（热能工程专业论文）双洞公路隧道洞口污染物扩散规律的研究.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果， 也不包含为获得 天津大学天津大学 或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 签字日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 天津大学天津大学 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权 天津大学天津大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 （保密的学位论文在解密后适用本授权说明） 学位论文作者签名： 导师签名： 签字日期： 年 月 日 签字日期： 年 月 日 摘摘 要要 近年来，由于建设用地有限且纵向通风建设费用相对较低等原因，纵向通风 在公路隧道通风中被广泛采用。但在纵向通风方式中，单洞双向交通不能充分利 用交通风，且单洞双向交通事故率远远高于双洞单向交通，促使双洞单向隧道逐 渐成为发展的主流。但与此同时，“二次污染”问题逐渐凸显，导致通风效果不 够理想，通风能耗大大增加。高浓度的污染物从洞口排出后将在大空间里进行扩 散，对周围环境也会产生不利影响。 针对纵向通风的双洞公路隧道，本课题采用数值模拟的方法，分析研究了几 种主要因素影响下的二次污染与洞外污染物的扩散，结果表明：当排风洞口风速 一定时，随着进口风速的增加二次污染率不断增大；当进口风速一定时，二次污 染率随着排风速度的增加逐渐减小。无环境风时：给定洞间距下存在一个最不利 通风速度使得二次污染最高，并且随着洞间距的增大这一通风速度也随之增大， 而二次污染极大值逐渐减小， 由洞间距 0m 时的 44.46%降低为 32m 时的 10.08%； 采用matlab中的regress函数得出了洞间距和通风速度作用下的二次污染率的 计算模型；洞间距小于等于 8m 时应当考虑二次污染的影响；给定通风速度下， 随着洞间距的增加，排风洞口气流向前扩散的距离会增加。存在环境风时：环境 风向与排风气流夹角在 0 180 之间时，给定洞间距下二次污染率随夹角的增大 呈先增大后减小的趋势，且在夹角为 90 时最大；以 90 为参考角度，增大或减 少相同角度后的风向对应的二次污染率并不相等， 且增大角度下的二次污染率大 于减小角度后的值；污染物的扩散很大程度上受风向的制约，洞外污染物将沿着 下风向扩散； 给定洞间距工况， 均存在一个最不利环境风速使得二次污染率最大， 且洞间距越大这一环境风速越大；利用 regress 函数对洞间距和环境风速进行回 归，得出了二次污染率的回归模型。研究了两种降低二次污染的措施：双洞之间 设置隔墙，在隔墙高度足够时，尽量设置长度较长、高度较低的隔墙以减少初投 资；错开一定长度修筑上行隧道洞口与下行隧道洞口。 关键词：关键词： 双洞公路隧道 二次污染 污染物扩散 洞间距 通风速度 环境风向 环 境风速 abstract in recent years, the longitudinal ventilation is widely used in road tunnel, as a result of the limitation of construction land and the relatively lower construction costs. but there are two factors in longitudinal ventilation that promote double tunnel one-way traffic gradually to become the mainstream of development. firstly, the single tunnel two-way traffic cannot make the most of traffic wind. secondly, traffic accident rate in the single tunnel two-way traffic is far higher than that of double tunnel one-way. with the development of double tunnel one-way traffic, “secondary pollution” problem becomes increasingly acute. as a result, ventilation effect is not ideal and energy consumption of ventilation greatly increases. high concentration pollutants discharged from the portal will spread in a large space, so that a negative effect will be made on the surrounding environment and personnel. for double road tunnel of longitudinal ventilation, this paper analyzes the pollutant diffusion and the “secondary pollution” under several major factors by numerical simulation. the results show that the secondary pollution rate increases with wind speed increase of the tunnel inlet when the wind speed of tunnel outlet remains constant. when the tunnel inlet wind speed is constant, the secondary pollution rate decreases with the increase of the outlet wind speed. without environmental wind, there is a proper ventilation speed to make the biggest value of secondary pollution under any distance of double tunnel, and the proper ventilation speed increases with the distance increase, while the maximum value of the secondary pollution decreases, from 44.46% to 10.08% in the range of 0m32m distance. the calculation model is concluded using the matlab regress function, and it