自然通风下高海拔公路单向隧道污染物扩散影响因素

付 伟 李 辉 陈 瑞 明华军

(1.中交第二公路勘察设计研究院有限公司，湖北 武汉 430058；2.三峡大学土木与建筑学院，湖北 宜昌 443002； 3.三峡大学水利与环境学院，湖北 宜昌 443002)



自然通风下高海拔公路单向隧道污染物扩散影响因素

付 伟1李 辉2陈 瑞2明华军3*

(1.中交第二公路勘察设计研究院有限公司，湖北 武汉 430058；2.三峡大学土木与建筑学院，湖北 宜昌 443002； 3.三峡大学水利与环境学院，湖北 宜昌 443002)

通过物理与数学模型，从隧道长度、交通量、进口风速、汽车尾气排放量等方面，分析了自然通风下，高海拔公路单向隧道污染物扩散的主要影响因素，最终得出了一些有意义的结论。

隧道，污染物，自然通风，交通量，汽车尾气

公路隧道内的空气污染，既会对人体造成危害，又会影响行车安全。尤其是随着西部大开发进程的加快，基础设施建设特别是公路建设日新月异，西部特殊的地形地貌使得越来越多的高海拔公路隧道不断涌现。人们在高原上经常出现缺氧、头痛、耳鸣、呼吸困难等症状，特别是在隧道这个相对密闭的空间里，如果通风效果不好，更容易引发安全事故[1]。

公路隧道内空气污染物主要来自过往车辆的尾气，其主要成分为CO，NOx和HC化合物，SO2以及颗粒物等。其中CO对人体健康和人的反应能力影响最突出，是威胁隧道内驾乘人员健康、隧道运营安全的最重要污染物[2]。通风是最常用改善隧道内空气环境的一种工程方式，分为自然通风和机械通风两种。通常建议长度超过40 m的隧道就采用机械通风，因此，国内外在隧道机械通风情况下通风设计[4-9]、通风效果[10-14]等方面研究较多。然而，高寒高海拔地区多属于经济欠发达地区，采用机械通风模式需要大笔的施工与后期管养费用，而实际情况是隧道建成后期通风运营费用较高，且维护资金来源不稳定。因此，自然通风方式成为高寒高海拔地区公路隧道通风的首选方式。

通常认为，公路隧道污染物扩散与隧道长度、交通量、行车速度、隧道纵坡、车辆组成、汽车尾气排放量、进口风速等有关。高海拔地区公路隧道属于低交通量隧道，因而，行车速度一般变化不大。同时对于非超长隧道，隧道纵坡引起的进出口高差相对较小。另外，为了数值模拟的可行性，通常不考虑车辆类型的差别。隧道内污染物对司乘人员影响最大的区域，是离隧道底板1.5 m高程面。所以，本文拟借用流体力学软件FLUENT，进行自然通风下高海拔公路单向隧道污染物扩散分析，仅考虑隧道长度、交通量、进口风速、汽车尾气排放量，对公路单向隧道距底板1.5 m高程断面最大污染物浓度的影响研究。

1 物理模型

考虑模拟隧道为单洞单向行驶隧道，隧道纵坡为0.1%，隧道设计时速为54 km/h，车辆按照模拟交通量匀速、等间距运行。模拟隧道为新通车或久未过车隧道，行车方向是Z轴负方向，隧道进口在Z=0 m处，隧道出口在Z=-150 m处，自然风速与行车方向相同。认为汽车均严格遵守交规，靠右行驶，且不超车。计算模型如图1所示。隧道运行时间为设计交通量下行车时间。

考虑川藏高原公路隧道一般断面特征，建立隧道计算模型断面为如图2所示城门洞型。隧道宽10 m，高7 m，由直径为10 m的半圆形和高为2 m的矩形组成。

兼顾汽车运行过程中对气流影响和数值模拟的可行性，将汽车简化为如图3所示模型特征。汽车宽度为2 m；驾驶室高1.5 m、长2 m；车前盖高1 m、长1.5 m；车后备箱盖高1 m、长1 m。汽车尾气管处于车后右下方，考虑数值计算成本，在不影响尾气排放模拟的基础上，设定尾气管大小为0.5 m×0.5 m。

2 数学模型

隧道内空气为非稳态不可压缩流体，气体流动是三维不可压缩瞬态湍流，湍流模型采用标准的k-ε模型；湍流流动的模型采用不涉及化学反应的组分传输采用无反应的组分输运模型，气体组分包括空气和CO。

考虑普通电脑运算的可行性和问题说明的可能性，隧道基本网格尺寸采用0.5 m，所有网格均为六面体结构化网格，单元总数为62 304。计算步长设置为0.01 s。

考虑汽车运动带来的流场形状随时间改变的问题，建模中采用FLUENT软件建立Layering动网格模型。

数值计算中边界条件设置为：1)隧道内壁为墙面，粗糙度为2 cm；2)汽车尾气管设定为质量流量入口边界(mass-flow-inlet)；3)隧道进口设定为速度进口边界(velocity-inlet)；4)隧道出口设定为压强为当地大气压的压力出口边界(pressure-outlet)。

