淺層城市隧道通風特性的數值模擬研究

摘 要：【目的】為探究常規交通工況下淺層城市隧道內的通風特性和污染物擴散規律。【方法】以鄭州市某組合立交工程隧道段項目為研究對象，截取隧道入口段430 m為計算案例，采用數值模擬的方法構建機械通風混合自然通風的三維隧道模型，開展了不同工況下的模擬對比分析。【結果】在常規交通工況下，不考慮自然風的影響，隧道內的活塞風大小順序為混合通風、機械通風、無通風、自然通風；射流風機的開啟，對隧道內的風速提升約44%。在隧道污染物完全擴散的初始段，隧道內污染物濃度大小順序為無通風、自然通風、機械通風、混合通風。【結論】在設計和運營隧道通風系統時，對射流風機的使用和優先選擇混合通風，可以提高隧道內的空氣質量和安全性。

關鍵詞：淺層城市隧道；混合通風；通風特性；污染物擴散；數值模擬

中圖分類號：U453.5" " "文獻標志碼：A" " 文章編號：1003-5168（2023）21-0078-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.21.018

Numerical Simulation Study on Ventilation Characteristics of Shallow Urban Tunnels

CHU Fei1 XU Haijie1 YANG Zeming1 SHAO Wei1 TIAN Fangzheng1 ZHANG Wenjian2 LI Ruixin2

（1.China Railway Engineering Consulting Group Zhengzhou Design Institute， Zhengzhou 450000， China;

2. Zhengzhou University， Zhengzhou 450001， China）

Abstract： [Purposes] This paper aims to investigate the ventilation characteristics and pollutant diffusion patterns in shallow urban tunnels under normal traffic conditions. [Methods] This study takes a certain combined interchange project tunnel section in Zhengzhou as the research object， and selects a 430 m section at the tunnel entrance as the calculation example. A three-dimensional tunnel model of mechanical ventilation， mixed ventilation， and natural ventilation was constructed using numerical simulation， and comparative analysis was conducted under different working conditions. [Findings] Under normal traffic conditions and without considering the influence of natural wind， the order of piston wind in the tunnel is mixed ventilation， mechanical ventilation， no ventilation， and natural ventilation. The opening of the jet fan increases the wind speed in the tunnel by about 44%. In the initial stage of complete diffusion of pollutants in the tunnel， the order of pollutant concentration in the tunnel is no ventilation， natural ventilation， mechanical ventilation， and mixed ventilation. [Conclusions] When designing and operating tunnel ventilation systems， the use of jet fans and the priority selection of mixed ventilation can improve the air quality and safety in the tunnel.

Keywords： shallow urban tunnel; mixed ventilation; ventilation characteristics; pollutant diffusion; numerical simulation

0 引言

隨著我國城市化進程的不斷推進，在大城市和特大城市中普遍存在交通擁堵問題。在城市地面交通用地受限的背景下，城市地下空間得到大規模利用，修建城市隧道可起到緩解地面擁堵、提高交通效率的作用，同時還能夠降低噪聲污染，改善城市環境^［1］。

城市隧道的大規模建設同時也帶來了一系列問題。城市隧道具有埋深淺、交通量大、長度短等特征，隧道位置多處于城市核心區域，周邊人流密集，隧道內以CO為主的污染物容易在隧道內匯聚，在隧道出口集中排出，這也就對城市隧道內的空氣質量標準提出了更高的要求，以保證隧道內駕駛人員和隧道周邊人群的人身健康^［2］。目前，針對城市隧道環境的研究主要集中在汽車行駛速度^［3］、隧道內火災^［4］、通風口布置形式^［5-6］等方面，而對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。

本研究立足鄭州市某組合立交工程隧道段結構設計要求，選取隧道入口段430 m構建不同通風工況下的三維模型，探究正常交通工況下淺層城市隧道內的通風特性和污染物擴散規律，為隧道的設計和后期運營提供參考。

1 數值模擬設計

1.1 隧道模型建立

該組合立交工程道路等級為城市主干道，雙洞雙向六車道，主線隧道設計速度為50 km/h。隧道段全長1 325 m，頂部開口區域為180 m，暗埋段區域全長1 145 m。本研究選取隧道入口段430 m，參照隧道實際設計尺寸，采用SCDM軟件建立隧道模型，如圖1所示。

隧道為矩形箱涵結構，單洞橫斷面尺寸為15 m×8.9 m，隧道凈空尺寸為13 m×7 m，位于距離隧道入口150 m處，射流風機出口風速為37.0 m/s，軸向推力為138 N，葉輪直徑為1 000 mm。具體模擬工況為：隧道尺寸為430 m×13 m×7 m，汽車尺寸為4.5 m×1.8 m×1.6 m。

為了方便計算，在不影響計算結果精度的前提下，對隧道內的流體進行適當的假設：①隧道內流體是連續介質；②隧道內流體具有不可壓縮性；③隧道內流體為恒定流。

同時忽略對隧道內氣流組織影響較小的因素，如轉彎處和坡度，不考慮隧道內表面的部分結構細節，忽略隧道斷面邊角處的倒角。

1.2 網格驗證及邊界條件設定

為保證模型計算的精確性，將隧道模型劃分為342萬、244萬、119萬和90萬4種結構化網格數目進行網格獨立性驗證，得到網格數量為244萬和342萬時，汽車運動6 s后不同測點的風速之間誤差小于5%。所以選擇網格數量為244萬的結構化網格的方案來探究隧道內的速度場變化。

