華北科技學院建筑工程學院      李瓊   劉宏偉

北京工業大學建筑工程學院      陳超

摘   要：在多點進出結構的隧道內，交通特征的變化，不僅導致了隧道污染物排放與濃度分布特性的變化，也給通風控制系統運行提出新的挑戰。為了合理確定分岔隧道結構對污染物擴散的影響，本研究基于研究團隊關于長沙營盤路隧道交通通風力和污染物濃度水平在交通高峰時段進行了大量的現場實測數據以及相關理論模型研究成果，基于目前中國機動車排放水平，采用相似分析法進行1:8縮尺模型實驗，重點分析交通風量、合流匝道以及分流匝道結構對主隧道污染物濃度分布的影響規律，研究結果為城市地下道路內污染物濃度的通風控制與運行提供方法參考。

關鍵詞：多點進出城市地下道路；模型實驗；相似理論；交通通風力；濃度分布

基金項目：國家自然科學基金項目（51378024）；中央高校基本科研業務費資助項目（3142017068）。

       0   引言

       多點進出城市地下道路機動車污染物綜合排放和濃度擴散特性受到交通特征、隧道結構特征、機動車單車排放特性等因素影響。本課題組2011年10月~2015年7月先后多次對北京、上海、長沙等城市的城市地下道路污染物濃度水平和通風運行系統在交通高峰時段進行了大量的現場實測調查^[1-3]。結果表明，隨著中國機動車排放標準的日趨嚴格，中國機動車排放量較2000年已有較大程度的下降，與歐美等發達國家的差距逐漸減小；推算得到機動車流綜合平均CO、NOx排放因子與世界道路協會（PIARC）2012年關于中國地區的研究結果相近。動態的污染物排放特性和多點進出隧道的匝道結構都直接影響主隧道污染物的濃度分布特性和通風控制方案。污染物對流傳質擴散過程不僅包括機動車本身排放源項，還包括合流匝道和分流匝道的源流與匯流污染物源項，其預測和求解沿程污染物濃度分布非常復雜。如何定量預測多點進出隧道污染物濃度分布并合理進行通風控制成為重點的研究問題之一。

       實際交通特征和隧道結構對交通風速的影響、對污染物排放和濃度水平的影響都將使得污染物擴散規律存在很多不確定因素。污染物的擴散特性需要通過搭建試驗臺的方式對各種影響因素分別研究。國內鮮有針對多點進出城市地下道路的模型試驗臺，多為針對平直公路隧道。重慶交通科研設計院李永林建立了長度100m的1:l試驗隧道^[4]，華中科技大學孟偉^[5]通過模型試驗驗證了雪峰山隧道通風設計的合理性。STAEHLIN^[6]等人示蹤氣體SF6試驗結果表明，機動車排入隧道內的污染物會在隧道的橫截面上快速擴散均勻；Cui S等^[7]實驗驗證了二氧化碳濃度衰減方法在隧道斷面上通風的有效性；于燕玲^[8]建立了污水隧道的縮尺模型試驗臺，以CO2為示蹤氣體，研究風管內各斷面空氣流速和CO₂氣體濃度分布規律，并結合數值模擬方法對實際工程的通風性能進行了分析。

       為了合理確定分岔隧道結構對污染物擴散的影響，本研究基于研究團隊關于長沙營盤路隧道大量的現場實測數據以及相關理論模型研究成果，基于目前中國機動車排放水平，采用相似分析法進行1:8縮尺模型實驗，重點分析交通風量、合流匝道以及分流匝道結構對主隧道污染物濃度分布的影響規律，研究結果為城市地下道路內污染物濃度的通風控制與運行提供方法參考。

       1   實驗概況

       本節以長沙隧道為原型搭建1:8縮尺模型試驗臺，通過縮尺模型試驗研究方法，進一步分析并把握分（合）流匝道對多點進出城市地下道路空氣流動特性、以及污染物擴散特性的影響規律。

       1.1   1:8縮尺模型試驗臺

       根據流體力學流動相似理論，本研究以長沙隧道為原型，基于雷諾相似準則和幾何相似準則搭建1:8縮尺模型比例試驗臺。圖1（a）為1:8模型試驗臺全景圖，試驗臺主要由風機、軟連接、整流段、格柵段、主隧道段、變徑段、支遂道段等組成。其中變徑段長5m，風管材料采用鍍鋅板。示蹤氣體濃度、風速、風壓測試儀器以及通風機等性能參數如表1所示。各采樣點位置按照上游大于2倍當量直徑、下游大于3~5倍當量直徑的原則確定。

（a）試驗臺實景圖	（b）合流匝道	（c）分流匝道

圖1   縮尺模型試驗臺示意圖

表1   測試儀器與設備

       1.2   相似性

       考慮到實際隧道交通風速可以滿足自動模型區Re>5×10⁴的條件，因此只需滿足幾何相似和邊界條件相似的條件，即可使模型與原型流動保持相似。此時，對應的模型試驗最小風速為0.7m/s，風速變化范圍為0.7~7.0m/s。

       1.3   示蹤氣體

       本研究擬采用CO₂作為示蹤氣體進行污染物CO擴散特性實驗研究^[9-10]。考慮到相同溫度條件下干冰的升華速率可保持不變，Š?ávová Petra等^[11]探討了示蹤氣體均勻性問題和數據處理的方法。試驗過程中，使用干冰將CO₂釋放到模型試驗區域內，并保證測量區域內示蹤氣體濃度均勻，通過分析一定時間段內氣體濃度沿程變化規律，獲得氣體擴散分布特性。圖2為示蹤氣體釋放試驗與測試裝置，試驗表明106s內干冰的釋放速率通過分流段上下游相對穩定。

