顶部多开口隧道热压通风模拟研究

单美群 张旭 叶蔚

顶部多开口隧道热压通风模拟研究

单美群 张旭 叶蔚

同济大学机械与能源工程学院

顶部多开口隧道能避免汽车尾气在隧道峒口集中排放，且利用自然通风降低隧道运行成本。而实际运用中自然通风作用能否达到隧道的需风量要求是不可知的。本文通过对称的隧道模型采用数值模拟的方法研究顶部多开口隧道阻滞工况自然通风规律。通过研究得到：可以用简化的尾气混合温度模型研究隧道热压通风；奇数对称顶部开口隧道有利于热压通风；对称分布的顶部开口数量超过3个时，隧道顶部开口通风量呈“中间小，两边大”的分布。

阻滞工况多开口热压通风数值模拟

0 引言

为避免隧道内污染物在隧道峒口集中排放，影响峒口周围环境，同时降低隧道运行成本，隧道采用顶部开口的方式进行自然通风[1]。在交通阻滞工况，由于车辆运动不连续，交通风力的通风作用贡献进一步降低。在交通阻滞工况若不考虑环境风的影响，忽略交通风力作用，隧道的通风方式为热压作用下的自然通风。

目前对自然通风的研究方法有W de Gids和H Phaff提出计算单侧开口自然通风的模型[2]，AIRNET模型、NORMA模型、PASSPORT-AIR模型等[3]通风网络模型，近年来采用CFD模拟与实验相结合的方法研究自然通风已成为主流[4、5]。

本文采用数值模拟的方法利用简化的尾气混合温度模型研究阻滞工况隧道不同顶部开口的热压通风规律。

1 研究方法

阻滞工况隧道内的汽车尾气与周围空气混合使得隧道内空气与环境空气存在温差，在温差产生的空气密度差的作用下实现热压通风。采用数值模拟的方法研究隧道热压通风时，建立隧道内所有的汽车模型十分复杂，因此本文提出采用空气与汽车尾气混合温度近似代替汽车排气管的作用，简化模型。

阻滞工况隧道内车速低于10km/h，车间距6～12m，假设隧道内的车辆均匀分布，汽车尾气会与周围空气混合，由于汽车排气管离地面的高度小于0.5m，因此假设在t时间隧道0.5m高度内汽车尾气能与周围空气混合均匀。按照能量守恒：

式中：Ca为隧道内空气比容，kJ/(kg·K)；Ce为尾气比容，kJ/(kg·K)；Cm为混合气体比容，kJ/(kg·K)；ρa为空气密度，kg/m3；ρe为尾气密度，kg/m3；ρm为混合气体密度，kg/m3；Va为隧道0.5m高度内的空气体积，m3；Ve为t间内隧道内的汽车排气体积，m3；Vm为空与尾气混合后的体积，m3；ta为空气温度，℃；te为尾气温度，℃；tm为混合气体温度，℃。

可以得到隧道0.5m高度内空气与尾气混合温度，若给出环境温度，就能得到隧道热压通风驱动力。

1.1模拟工况设置

隧道热压通风一般发生在交通阻滞工况，隧道内的空气温度既受气车尾气的影响又受隧道壁面温度的影响，而隧道壁面温度与隧道所处土壤有关，本文研究武汉地区环境温度30℃时，交通阻滞工况多开口隧道热压作用自然通风规律。

1.2模型验证

1.2.1几何模型

由于在隧道内建立所有汽车三维模型工作量大且网格质量差，因此为验证空气与汽车尾气混合温度近似代替汽车排气管的作用的可行性，本文建立隧道二维模型进行研究，如图1所示为汽车尾气模型a，按交通阻滞工况，建立隧道内所有汽车模型，模拟实际隧道热压通风过程，图2为混合气体温度模型b，按能量守恒计算的混合气体温度，模拟简化的隧道热压通风过程。模型隧道长464m，高3.2m，埋深9.7m，顶部开口距离地面0.5m，隧道出入口坡度7.3%，图中x轴坐标范围-132m～332m，为隧道入口到隧道出口的坐标范围，y轴坐标范围-9.7m～0.5m，为隧道底面到顶部开口的坐标范围。

