排风口布置对地下环路半横向通风影响研究

虞 宙 ,李积广 ,梁 印

(1.苏交科集团股份有限公司,南京 210019;2.中建信和地产有限公司,长沙 410000)

随着城市化进程逐渐加快,为缓解地上建筑愈加密集的现象,将城市地下空间作为一种城市资源进行合理开发利用[1]成为我国城市建设的趋势。其中地下环路作为联系地下车库与地上道路的纽带[2],常被称为“地下交通联系隧道”,地下环路一般位于城市人口相对密集区域且空间相对封闭,同时具有与隧道相异的结构特点,主要表现为断面高度较低、宽度较大,出入口及车道数较多且车流量大、车速普遍较慢等特点[3]。当车辆在地下环路内低速通行时,其排放的CO、NOx以及颗粒物等污染物[4]易发生积聚,须开启地下环路内通风系统以降低污染物浓度。目前常用纵向和横向两种通风方式,横向通风包含半横向通风和全横向通风[5-6]。纵向通风方式在隧道内应用较为广泛[7],但纵向通风需要在顶部设置射流风机,而地下环路因其断面高度较低,若采用纵向通风方式会存在射流风机安装空间不足的问题。当采用全横向通风方式时须在地下环路内设置送风口和排风口,环路内通风横向气流和机动车活塞风纵向气流相互交叉,在环路内形成的气流相对紊乱,且须建立送风道和排风道,造价较高。当采用半横向通风方式时,仅设置送风口或排风口,且气体均沿车流方向纵向流动后排出。将半横向通风方式用于地下环路时可在有效稀释污染物、提高内部环境质量的同时避免全横向通风中气流流动紊乱的问题,也可解决在地下环路中风机安装空间不足的弊端。

目前国外大多采用全横向或半横向通风方式,而国内仍以纵向通风方式为主[7]。潘洁[2]针对不同断面结构的地下联系隧道提出通风方式的选择方案;李奕杉[3]针对重庆八一地下联系隧道研究了开启不同区段通风系统时对全横向通风效果的影响;任锐等[8]通过CFD(计算流体动力学)数值模拟方法针对排风口高度的不同对隧道内负压分布区域以及污染物浓度稀释效果的影响进行研究,提出采用半横向通风时排风口布置高度不宜过低的结论;刘宏[9]结合数值模拟与模型试验研究大型地下互通式岔口处气流流动规律,得出岔口处不同分叉角度下气流流动特点与相应的局部阻力系数;钱晓彬等[10]利用数值模拟分析了采用“顶部开口自然通风+半横向集中式机械通风系统”对武汉CBD(中央商务区)地下交通环廊不同火灾场景下通风排烟效果的影响,结果表明该组合式通风方式可以较好控制环路内烟气流动;施孝增[11]对前人研究成果进行归纳分析,提出地下车库联络道中采用半横向通风方式不仅可以达到通风要求,还能节约投资成本。相关研究成果表明半横向通风可作为地下环路的通风方式。本项目对地下环路半横向通风方式进行研究,从而达到提高通风效率的目的。

由于地下环路连接着地下车库和地上道路,其匝道出入口较多,在匝道与主环路交叉段气流变化复杂,排风口开启位置必然影响环路内流场分布以及通风效果,在排风机开启数量以及风速均相同的情况下,在有效位置布置排风口更利于环路内污染物的排出,这不仅改善了通风效果,也使运营更为节能。本项目基于苏州某地下环路建立模型,研究带匝道的环路段排风口开启位置对通风效果的影响。

1 模型建立

基于苏州某地下环路结构及通风系统参数,采用ICEM 网格划分软件建立物理模型,并利用FLUENT 软件进行数值模拟。由于环路较大,对模型进行简化,仅建立带匝道段的地下环路模型。匝道段物理模型如图1 所示,模型中主环路长度为200 m,宽度为9 m,匝道宽度为6.5 m,高度均为4.5 m,主环路内放置两列污染物释放源,模型中以1 m×1 m×1 m 的六面体方块代替,释放源中心距为10 m,横向中心距为3 m,排风口位于环路一侧侧壁上,排风口下沿距环路底部为3.5 m,尺寸为2 m×0.5 m,中心距为10 m,排风风速为4 m/s。为更准确模拟污染物从排风口排出的效果,该模型在每个排风口处建立一个小立方体用于收集污染物,以代替污染物排出。

模拟中环路入口采用速度入口边界,风速为2 m/s,湍流强度为2.9%,当量直径为6 m,主环路和匝道出口均采用outflow(自由出流)。污染物释放源释放面采用速度边界,速度为0.36 m/s,CO 质量分数为0.000 5 且释放温度为360 K,湍流强度为5%,当量直径为1.0 m。排风口采用速度边界,风速为4 m/s,湍流强度为3.4%,当量直径为0.8 m。环路壁面及污染物释放源壁面均采用non-slip wall(无滑移壁面)。工况设置如表1 所示。

表1 工况设置

标准k-ε双方程模型因其使用范围广、精度合理等特点被广泛应用于隧道通风模拟中[12],且对比实验与数值模拟结果后,标准k-ε模型可较好模拟隧道内流体流动[13],因此采用标准k-ε双方程模型进行模拟,其控制方程[14]如下。