（a）釋放裝置	（b）試驗結果

                        圖2   CO₂示蹤氣體釋放試驗

       1.4   試驗數據處理

       根據電學中的基爾霍夫定律，節點各個方向流進節點的通量之和等于0。例如，對于合流匝道段圖1（b），即有方程式（1）成立。

       式中，Ari為第i段隧道斷面積（m²）；Vri為第i段隧道內平均風速（m/s）；Ci為第i段主隧道x方向處污染物濃度（mg/m³）。Vr3為第3段(分流或合流段)隧道內平均風速（m/s）。

       為了客觀反映匝道段主隧道上下游段污染物濃度變化規律，應用式（2）進行分析。對于合流匝道段，重點關注主隧道下游與上游示蹤氣體CO₂濃度比值C2/C1（以后簡稱濃度衰減率）；對于分流匝道段，重點分析支隧道與主隧道上游示蹤氣體CO2濃度比值C1-3（以后簡稱污染物濃度比）。

       2   實驗方案及結果分析

       2.1   分（合）流匝道的空氣流動阻力特性

     （1）試驗條件

       為了定量把握分（合）流匝道段對隧道內空氣流動特性的影響規律，本節將結合1:8縮尺模型試驗方法，重點考察分（合）流匝道主支流夾角分別為0°和30°時其對空氣流動阻力特性的影響規律。試驗過程中，實測各采樣點的風速和風壓（圖1（b）和（c））。風速1次/20s，連續采集30分鐘；風壓1次/5min，采集30min，共6組數據。根據大量實測結果，主隧道風速變化范圍為2~7m/s，匝道風速變化范圍為1~4m/s。

     （2）試驗結果及分析

       圖3試驗結果表明，無論是分流匝道還是合流匝道，支隧道的局部阻力系數均與支隧道與匝道段下游主隧道的風量比（以后簡稱風量比）密切關聯。

       分流匝道，支隧道的局部阻力系數隨其風量比的增加呈下降趨勢，且不受夾角變化的影響；合流匝道，支隧道的局部阻力系數隨其風量比的增加呈單值增大的趨勢，同樣不受夾角變化的影響。另外，隨著夾角的增大，支隧道局部阻力系數亦隨之增大，風量比也隨之增加，不過分流匝道的這種影響規律相對更明顯一些。

       2.2   分（合）流匝道污染物擴散特性

     （1）試驗條件

       不同風速條件下，分（合）流匝道主、支隧道夾角變化（0°、10°、20°）對支遂道污染物擴散特性的影響規律。取400g干冰在1500g常溫水域中釋放CO₂作為污染源。合流匝道，支隧道風速按1.17m/s、夾角分別按10°和20°考慮；分流匝道，支隧道風速分別按風機頻率20Hz和30Hz、夾角分別按0°和10°考慮。

     （2）試驗結果及分析

       合流匝道（圖4a），支遂道夾角10°時，主隧道下游CO₂平均濃度衰減率從67.3%減少到了62.6%。支遂道夾角20°時，主隧道下游CO₂平均濃度衰減率從56.1%減少到了44.2%，其變化規律與單點進出直隧道的類似，合流匝道段對主隧道CO2濃度增加的貢獻作用不明顯。另外，隨著支遂道夾角的增大，主隧道下游CO₂平均濃度衰減率呈下降趨勢，這是因為支遂道夾角增大的同時，支隧道的風量也隨之增大了（圖3），起到了稀釋污染物濃度的作用。

       分流匝道（圖4b），在主隧道上游風機頻率變化（20Hz、30Hz）、支隧道夾角變化（0°、10°）條件下，支遂道夾角0°且風速從2.0m/s升高至3.0m/s時，污染物濃度比減少了2.3%，支遂道夾角10°且風速從1.7m/s升高至2.6m/s時，污染物濃度比減少了10.2%。分流匝道對主隧道污染物濃度減小作用凸顯。另外，支遂道夾角越大，污染物濃度比也隨之增大，說明隨著支隧道局部阻力越大，對隧道污染物濃度水平降低是不利的。

（a）合流匝道	（ b）分流匝道

圖4   合（分）流匝道段各個工況污染物分配規律

       3   結論

       基于長沙營盤路湘江隧道的1:8縮尺模型試驗結果，得到以下關于城市地下道路分（合）流匝道通風阻力特性和污染物擴散特性的研究結果：

     （1）主隧道與匝道風量比、主隧道與匝道夾角是影響分（合）流匝道局部阻力系數的關鍵因素。隨著夾角的增大，支隧道局部阻力系數亦隨之增大，風量比也隨之增加，不過分流匝道的這種影響規律相對更明顯一些。

     （2）合流匝道段對主隧道CO₂濃度增加的貢獻作用不明顯。隨著支遂道夾角的增大，主隧道下游CO₂平均濃度衰減率呈下降趨勢，起到了稀釋污染物濃度的作用。

     （3）分流匝道對主隧道污染物濃度減小作用凸顯。支遂道夾角越大，污染物濃度比也隨之增大，說明隨著支隧道局部阻力越大，對隧道污染物濃度水平降低是不利的。

參考文獻

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備注：本文收錄于《建筑環境與能源》2017年5月刊總第5期。
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