图1 汽车尾气模型a

图2 混合气体温度模型b

1.2.2边界条件

研究表明，对狭长的竖方形空腔中的自然对流问题RNG k-ε湍流模型计算结果优于标准k-ε模型[6]，因此在模型选择方面选用RNG k-ε湍流模型，采用标准的壁面函数，考虑温差引起的浮升力的作用，采用boussinesq假设。

模拟环境温度30℃工况，怠速工况汽车排气温度400℃，排气量0.017m3/s，对于模型a排气管设为质量入口，模型b则按式（1），假设1min内汽车尾气能与周围空气混合均匀计算，尾气混合温度为35℃，将隧道地面设为定壁温边界条件。隧道壁面温度受隧道所处土壤温度影响，将武汉地区夏季土壤温度作为隧道定壁温边界条件，并且考虑土壤导热设置10m的虚拟厚度。因自然通风的方向不确定，隧道开口设为压力入口。用非稳态方法计算，设置SIMPLE算法，压力差值选择体积力加权格式（Body Force Weighted），动量、能量等项采用两阶迎风离散格式计算。

1.2.3模型验证结果分析

由图3、4可以看出汽车尾气模型a、混合气体温度模型b在隧道2m高度上的温度、风速分布趋势相似。从温度分布图3可以看出隧道顶部开口段温度最低，越靠近两边出入口温度越高，在隧道出口段两模型温度值差别不大，在隧道入口段两模型温差很大，温差最大有1.28℃，相对误差4%。图4风速分布图显示在隧道顶部开口段两模型风速分布相同，其他段模型a风速值均大于模型b，且隧道入口段差值更大一些，最大差值0.08m/s，相对误差为16%。

图3 隧道2m高温度分布

图4 隧道2m高风速分布

从隧道通风量图5可以看出模型a各开口通风量均大于模型b，最大通风量相对误差13%，但两模型各开口通风量分布相同。

图5 隧道开口通风量

由以上结果可以得到混合气体模型和汽车尾气模型隧道内温度、风速及风量分布趋势相同，两模型温度、风速、风量最大相对误差分别为4%、16%、13%。本文就采用尾气混合温度模型研究顶部多开口隧道热压通风规律。

2 顶部多开口隧道热压通风数值模拟

2.1几何模型

如图6所示为本文的隧道模型，该模型尺寸与图1、2相同，进出口的坡度为7.3%，隧道长464m，宽11.2m，高3.2m，埋深9.7m，隧道顶部开口高于地面0.5m，x轴坐标范围-132m～332m，为隧道入口到隧道出口的坐标范围，y轴坐标范围0m～11.2m，为隧道宽度范围，z轴坐标范围-9.7m～0.5m，为隧道底面到顶部开口的坐标范围。隧道顶部开口面积69m2，开口宽度2m，本文通过改变隧道顶部开口的数量（开口长度）来研究阻滞工况多开口隧道热压通风效果。

图6 隧道模型

2.2模拟结果分析

2.2.1一个顶部开口分析

图7为隧道1.6m高度上不同宽度处的温度分布图。图7温度分布图表明隧道顶部开口段温度最低，越靠近隧道出入口，空气温度越高；隧道轴线（Y= 5.6m）上空气温度在顶部开口处最低，在其他段上温度略高；隧道内温度分布在顶部开口处左右对称，在隧道宽度上沿轴线也对称。

图7隧道1.6m高温度分布

图8 为隧道5.6m宽不同高度上的温度分布，图8表明同一宽度不同高度上隧道温度分布相同。

图8 隧道5.6m宽温度分布

2.2.2两个对称顶部开口分析

图9为设有两个对称顶部开口的隧道5.6m宽温度分布图，图中温度最低且较平的两段为顶部开口，从图中看出顶部开口处空气温度明显低于隧道出入口处空气温度，因此隧道顶部开口段和隧道出入口段空气存在密度差，隧道内气流由顶部开口流入，分别从隧道出入口流出。而在两顶部开口之间的隧道，由于两顶部开口温度分布相同，由两顶部开口和隧道中间段形成的“U形管”两侧没有密度差，因此就没有热压通风作用，该部分空气温度比较高。