标准k-ε方程为

其中湍流速度μt为

式中,k为湍动能;ε为耗散率;ρ为流体密度;μ为动力黏度;Gk为由于平均速度梯度引起k的产生项;Gb为由于浮力引起k的产生项;YM为可压缩湍流中的脉动扩张;C1ε、C2ε和C3ε均为模型常数,Cμ=0.09、σk=1.0、σε=1.3。

2 分析与讨论

2.1 速度场分布

环路内断面平均风速纵向变化如图2 所示。由图2 可知,在经过匝道时由于气体的分流作用,主环路气体流量减小,4 种工况下气流速度均出现骤减现象。当排风口部分开启时,在开启部位由于环路内部分气体被排出,速度出现减小的现象,但由于排风口开启数量不变、排风口风速不变,因此在出口处风速不变,均小于排风口关闭时风速,且风速越小,环路内通风效果越差。

由于机动车高度一般在1.3～1.6 m,车内人员头部距地面高度在1.2 m 左右[15],综合考虑取特征高度1.2 m 和排风口中心高度3.75 m 处进行风速流场分布分析。1.2 m 高度处环路内风速纵向分布云图如图3 所示,3.75 m 高度处环路内风速纵向分布云图如图4 所示,可更直观分析对于带匝道的环路段开启不同位置排风口时对环路内风速流场分布的影响情况。

当不开启排风口(可认为采用纵向通风方式)时,匝道前方的环路内风速处于较高水平,当气流经过匝道时大量气体流入匝道,气流速度场在匝道前后形成明显对比。由于匝道前方气流量较大,可对污染物进行稀释,降低污染物浓度。在匝道后方采取机械通风措施,即开启排风口,当开启匝道前方或匝道附近排风口时,主环路与匝道分流点后方易出现低速区,该区域易形成污染物积聚区;当开启分流点后方排风口时,该低速区消失,可有效改善污染物局部积聚现象。

2.2 CO 浓度分布

环路内断面CO 浓度纵向变化如图5 所示。由图5 可知,在主环路与匝道分流点后方的环路内,CO 浓度出现小幅度上升之后又小幅度降低,再沿着环路逐渐升高,这是由于大量气体从匝道流出环路,导致环路后方出现气体断流,降低气体流动性,使CO 浓度升高。当采用纵向通风方式(排风口均关闭的通风方式)时,虽然CO 并未从环路中排出,但环路入口的集中送风可稀释CO 浓度,使环路内CO 浓度整体水平位于4 个工况中最低值。开启不同位置排风口:当开启匝道前方或附近排风口,CO 浓度均高于排风口均关闭或开启匝道后方排风口时的浓度值;排风口均关闭或开启匝道后方排风口时,二者在环路后半段CO 浓度值变化曲线基本相同,因此在环路不具备纵向通风条件时可通过开启匝道后方排风口来提高通风效率。

1.2m 高度处环路内CO 浓度纵向分布云图如图6 所示,3.75 m 高度处环路内CO 浓度纵向分布云图如图7 所示,可更直观分析对于带匝道的环路段开启不同位置排风口时对环路内CO 浓度场分布的影响情况。

匝道前方CO 浓度值云图差异性不大,当气体经过匝道后CO 浓度值云图差异性逐渐显现,主要表现为:当开启匝道前方或附近位置的排风口时,CO 浓度在距入口段115～120 m 开始出现明显增加的现象,且在匝道拐角处出现污染物聚集现象,该现象在开启匝道前方排风口时较为明显;当排风口全闭或开启匝道后方排风口时,CO 浓度在距入口段140 m 附近开始出现明显增加现象,且匝道拐角处污染物聚集现象消失。因此在不具备纵向通风条件下,考虑耗能相同,可开启匝道后方排风口进行通风以提高通风效果并降低环路内污染物浓度。

为验证排风口开启位置对环路通风效率的影响,环路内CO 浓度值如表2 所示,并将其与环路内不设置通风系统时CO 浓度值进行对比。通过FLUENT 数值模拟软件计算得出,在不开启通风系统即隧道入口无纵向通风且排风口均关闭时,环路出口处CO 浓度值为149.37 ×10-6kg/kg。

表2 环路内CO 浓度值

其中

由表2 可知,采用纵向通风(即排风口全部关闭)并开启匝道后方的排风口时,出口处CO 浓度降低40%以上,明显高于开启匝道前方及匝道分流点处排风口的CO 浓度值减小率,因此在地下环路不满足纵向通风条件时,开启匝道后方的排风口可使通风效果达到最好。由于通风效率不仅受排风口开启位置的影响,还与排风口尺寸、排风机数量以及风速等因素有关,后续可开展相关研究以提高通风效率。

3 结论

采用ICEM 网格划分软件和FLUENT 数值模拟软件分别建立带匝道的地下环路段并进行数值模拟,分析开启不同位置排风口时环路内速度场以及CO 浓度场的变化。研究结果表明,当开启匝道前方或匝道附近排风口时,主环路与匝道后方易出现低速区,该区域易形成污染物积聚现象,且CO 浓度在距入口段115～ 120 m 开始出现明显增加现象。当开启分流点后方排风口时,该低速区消失,有效改善污染物局部积聚的现象且CO 浓度在距入口段140 m 附近开始出现明显增加现象,在环路出口处其CO 浓度减小率均大于开启分流点前方或分流点处排风口时的CO 浓度减小率,表明此时通风效率最高。因此在考虑耗能相同的情况下,匝道前方污染物通过匝道出口排出并开启匝道后方排风口进行通风,可提高通风效果,从而降低环路内污染物浓度。