基于污染物分布的隧道双组通风井送排式通风控制研究

基于污染物分布的隧道双组通风井送排式

通风控制研究

宁 军，余凡凡，熊 雅，任 锐

3.陕西铁路工程职业技术学院，陕西 渭南 714099）

摘 要：为了优化双组通风井送排式纵向通风方式的运营通风控制，降低隧道运营能耗。本文针对长度6.3km 公路隧道，利用fluent仿真软件建立了考虑车辆污染物（CO）排放的双组通风井送排式通风的1：1三维数值仿真模型，并采用k-ε湍流模型进行了数值计算。根据数值计算结果，分析了通风风量对隧道内污染物浓度的分布的影响规律。研究结果表明：1#、2#通风井将隧道分为3个通风段，1#通风井近隧道入口，2#通风井近出口，随着2#通风井排风量增加，位于2#通风井上游通风段的CO浓度减小，位于2#通风井下游通风段的CO浓度增加；1#通风井送风量大小改变对稀释CO浓度的影响程度大于2#通风井排风量大小改变对稀释CO浓度的影响程度。 关键词：隧道；通风井送排式；污染物浓度；通风控制；数值仿真 

中图分类号：U453.5 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2017）04-0272-03

一、引言

隧道通风系统直接关系隧道运营环境的安全性与舒适性，也是隧道运营能耗的主要组成部分[1]。纵向通风方式下隧道里的风流方向与行车方向一致，可以有效利用交通风与自然风，降低通风能耗，所以纵向通风方式被广泛应用于单向行车的高速公路隧道设计中。纵向通风方式根据通风设备的不同可分为射流风机纵向通风与通风井送排组合纵向通风方式[2]。射流风机纵向通风方式采用射流风机增压通风[3]，其适用长度为3km以下，通风井送排组合纵向通风方式，通过通风井将隧道分区段进行换气通风，解决了纵向通风适用长度的难题，被广泛应用于在长大公路隧道的通风设计中[4]，例如秦岭终南山特长公路隧道采用三组通风井送排式通风，太原西山隧道采用双组通风井送排式通风，苍山隧道采用双组通风井送排式通风等，这些长大公路隧道的建成运营也推动了通风井送排式通风方式的理论研究与应用。目前对通风井送排式通风方式的研究可归纳为两方面：通风方案计算方法研究与通风系统局部结构研究。如王晓雯在流体力学的基础上，建立了双组通风井送排式通风方式的基本方程，提出双组通风井送排式通风式控制点位于通风井排风口与送风口之间的短道区域[5]；曾艳华，基于通风网络理论，提出了通风井送排式通风方式的射流风机与轴流风机的优化配置[6]；涂耘，通过模型试验验证了雪峰山通风井纵向通风方案的可行性 [7]；方磊通过模型试验确定了排风口与隧道轴线最佳角度为30°，送风口导流板与隧道轴线最佳角度为5°~6°，优化了通风结构，减少了通风阻力[8,9]；温玉辉，通过运用三

收稿日期：2017-03-01

作者简介：宁 军（1984-），男，中国公路工程咨询集团有限公司工程师。长期从事隧道结构及运营安全研究。 基金项目：火灾时隧道半横向通风方式的通风组织模式研究项目（2013JK0958）。

维数值仿真模型计算，提出通风井送排式通风方式下，送排流量比φ以及送风方向与隧道主体夹角β与送排流量比φ两个因子的交互作用对短道回流有显著影响[10]。

可见，目前针对通风井送排式通风方式的研究仅局限于在通风方案设计，然而，随着绿色公路理念的推行，通过优化通风控制模式，提高通风效率降低运营能耗显得尤为重要。为此，本文针对国内某特长公路隧道的双组通风井纵向通风方式，运用流体动力学计算方法，研究通风井送、排风量控制对隧道内污染物浓度分布的影响规律进行研究，为多组通风井送排组合纵向通风方式下的通风控制优化提供支持。

二、通风井送排式通风方式数值仿真模型

国内某特长公路隧道上行线全长6.3km，纵坡为2.2%，公路隧道通风设计的卫生标准应该以稀释机动车排放的一氧化碳（CO）为主，必要时可以考虑稀释二氧化碳（N02），根据此隧道的设计要求，只考虑CO排放量，其CO排放量设计参数为0.828m3/s，再根据公路隧道通风设计细则，此隧道的需风量设计参数为474.95m3/s，通风设计参数如表1所示。拟采用双通风井送排式通风方式，如图1所示，图中1#、2#通风井将隧道分为3个主要通风段，L1为排风段2,060m、L2为送排风段2,070m、L3为送风段2,084m，Ls1为1#短道段50m、Ls2为2#短道段50m，Q1为排风段L1风量，Q2为送排风段L2风量，Q3为送风段L3风量，Qs1为短道段Ls1风量，Qs2为短道段Ls2风量，Qe1为1#通风井排风量，Qb1为1#通风井送风量，Qe2为2#通风井排风量，Qb2为2#通风井送风量。隧道内污染物分别经由通风井排风