根据GB 18352.5—2013轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国第五阶段)要求，对于包括驾驶员座位在内，座位数不超过6座，且最大总质量不超过2 500 kg的点燃式启动的客车，在常温冷启动后CO的排放限值为1.00 g/km。因此，该隧道模型中初步采用汽车尾气口CO摩尔质量为4.8 ppm。

3 模拟结果与分析

3.1 隧道长度对污染物扩散的影响研究

图4为长度分别为150 m和450 m单向公路隧道，在设计小时交通量分别为360辆车和2 160辆车的行车密度下，隧道内距底板1.5 m高程断面最大CO浓度，随隧道运行时间的演化图。由图4可见，当在相对低交通量(360辆/h)下，隧道长度变化对污染物扩散影响不显著；当在相对高交通量(2 160辆/h)下，运行一段时间后，随着隧道长度的增加，污染物扩散造成距底板1.5 m高程断面最大CO浓度增长速度变快。

3.2 交通量对污染物扩散的影响研究

图5为隧道长度分别为150 m和450 m的隧道，在不同交通量情况下，距底板1.5 m高程断面最大CO浓度随隧道运行时间的演化图。由图5可见，不管是150 m长度隧道，还是450 m长度隧道，距底板1.5 m高程断面最大CO浓度，均随交通量的增大而增大。且交通量越大，距底板1.5 m高程断面最大CO浓度增长越明显。表明，当交通量增大后，进口风速和行车活塞风在降低污染物浓度上所起的作用，已经不明显了。

3.3 进口风速对污染物扩散的影响研究

图6为隧道长度150 m、设计小时交通量360辆车、汽车尾气口CO摩尔质量为14.4 ppm的二维数值模型中，隧道进口风速分别为0.1 m/s，0.5 m/s，1.0 m/s和2.0 m/s时，距底板1.5 m高程断面最大CO浓度随隧道运行时间的演化过程图。由图6可见，虽然在隧道运行起始阶段，隧道进口风速越大，距底板1.5 m高程断面最大CO浓度越大。但隧道运行一段时间后，进口风速对关键断面的最大CO浓度影响逐渐减弱，进而逐渐发展为几乎可以忽略的地步。

3.4 汽车尾气排放量对污染物扩散的影响研究

GB 18352.5—2013轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国第五阶段)规定的限排值是在标准大气环境下的，但随着海拔增加，由于严重缺氧使混合气过浓，燃料不完全燃烧的程度也比低海拔要严重很多。同时，根据王玉伟等[15]文献测试结果发现，点燃式汽车和增压式汽车尾气排放受海拔环境变化效果不同。点燃式汽车在海拔3 000 m处CO排放量可达到标准大气环境下的3倍，但增压式汽车则变化较小。

图7为汽车尾气口CO摩尔质量分别为4.8 ppm和14.4 ppm时，距底板1.5 m高程断面最大CO浓度随隧道运行时间的演化过程图。由图7可见，在其他条件相同的情况下，汽车尾气排放量越大，距底板1.5 m高程断面最大CO浓度越大，且变化趋势基本相同，浓度比值与汽车尾气口CO摩尔质量浓度比值基本相同。可见，汽车尾气排放量并不影响隧道污染物扩散规律，仅同步影响其浓度数值。

4 结论与讨论

本文从自然通风下高海拔公路单向隧道污染物扩散分析入手，使用流体力学软件FLUENT，进行了隧道长度、交通量、进口风速、汽车尾气排放量，对距隧道底板1.5 m高程断面最大CO浓度的影响分析。得到了如下结论：1)交通量对距底板1.5 m高程断面最大CO浓度影响最大，其随着交通量增大，也增长显著。2)仅在相对较高交通量下，隧道长度对距底板1.5 m高程断面最大CO浓度才有显著影响。3)当隧道运行一段时间后，进口风速对关键断面最大CO浓度影响几乎可以忽略。4)汽车尾气排放量并不影响隧道污染物扩散规律，仅同步影响其浓度数值。

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The influence factors of high altitude highway one-way tunnel pollutant dispersion under natural ventilation condition

Fu Wei1Li Hui2Chen Rui2Ming Huajun3*

(1.CCCC Second Highway Survey and Design Institute Limited Company, Wuhan 430058, China;2.CivilEngineeringandArchitectureCollege,ChinaThreeGorgesUniversity,Yichang443002,China;3.HydraulicandEnvironmentalEngineeringCollege,ChinaThreeGorgesUniversity,Yichang443002,China)

Through the physical and mathematical model, from the tunnel length, traffic volume, inlet velocity, vehicle exhaust emissions and other aspects, this paper analyzed the main influence factors of high altitude highway one-way tunnel pollutant dispersion under natural ventilation condition, finally draw some meaningful conclusions.

tunnel, pollutants, natural ventilation, traffic volume, vehicle exhaust

1009-6825(2016)30-0175-04

2016-08-15

明华军(1984- )，男，博士，讲师

X323

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