在邊界條件設定中，設置隧道進出口為壓力邊界，隧道壁面設置為無滑移邊界，隧道內射流風機設置為fan邊界，設定壓力突變為850 Pa實現風機的運行效果。隧道內的污染物的設定采用組分輸運模型，設定汽車排氣口為質量入口邊界，定義為質量流率0.025 kg/s，CO組分質量分數設定為0.009 8^［7］。隧道內的汽車運動采用動網格技術、動態分層模型，湍流模型采用realizable k-e模型，壓力-速度耦合采用SIMPLE算法。

2 結果與分析

本研究設定4種不同工況進行對比分析，具體見表1。汽車間距為推薦車距50 m安全距離，建立車隊模型為9車輛，三車道行駛。

通過對不同工況進行模擬，分析城市隧道機械通風與自然通風的耦合效應及通風規律。

2.1 隧道內風速場的擴散分析

為了探究隧道內風速場的擴散規律，本研究基于汽車運動20 s后的隧道模型進行數據分析，通過對隧道內汽車運動方向多個截面的平均速度進行對比分析，探究隧道內部整體的風速場變化規律。通過對隧道內不同工況的風速場進行對比分析，分析隧道的通風規律。隧道整體風速分布如圖2所示，隧道初始段風速分布如圖3所示。

由圖2、圖3可知，通過對工況進行分析，能夠得到隧道在機械通風作用下整體風速變化規律。對工況1和工況2進行對比分析，得到隧道內在無機械通風作用下的平均風速為1.36 m/s，該風速是僅由隧道內汽車運動形成的交通風。而在僅有機械通風作用下，隧道內的平均風速為1.96 m/s，表明射流風機的開啟，對隧道內的風速有明顯的提升作用，提升幅度大約44%。對工況3進行分析可知，經頂部開口后的城市隧道內流場流速與不開口工況相比發生下降；對工況4進行分析可知，隧道內的風速在射流風機和頂部開口的作用下得到提升。工況3在隧道僅有頂部開口進行自然通風的情況下，隧道內的平均風速為1.27 m/s，與不開口工況相比發生下降，表明自然通風對隧道內活塞風有干擾作用，與已有學者實測結果一致^［8］。經分析得到隧道頂部開口使得隧道內整體的風速下降約7%。

在機械通風和自然通風同時作用的情況下，隧道內的整體風速達到2.13 m/s，相較于無通風作用下提升約57%，在4種工況下最高，表明隧道在射流風機和頂部開口的共同開啟時，對隧道內風速的提升有很明顯的促進作用。

隧道內固定截面處的逐時平均風速變化趨勢如圖4所示。由圖4可知，在160 m截面處的平均風速均在汽車通過截面5 s后趨于平穩，工況2和工況4由于射流風機作用，在汽車通過前后的截面時平均風速均有所提升，其中在20 s時混合通風截面平均風速穩定在2.7 m/s左右，相較于僅機械通風工況下（2.3 m/s）有所提升。

2.2 隧道內污染物濃度場的擴散分析

通過對隧道風速場進行分析，可知在汽車運動20 s后，隧道初始段的風場基本趨于平穩，也就是說通過對不同工況的隧道初始段進行對比，更容易得出隧道內的污染物擴散規律。隧道整體污染物分布如圖5所示，隧道初始段污染物分布如圖6所示。

本研究根據隧道內污染物的質量分數變化來表征污染物濃度變化規律^［9］。通過對工況1～2進行分析，能夠得到隧道在射流風機作用下隧道內整體污染物的變化規律。由圖5、圖6可知，隧道內沿汽車運動方向的污染物濃度呈上升趨勢。原因是隧道內流場在汽車運動形成的交通風的作用下向隧道出口方向流動，污染物在隧道風的作用下向汽車運動方向遷移，隨著汽車在隧道內運動距離的增加，污染物的堆積現象會越發嚴重^［10］。

工況3隧道僅有頂部開口進行自然通風，與工況1相比，兩者的污染物濃度在隧道初始段最為相近。從隧道整體來看，兩種工況的污染物逐時變化曲線重合，表明僅通過自然通風，對隧道內整體的污染物變化沒有明顯的積極作用^［9］。

工況2隧道僅有機械通風，與工況4混合通風相比，兩者的污染物濃度在隧道初始段均為較低水平。從隧道整體來看，不同工況的污染物濃度變化受射流風機影響較大，表明隧道自然通風需要與機械通風結合，才能達到更好的通風效果。

在機械通風和自然通風同時作用的情況下，隧道內的污染物濃度達到最低水平，表明隧道在射流風機和頂部開口的共同開啟，對隧道內污染物的擴散最為有效。

3 結論

本研究利用數值模擬的方法對淺層城市隧道的流場特性進行分析，得出以下結論。

①在設計車速和單機械通風條件下，隧道內始終存在較高風速，而單自然通風隧道則由于頂部開口存在，自然風擾動會削弱隧道內的交通風作用，隧道內的整體風速呈現工況4（混合通風）＞工況2（機械通風）＞工況1（無通風）＞工況3（自然通風）的狀態。

②在不考慮自然風的影響下，無機械通風作用下的隧道內污染物濃度沿隧道縱向呈現逐漸增大的變化趨勢，在有機械通風作用下隧道內污染物短期無法完全擴散，隧道整體污染物總量并沒有明顯降低。在污染物完全擴散的隧道初始段，污染物濃度呈現工況1（無通風）＞工況3（自然通風）＞工況2（機械通風）＞工況4（混合通風）的狀態。

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收稿日期：2023-06-13

作者簡介：楚飛 （1978—）， 男 ，本科 ，高級工程師 ，研究方向：暖通空調系統節能設計。