1

1

2

2，.3

（1.中国公路工程咨询集团有限公司，湖北 武汉 430023；2.长安大学，陕西 西安 710064；

第4期 宁 军等：基于污染物分布的隧道双组通风井送排式通风控制研究 273 口、隧道出口排出，进入隧道的新鲜风总量Qin如式（1）所示。

QinQb1Qb2Q入口 （1）

表1 通风设计参数

长度 CO排放量 隧道 需风量 /m /m3

/s /m3

/s 上行隧道

6314

0.0828

474.95

图1 隧道双组通风井送排式通风方式示意图 1．模型建立

根据该特长隧道的结构参数，运用fluent软件建立与原型1：1比尺的双通风井送排式通风方式三维数值仿真模型，以CO作为示踪污染物。隧道横断面特征参数如表2所示。

表2 隧道横断面结构参数

高度

底宽 截面积 当量直径D

横断面

/m /m /m2

/m 7.03

8.75

62.79

8.115

若数值仿真模型的纵向长度与原型相等，将大大增加网格划分数量，增加模型计算量。因此，在数值仿真模型的L1、L2、L3区段的风流稳定区内添加porous-jump模块，以porous-jump模块的局部阻力代替风流稳定段的部分沿程阻力，在保证各主要模型各通风段阻力系数与原型风段阻力系数相等的前提下，对数值仿真模型进行简化，提高计算效率。并且，porous-jump模块对CO渗透系数为106

。简化

后数值仿真模型局部示意图如图3所示。模型各通风段阻力系数如表3所示，沿程阻力系数0.025。

表3 模型各通风段总沿程阻力系数

通风段 总沿程阻力系数ζmi

L1 6.35 L2 6.38 L3

6.42

图2 双通风井送排式通风方式数值仿真模型示意图 2．控制方程

考虑到隧道运营期间，隧道内流动为湍流状态，故选择k-ε湍流计算模型，控制方程如式2~6所示

连续方程：

u0 （2） 动量方程：

uuT2upg （3） 湍流动能：  

uk



T

k

p （4） k



k湍流耗散率：

u



T

CpkC2

2pkk （5） 1k

标量输运方程如式所示：

u2S （6） 式中，ρ为空气密度，u为速度矢量，g为重力加速度9.8m/s2，pk为湍流产生项，ε为湍流耗散率；Sφ为污染物源项；Γ，污染物扩散系数；通用常数C1、C2、Cμ、Cε、Ck分别为1.44、1.92、0.09、1.30、1.00。

三、结果与讨论 1．污染物浓度分布

研究1#、2#通风井送、排风量Qb1、Qe2等因素对隧道内污染物浓度分布规律影响，计算工况如表4所示，计算结果如图3、4所示。

表4 计算工况

1#通风井

2#通风井

工况

序号

排风量 送风量 排风量 送风量 /m3

/s

/m3

/s /m3

/s /m3

/s 1 250 350 300 250 2

250 300 300 250 工况1

3 250 250 300 250 4 250 200 300 250 5 250 150 300 250 1 300 250 350 250 2

300 250 300 250 工况2

3 300 250 250 250 4 300 250 200 250 5

300

250

150

250

图3 工况1 隧道内CO浓度分布

图4 工况2 隧道内CO浓度分布

274 中 国 水 运 第17卷 双通风井送排式纵向通风方式下，隧道排风段L1内CO浓度自隧道入口处沿隧道纵向累积增加，在1#通风井排风口（z=2,060m）达到最大值，并经由1#排风口排出；送排风段L2的CO浓度自1#通风井排风口位置沿隧道风流方向线性增加，在2#通风井排风口（z=4,180m）达到最大值，并经由2#排风口排出；送风段CO浓度自2#通风井送风口处沿隧道风流方向线性增加，在隧道出口（z=6,300m）达到最大值，经隧道出口排出。在通风井排风口与送风口之间是短道区域，该区域受到排风口的负压与送风口下方负压区的共同作用下，因此气流复杂，不利于污染物的消散，短道内CO浓度分布紊乱。

如图3所示，工况1调整1#通风井送风量Qb1由150m3/s增加至350m3/s时，隧道排风段L1（z=0~2,060m）CO浓度最大值δ1增加1.16%；隧道送排风段L2（z=2,110~4,180m）CO浓度最大值δ2减小45.18%；隧道送风段L3（z=4,230~6,300m）CO浓度最大值δ3减小41.66%。这是由于1#通风井位于近隧道入口侧，其排风口的负压区降低了其送风口高速射流的卷吸作用，因此1#通风井送风量Qb1增加，使得其上游排风段L1的通风量减小，而使得位于其下游的送排风段L2与送风段L3的通风量明显增加，故增加位于近隧道入口1#通风井送风量Qb1可有效降低其下游通风段污染物浓度。

如图4所示，工况2调整2#通风井排风量Qe2由150m3/s增加至350m3/s时，隧道排风段L1（z=0~2,060m）CO浓度最大值δ1减小17.22%；隧道送排风段L2（z=2,110~4,180m）CO浓度最大值δ2减小9.78%；隧道送风段L3（z=4,230~6,300m）CO浓度最大值δ3略微增加8.25%。这是由于2#通风井排风量Qe2增加，使得位于2#通风井上游的排风段L1、送排风段L2通风量增加，使得位于2#通风井下游送风段L3的通风量减小。故增加位于近隧道出口的2#通风井排风量Qe2，仅能够降低其上游通风段污染物浓度，但会引起其下游通风段污染物浓度的增加。

四、结论

本文通过数值仿真方法，研究了公路隧道双组通风井送排式通风方式下，不同位置的通风井风量变化对隧道内污染物浓度的影响规律与运营期间通风井控制优化措施，研究结果如下：

（1）接近隧道进口的通风井（1#），其送风高速射流对其上游区段空气的的卷吸作用明显，随着其送风量由

150m 

3/s增至350m3/s，其下游送排风段L2与送风段L3污染物浓度分别减小了45.18%和 41.66%。而其上游排风段L1污染物浓度略微增加1.16%。

（2）在2#通风井排风口负压与1#通风井送风口高速射流卷吸作用影响下，2#通风井排风口风流主要作用于其上游区段，随着2#通风井排风量增加，其上游排风段L1与送排风段L2污染物浓度减小。

（3）1#通风井送风量大小改变对稀释CO浓度的影响程度大于2#通风井排风量大小改变对稀释CO浓度的影响程度。

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