖3 不同行車速度下隧道出口段450m 范圍內z=1m 高度平面CO 濃度Fig.3 CO concentration at the section z=1m inside the last 450 m tunnel from the entrance under different vehicle speeds

圖4 為沿隧道方向CO 濃度的變化特性。圖中各點數據為不同縱截面的平均值。從圖中可以看出，在長度達到3km 隧道，與以往研究中提到污染物濃度線性分布特性不同，隧道長度方向的污染分布呈現二次拋物線特性，R2=0.976。在隧道入口段長度1000 范圍內，污染物線性變化的規律較好，但超過1000m 后，污染物濃度變化逐漸放緩。當高密度車流量運行時，隧道出口段濃度已上升到1000ppm，大大超過150ppm 的限值。隧道高密度車流量時，通風系統開啟對降低污染物的作用至關重要。

圖4 沿隧道長度方向不同位置CO 濃度變化特性Fig.4 CO concentration distribution along the traffic flow direction inside the tunnel

3 結論

本文以城市長大隧道為研究對象，重點研究了不同車輛行駛速度下污染物沿隧道長度方向的分布特性，細化了交通風這一關鍵動態因素對隧道通風系統的影響程度及水平，本文的主要結論如下：

（1）隧道交通風對污染物沿長度方向的傳播具有明顯的促進作用；

（2）駕乘人員口鼻所處的1m 高度平面CO濃度在入口段200m 以外區域即基本超過150ppm的濃度限值；

（3）對于長度達到3km 的超長公路隧道而言，隧道長度方向的污染分布呈現二次拋物線特性，R2=0.976。

現階段，我國城市公路隧道通風系統運行尚處于人工經驗和手動控制為主的粗放管控階段，通風系統從設計和運維階段均未充分考慮隧道交通風的影響，本文對交通風特性的研究作為城市公路隧道通風系統自動管控的基礎，為未來在城市公路隧道內實現通風系統自動按需控制提供了理論基礎和技術支持。但受限于計算條件的限制，本文研究中未考慮車輛運行和通風系統同時開啟條件下的污染物沿程分布規律，未來會繼續研究車輛交通風和通風系統共同作用下的隧道污染物分布特性，并基于研究成果開發相關通風系統智能管控平臺，力爭在實際工程中得到應用，真正實現城市長大公路隧道通風系統按需自動控制，切實解決城市長大隧道內污染水平高、衛生條件差等一系列問題。