復雜通風方式下狹長空間內車輛啟動氣流組織特性研究

魏帥舉 WEI Shuai-ju；孫軼凡 SUN Yi-fan；崔永龍 CUI Yong-long；李奇 LI Qi；繆越 MIAO Yue

（中國船舶及海洋工程設計研究院，上海 200011）

0 引言

狹長空間建筑日益發展，公路隧道或鐵路隧道等狹長空間內當車輛啟動時將會產生極易污染空間內氣體環境的有害煙氣，影響車輛的正常運行和相關人員的身體健康，所以采取合理有效的通風方式，抑制狹長空間內煙氣的擴散并及時排出至關重要[1]。在狹長空間內，通風系統對車輛啟動氣流組織具有重要影響，通過研究氣流組織特性，可以了解通風系統的工作原理和效果，進而優化通風系統設計，以提高車輛啟動時的氣流效果和能量利用效率。不同的通風方式會對氣流的流動情況、速度分布和壓力變化等方面均會產生影響，尤其是組合形成的復雜通風方式，其產生的氣流組織更為獨特，對排放物濃度和擴散范圍的增減作用和車輛啟動時安全性的影響均需研究分析，由此可見，通過建立合理的數學模型和計算方法，模擬仿真復雜通風方式下狹長空間內車輛啟動時氣流運動形式，了解氣流組織規律，針對氣流組織特性進行研究具有重要意義。狹長空間內的車輛污染源為向右排放的高速煙氣射流，需要營造橫向不均勻的空氣環境，減少污染物隨氣流的擴散，其常見的通風形式，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[2]，其中送風型半橫向通風在狹長空間的左右壁面上均會開啟多個送風口，雖然在氣流縱向流動過程中沒有損失風量，但右側的送風氣流可能引起污染物的擴散，不利于煙氣的及時排除，所以本文基于狹長空間通風設計理論，針對多種通風模式，模擬仿真了三種不同通風方式下狹長空間內車輛備車時氣體環境變化，綜合分析復雜通風方式所產生的獨特氣流組織，以及對基礎通風方式排煙效果的影響，為狹長空間內通風方案優化設計提供參考。

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，提出了三種不同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。方案2 狹長空間內形成以排風為主體的半橫向通風，與縱向通風相結合，在狹長空間內形成了獨特的氣流組織；方案3 則在兩側壁面反向風口的作用下形成橫向通風，并以縱向通風為基礎，形成了縱向、橫向通向相結合的氣流組織形式；方案1 則單純以縱向通風為主體，實現排煙效果。三種通風方案模擬仿真模型以及送排風口示意圖如圖1～圖3 所示。

圖1 通風方案1 模型與送排風口示意圖

圖2 通風方案2 模型與送排風口示意圖

圖3 通風方案3 模型與送排風口示意圖

表1 三種通風方案的詳細信息

一般情況下，狹長空間內最多有1/3 的車輛同時備車，即3 臺車輛同時備車，然后依次駛出。當首部區域前三臺車輛首先進行備車時，狹長空間內車輛數最大，空間最為逼仄，備車過程中所形成的氣體環境最為不利，所以本文主要分析首部區域1～3#車輛備車時在不同通風方式下所形成的氣流組織特性。

1.2 評價指標的確定

車輛備車啟動過程中會排放大量有害氣體，由于狹長空間結構的特殊性，其通風狀況相對較差，車輛所產生的煙氣由于燃料燃燒不補充，其所含有害污染物成分中，一氧化碳（CO）含量與其濃度限值之比最高，因此選用CO 濃度作為評價指標，同時選定煙氣濃度作為人員所能承受煙氣污染量的評價指標[3]。可以通過對比不同方案局部CO、煙氣平均濃度折線圖，定量分析其在狹長空間內各區域的污染物分布情況，也可通過備車工況下狹長空間內氣流組織與污染物濃度分布云圖分析污染物在空間內的整體擴散情況。

在狹長空間內中，各車輛的煙氣射流方向朝向右側，通風系統的設計目標為盡快排除產生的煙氣、減少煙氣向周邊區域的擴散，即需要營造不均勻的空氣環境，使污染物在右側的濃度分布高于左側，以利于污染物的及時排除。因此，將狹長空間的各排車輛的左側區域（1.5m 高）作為地面人員活動區（左側人行區）、各排車輛的右側區域（1.5m 高）作為右側排煙區、各車輛駕駛員所處區域作為駕駛員呼吸區（2.15m 高），以減小左側人行區、車輛駕駛員呼吸區的污染物濃度為目標。

2 結果與分析

2.1 復雜通風方式下狹長空間內氣流組織特性

當狹長空間內首部區域的三臺車輛備車時，三種方案均以縱向通風為基礎，排除車輛啟動時所產生的有害煙氣，方案2 狹長空間左右壁面開啟了12 個排風口，從而形成了以排風為主體的半橫向通風，與縱向通風相結合，在狹長空間內形成了獨特的氣流組織；方案3 則在左側壁面開啟了7 個送風口，同時在右側壁面開啟了7 個排風口，橫向通風在兩側壁面反向風口的作用下形成，并以縱向通風為基礎，形成了縱向、橫向通向相結合的氣流組織形式。方案1 則單純以縱向通風為主體，實現排煙效果，后續將會針對三種方案進行綜合分析，探究復雜通風方式所產生的獨特氣流組織，以及對基礎通風方式排煙效果的影響，得出其中可在狹長空間內產生最佳氣體環境的方案。

