縱向通風方式下狹長空間內車輛啟動氣流組織特性研究

李奇 LI Qi；崔永龍 CUI Yong-long；魏帥舉 WEI Shuai-ju；李坤 LI Kun

（中國船舶及海洋工程設計研究院，上海 200011）

0 引言

在狹長空間內，由于存在縱橫比大、橫截面小的特點，空間內氣流組織難以直接排出[1]。當在空間內排布多臺車輛，啟動備車時會產生大量有害煙氣，污染整個空間的氣體環境，如果沒有采取合理有效的通風方式，則會在狹長空間內形成較差的空氣狀況，影響空間內活動人員和車輛駕駛人員的運行操作，長時間則會危害各人員健康安全，送風、排風的通風設計是有效抑制煙氣危險，為人員營造良好空氣環境的重要手段[2]。狹長空間的常見通風形式，包括縱向通風、橫向通風、送風型半橫向通風、排風型半橫向通風，其中，縱向通風由于建設費用以及運行費用少、通風開口易布置等優點，逐漸成為公路隧道或鐵路隧道等狹長空間內常見的通風形式，此類通風形式的示意圖如圖1 所示[3]。狹長空間內，縱向通風是通過所設置的通風設備使氣流沿空間縱向方向流動，所產生的氣流運動形式較為簡單，其他較為復雜的通風方式可以在縱向通風的基礎上進行組合變化，由此可見，縱向通風方式的研究是狹長空間內各類通風方式研究的基礎，研究縱向通風所產生的基本氣流規律，分析不同縱向通風方式對污染物擴散的抑制作用和空間內空氣質量的改善效果具有重要意義，可以為其余復雜通風方式氣流組織研究提供技術支持，為狹長空間內通風方案優化提供設計參考。本文基于狹長空間通風設計理論，主要針對縱向通風模式，模擬仿真了三種不同縱向通風方式下狹長空間內車輛備車時氣體環境變化，分析此類通風方式下狹長空間內氣流組織和污染物濃度分布規律，為狹長空間內通風方案設計提供參考。

圖1 狹長空間縱向通風形式示意圖

1 氣流組織仿真方案

1.1 狹長空間縱向通風方案的確定

綜合比選了各常見通風形式，并結合計算狹長空間內需風量、實際工程條件與各方案的特點，提出三種基于縱向通風方式的狹長空間通風設計方案，三種通風方案的詳細設計信息見表1。通風口設置差異，方案1 中、尾部區域的送、排風口均設置在狹長空間的頂部，而方案2 中、尾部區域的送、排風口則設置在狹長空間的左右壁面；自然補風的差異，方案3 補風口設置在首部區域，而方案2 則設置在狹長空間的尾部區域。三種通風方案模擬仿真模型以及送排風口示意圖如圖2～圖4 所示。

表1 三種通風方案的詳細信息

圖2 通風方案1 模型與送排風口示意圖

圖3 通風方案2 模型與送排風口示意圖

圖4 通風方案3 模型與送排風口示意圖

1.2 評價指標的確定

狹長空間內通風量需保證通行人員能承受的煙氣污染量和有害氣體衛生極限。對于有害氣體衛生極限，由于所排放煙氣的各有害污染物成分中，一氧化碳（CO）含量與其濃度限值之比最高，認為CO 危害最大，因此選用CO濃度作為評價指標。對于人員所能承受的煙氣污染量選取煙氣濃度作為評價指標。

在不同的氣流組織下，污染物在狹長空間內會表現出不同的縱向、橫向、高度方向的分布。由于設計通風系統的目的為保障人員呼吸的安全，因此在高度方向上主要考慮地面人員呼吸高度（1.5m 高）、駕駛員呼吸高度（2.15m 高）的污染物濃度分布。

在分析污染物濃度的橫向分布時，考慮到狹長空間內的車輛啟動時會產生向右的高速煙氣射流，導致右側的污染物濃度明顯高于左側。因此，將車輛左側區域（1.5m 高）劃為地面人員活動區（左側人行區），車輛備車狀態時建議地面人員在車輛左側區域活動。在對比各通風設計方案的污染物濃度大小時，主要考慮車輛左側人行區（1.5m 高）、車輛右側排煙區（1.5m 高）、車輛駕駛員呼吸區（2.15m 高）的污染物濃度。亦可分析污染物濃度的左、右分布不均勻性，認為左、右側污染物濃度差異較大（右側高于左側）的通風設計方案更好。

在分析污染物濃度的縱向分布時，可以根據各排車輛的位置劃分出若干區域，計算各區域內的局部污染物平均濃度，進行對比。

2 結果與分析

2.1 狹長空間內縱向通風所產生的氣流特性

對于方案1 和方案2，由于縱向通風的特點，在送風氣流的影響下，狹長空間內車輛啟動時產生的煙氣向首部區域方向流動，導致首部區域污染物濃度較高。當首部1～3#車輛備車時，由于逆空氣流向，所以基本不會存在向尾部流動的煙氣，因此從圖5～圖6 中可以看出此工況下尾部車輛附近的污染物濃度基本為0。