图9 两个对称开口隧道5.6m宽温度分布图

2.2.3多个对称顶部开口分析

图10所示为开口数量增加时隧道5.6m宽2m高温度分布图，图中温度最低且较平的小段为顶部开口，小平段的个数代表顶部开口个数。顶部设有2个、4个开口时，在隧道中间段温度高于其他段。因此对于开口面积一定，顶部开口数量变化的隧道，交通阻滞工况利用热压自然通风时，偶数对称开口隧道，在隧道中间段会出现局部高温段；奇数对称开口隧道有利于消除隧道中间局部高温段，因此，顶部开口位于隧道中间有利于隧道热压通风。

图10不同开口数量隧道5.6m宽2m高温度分布图

图11 ～15所示为开口面积一定，开口数量不同时隧道各个开口通风量，正值为空气流入隧道，负值为空气排出隧道。图中所示开口数量的变化影响隧道各个开口通风量的大小，但不影响各个开口的通风状态，即顶部开口为隧道进风状态，隧道出入口为排风状态。随着开口数量增加，隧道各个顶部开口通风量逐渐减少，且隧道各个开口通风量呈“中间小，两边大”的分布。图10所示对于某个开口隧道顶部开口段和隧道出入口段温差不变，因此两段空气密度差不变，则隧道提供的热压差g(ρa-ρ)(H2-H1)即流动的动力基本不变化，则流动阻力大的支路，其流动动能小，其通风量小，而处于隧道中间段的顶部开口距离隧道两侧出入口最远，其阻力最大，因此开口数量超过3个时，隧道各开口的通风量呈“中间小，两边大”的分布。

图11 一个顶部开口通风量

图12 两个顶部开口通风量

图13 三个顶部开口通风量

图14 四个顶部开口通风量

图15 五个顶部开口通风量

3 结论

本文采用数值模拟的方法研究顶部多开口隧道阻滞工况热压通风规律，研究结果表明：

1）混合气体温度模型和汽车尾气模型隧道内温度风速及风量分布趋势相同，可以用简化的混合气体温度模型研究隧道热压通风。

2）偶数对称顶部开口隧道，顶部开口中间段温度较高，而奇数对称顶部开口有利于隧道热压通风。

3）对称分布的顶部开口数量超过3个时，隧道顶部开口通风量呈“中间小，两边大”的分布。

[1]葛家美.城市隧道顶部开孔自然通风研究[D].成都:西南交通大学,2010

[2]W De Gids H P.Ventilation Rates and Energy Consumption due to Open Windows[Z].Netherlands:1982

[3]Dascalaki E,Santamouris M,Argiriou A,et al.Predicting single sided natural ventilation rates in buildings[J].Solar Energy,1995, 55(5):327-341

[4]Yi Jiang.Buoyancy-driven single-sided natural ventilation[J].International Journal of Heat and Mass Transfer,2003,46:973-988

[5]陈雨,许志浩,马国川.关于自然通风CFD算法几点探讨[J].制冷与空调(四川),2011,(1):78-81

[6]陶文铨.数值传热学[M].西安:西安交通大学出版社,1990

Sim ula tion of Buoya nc y-drive n Na tura l Ve ntila tion in Tunne l w ith Multiple Top Ope nings

SHAN Mei-qun,ZHANG Xu,YE Wei
School of Mechanical Engineering,Tongji University

Top openings in tunnel can be used to promote natural ventilation and to avoid exhausting only at the exit of the tunnels.However,the outcome of adding top openings to the tunnel could be unpredictable in practices.This paper applied the numerical method to simulate the effect of natural ventilation in tunnel with top openings under traffic block conditions by adopting a symmetrical tunnel model.The results shown that:1)the simplified exhaust gas mixing temperature model can be used to study on the buoyancy-driven natural ventilation in tunnel;2)tunnel with odd uniform top openings is advantageous to the natural ventilation;3)when tunnel has more than three uniform top openings,the ventilation rate increases from middle opening to the sides openings.

traffic block,multiple top openings,buoyancy-driven natural ventilation,numerical simulation

1003-0344（2014）06-051-5

2013-10-18

张旭（1955～），男，博士，教授；上海市同济大学机械与能源工程学院（201804）；E-mail:xuzhang@tongji.edu.cn