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會沿著尾部區域向首部區域的方向流動，導致首部區域污染物濃度較高，因此從圖4、圖5 中可以看出當首部1～3#車輛備車時，三種方案在尾部車輛附近的污染物濃度均會維持較低水平，大量有害煙氣會聚集在首部區域。

圖4 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煙氣平均濃度

方案2、3 在縱向通風的基礎上分別實現了半橫向通風和橫向通風，通風方式的綜合效果會帶動氣流組織產生復雜變化。狹長空間內以縱向分析，從圖中可以看出在方案1 只有縱向通風條件下，首部區域車輛備車時中部、尾部區域的污染物濃度基本為0，而方案2、3 所產生的復雜氣流組織會使得車輛啟動所產生的有害煙氣向中部、尾部區域蔓延，相比于方案1 其污染物濃度會有所升高；從狹長空間的橫向分析，方案2、3 所產生的復雜氣流組織也會帶動車輛在右側排煙區所產生的煙氣向人員活動區和車輛駕駛區蔓延，從圖中可以看出當位于人員活動區和駕駛員區時，方案1、2、3 在首部區域所形成的污染物濃度依次增高，人員活動區內此現象尤為明顯。

從分布圖6 可以看出，對于方案1，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，同時由于排風口均設在頂部，帶動從狹長空間尾部流向首部的氣流較早地向高處排風口位置流動，減少了煙氣向首部區域的蔓延，因此狹長空間右側排煙區偏向1#車輛首部區域的污染物濃度較低。

圖6 通風方案1 首部區域三臺備車時氣流組織與污染物濃度分布圖

2.2 半橫向通風方式對狹長空間內氣流組織特性的影響

綜合分析圖7 氣流組織和污染物濃度分布云圖，并結合前文分析發現，對于方案2，狹長空間左右壁面上的排風口，在發揮作用之時會擾亂縱向通風所產生的均勻縱向氣流，無法及時從排風口排出時又會與壁面相碰撞，形成不穩定的氣流組織，同時中部區域的頂部送風氣流向下遇到車輛障礙后向四周擴散，帶動車輛啟動所排放的煙氣向人員活動區或駕駛員區擴散，進而影響到車輛左側的人員活動以及車輛駕駛；而且前三臺車輛排放的污染物亦有少量擴散到了狹長空間內的尾部區域。

圖7 通風方案2 首部區域三臺備車時氣流組織與污染物濃度分布圖

對于方案1 縱向通風而言，由于通風氣流在縱向流動過程中沒有風量排出，污染物逐步被送入狹長空間內的新風稀釋，所以污染物濃度的峰值較低，且首部區域的污染物濃度相對于排風型半橫向通風更低。相比之下，方案1的通風方式更佳，可以形成更加良好的氣流組織，便于人員活動和駕駛車輛。

2.3 橫向通風方式對狹長空間內氣流組織特性的影響

綜合分析圖8 氣流組織和污染物濃度分布云圖，并結合前文分析發現，方案3 與方案1 相比，橫向送風射流產生了送風口高度橫向上較大的向右風速，沖擊車輛備車時所產生的有害煙氣，使得污染物氣體無法及時從右側壁面排風口排出，被沖擊的煙氣撞擊右邊排風口兩側的壁面，并在復雜氣流組織的卷吸下向左側人員活動區和駕駛員區擴散，同時縱向通風產生的縱向氣流帶動擴散而來的煙氣更多地聚集在狹長空間的首部區域，而方案1 縱向通風過程中沒有風量排出，污染物逐步被送入狹長空間內的新風稀釋，所以污染物濃度的峰值較低，相較于方案1，方案3 首部區域的污染物濃度會更高。相比之下，方案1 的通風方式更佳，可以形成更加良好的氣流組織，便于人員活動和駕駛車輛。

圖8 通風方案3 首部區域三臺備車時氣流組織與污染物濃度分布圖

3 結論

通過對三種通風方式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狹長空間內以縱向分析，方案2、3 所產生的復雜氣流組織會使得車輛啟動所產生的有害煙氣向中部、尾部區域蔓延，相比于方案1 其污染物濃度會有所升高；從狹長空間的橫向分析，當位于人員活動區和駕駛員區時，方案1、2、3 在首部區域所形成的污染物濃度依次增高，人員活動區內此現象尤為明顯。②對于縱向通風而言，由于通風氣流在縱向流動過程中沒有風量排出，污染物逐步被送入狹長空間內的新風稀釋，所以污染物濃度的峰值較低，且首部區域的污染物濃度相對于橫向通風和排風型半橫向通風更低。③在縱向通風的基礎上實現的半橫向通風和橫向通風會產生不穩定的氣流組織，帶動車輛啟動所產生的煙氣向周圍擴散，而對于方案1 只要縱向通風時，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，可以減少煙氣的擴散，所以相比之下，方案1 的通風方式更佳，可以形成更加良好的氣流組織，便于人員活動和駕駛車輛。