圖5 各通風方案下各人行區呼吸高度、排煙區及車輛駕駛員呼吸區局部CO 平均濃度

圖6 各通風方案下各人行區呼吸高度、排煙區及車輛駕駛員呼吸區局部煙氣平均濃度

方案1 中、尾部區域的送、排風口均設置在狹長空間的頂部，而方案2 中、尾部區域的送、排風口則設置在狹長空間的左右壁面；針對自然補風，方案3 補風口設置在首部區域，而方案2 則設置在狹長空間的尾部區域，從圖5～圖6 中進行初步分析可以發現，縱向通風方式和自然補風方式的差異使得方案2 的通風設計優于方案1 和3，在各種工況下可以獲得最佳效果，人員活動區和車輛駕駛員區可以保持最小的污染物濃度。

2.2 不同縱向通風方式對狹長空間內氣流組織特性的影響

在2.1 節中展示了不同通風方式下局部CO 平均濃度和煙氣平均濃度分布情況，分析了CO 和煙氣兩者濃度的分布規律，發現其趨勢基本保持一致，故本節主要針對不同工況下CO 平均濃度的分布情況，分析方案1、方案2 兩種不同縱向通風方式下氣流組織特性。將方案1、2 兩種通風設計方案下的各左側人行區（呼吸高度h=1.5m）、右側排煙區（1.5m 高）、各車輛駕駛員呼吸區（2.15m 高）的局部CO 平均濃度分布情況依次通過圖7 至圖9 進行展現，后續將會分別分析1～3#車輛備車、4～6#車輛備車、6～8#車輛備車三種備車工況下氣流組織特性。

圖7 方案1 和2 各工況下各人行區呼吸高度局部CO 平均濃度

圖8 方案1 和2 各工況下各排煙區局部CO 平均濃度

圖9 方案1 和2 各工況下各車輛駕駛員呼吸區局部CO 平均濃度

對于方案1 和方案2，由于縱向通風的特點，尾部區域產生的煙氣隨送風氣流向首部區域方向流動，導致首部區域污染物濃度較高。

從圖7～圖9 中可以看出，當處于備車工況1 即首部區域1～3#車輛備車時，對于方案1，由于排風口均設在頂部，帶動從尾部區域流向首部區域的氣流較早地向高處排風口位置流動，減少了煙氣向狹長空間首部區域的蔓延，因此首部的污染物濃度較低；同時因為排風口均設在頂部，煙氣射流沖擊右側壁面后在排風氣流的帶動下向左側蔓延，造成左側2#車輛附近的污染物濃度高于方案2。考慮到實際運行中車輛位置變動等因素，將1～3#車輛的人員呼吸區綜合考慮，認為方案2 在備車工況1 下的表現略優于方案1。

當中部區域車輛備車時，首部區域車輛已經駛離，因此優先考慮靠近尾部區域的人員活動區；同理，備車工況2 即尾部區域車輛備車時亦優先考慮靠近尾部的人員活動區。因此，對于備車工況2～3，從圖中可以看出，尾部區域方案2 的污染物濃度普遍低于方案1，污染物在縱向通風的作用下向首部區域流動，壁面開口進行送排風的通風方式可以更有效率地幫助煙氣流動，首部區域的污染物濃度會普遍高于頂部開口通風的方案1，使得尾部區域可以獲得更加良好的空氣狀況，因此得出方案2 的通風效果更佳。

2.3 不同自然補風方式對狹長空間內氣流組織特性的影響

針對方案2、3 采取相同的送排風布局，形成類似的縱向通風條件，但改變了兩個方案的補風設置，以此來分析不同補風方式對狹長空間內氣流組織特性的影響。從分布圖10、圖11 看出，對于方案2 和3，送風氣流在尾部區域流向首部區域的過程中變得較為均勻，對于煙氣射流的直接排除起到了導流作用，減少了煙氣的擴散；狹長空間內靠近首部的頂部排風氣流帶動部分煙氣向首部方向流動，并蔓延至車輛左側的人員活動區。

圖10 通風方案2 首部三臺備車時氣流組織與污染物濃度分布圖

圖11 通風方案3 首部三臺備車時氣流組織與污染物濃度分布圖

方案3 與方案2 相比，首部區域開啟的兩側的門補風氣流加劇了煙氣從首部區域往車輛左側人員活動區的蔓延，導致人行區、車輛駕駛員呼吸區的污染物濃度更高。所以按照方案2 將補風口設置在狹長空間的尾部區域，在整個通風過程中可以獲得更加良好的氣流狀況。

3 結論

通過對基于縱向通風方式的三種通風設計方案下狹長空間內車輛啟動時氣流組織模擬仿真結果進行對比和分析可以得出以下結論。

①由于縱向通風的特點，在送風氣流的影響下，狹長空間內車輛啟動時產生的煙氣向首部區域方向流動，導致首部區域污染物濃度較高，且送風氣流在尾部區域流向首部區域的過程中變得較為均勻，對于煙氣射流的直接排除起到了導流作用，減少了煙氣的擴散。

②不同備車工況下相比于方案1，方案2 的壁面開口進行送排風的通風方式可以更有效率地幫助煙氣流動，以獲得更加良好的空氣狀況，方案1 則會形成不穩定氣流，造成部分煙氣向左側人員活動區或者車輛駕駛區蔓延，因此相比之下方案2 可以形成更加良好的氣流組織形式。

③方案3 與方案2 相比，首部區域開啟的兩側的門補風氣流加劇了煙氣從首部區域往車輛左側人員活動區的蔓延，導致人行區、車輛駕駛員呼吸區的污染物濃度更高。所以按照方案2 將補風口設置在狹長空間的尾部區域，在整個通風過程中可以獲得更加良好的氣流狀況。