analyses the influence of tunnel spacing and ventilation speed on secondary pollution rate. the secondary pollution should be considered when double tunnel spacing is less than 8m. the diffusion distance will increase with tunnel distance increase for a given wind speed case. the secondary pollution rate firstly increases, then decreases when angle is increasing, from 0 degrees to 180 degrees. the secondary pollution rate is highest when angle is 90 degrees. making 90 degrees as the reference angle, the secondary pollution is not same when the same angle is increased or decreased, and the value of the former is bigger. pollutant diffusion is restricted by wind direction at a great extent. pollutant diffusion is under the wind outside of the tunnel portal, which may lead to excessive concentration of pollutants within a certain distance. given tunnel distance, there is one most adverse environmental wind speed to make the secondary pollution rate is the highest, and the wind speed increases as the increase of tunnel distance. the calculation model of secondary pollution rate is carried out by the regress function, which analyses the influence of tunnel spacing and environmental wind speed. in this paper, two effective engineering measures were proposed to reduce the secondary pollution. one is to set a wall between the double tunnel portal. the wall of length longer and height lower is set to reduce initial investment when wall height is enough. the other is to stagger a certain length between the double tunnel portal. key words：double road tunnel, secondary pollution, pollutant diffusion, tunnel spacing, ventilation speed, environmental wind direction, environmental wind speed 目 录 第一章 绪论 . 1 1.1 课题背景 . 1 1.2 公路隧道的通风概况 . 2 1.2.1 隧道内主要污染物的危害 . 2 1.2.2 隧道通风方式 . 3 1.2.3 双洞公路隧道洞口污染物扩散存在的问题 . 4 1.3 隧道洞口污染物扩散的研究方法及现状 . 5 1.3.1 研究方法 . 5 1.3.2 国内外研究现状 . 6 1.3.3 目前研究存在的问题 . 7 1.4 本文主要研究内容及意义 . 8 第二章 课题研究的基本理论 . 10 2.1 大气污染物扩散理论 . 10 2.1.1 气象因素 . 10 2.1.2 高斯扩散模式 . 11 2.2 cfd 数值模拟理论 . 13 2.2.1 关于流体的基本假定 . 14 2.2.2 控制方程 . 15 2.2.3 udf 功能 . 18 2.3 本章小结 . 19 第三章 数值模拟方法的验证 . 20 3.1 数值模拟的验证 . 20 3.1.1 示踪实验及模式计算 . 20 3.1.2 数值模拟计算 . 21 3.2 双洞隧道模型 . 24 3.2.1 物理模型 . 24 3.2.2 数学模型 . 25 3.3.3 工况设置 . 26 3.3 本章小结 . 28 第四章 各因素影响下污染物扩散规律 . 29 4.1 无环境风时的污染物扩散规律 . 29 4.1.1 进风速度变化对排风洞口污染物扩散的影响 . 29 4.1.2 排风速度的变化对污染物扩散的影响 . 32 4.1.3 洞间距和通风速度对二次污染率的影响 . 34 4.1.4 洞间距与通风速度对洞外污染物分布的影响 . 37 4.2 有环境风时的污染物扩散规律 . 41 4.2.1 环境风作用下不同洞间距的二次污染 . 42 4.2.2 典型环境风向作用下的二次污染 . 45 4.2.3 存在环境风时洞外污染物分布特点 . 46 4.3 环境风速对二次污染率的影响 . 48 4.4 本章小结 . 50 第五章 双洞隧道降低二次污染的措施 . 52 5.1 设置中间隔墙 . 52 5.1.1 二次污染随隔墙长度增加的变化规律 . 53 5.1.2 二次污染随隔墙高度的增加的变化规律 . 55 5.1.3 合理设置中间隔墙 . 56 5.2 进排风洞口错开修筑 . 57 5.3 本章小结 . 60 第六章 结论与展望 . 61 6.1 主要结论 . 61 6.2 课题展望 . 62 参考文献 . 63 发表论文和参加科研情况说明 . 66 致 谢 . 67 第一章 绪论 1 第一章 绪论 1.1 课题背景 隧道在人类社会发展中具有悠久的历史， 为人类的文明进步和经济发展起到 了极大的推动作用。 公元前 21802160 年， 一条长约 900 米的砖衬砌人行通道在 幼发拉底河下修建成功,它是目前已知的最早用于交通的隧道。我国最早的交通 隧道陕西古褒斜道上的石门隧道，于公元 66 年建成。从古代隧道避免了人 们需绕过层层山峦、激流险滩，到现代隧道加速交通的密集化，可以说隧道的大 力发展为交通的完善起到了极大的推动作用。 交通类隧道包括铁路隧道、公路隧道、地下铁道和人行地道等。其中，公路 隧道是道路交通网中的重要构成部分，也是影响运输安全与效率的咽喉路段1。 上世纪 60 至 70 年代，我国在干线公路开始修建一些百米以上的隧道，但标准很 低。80 年代后期才真正开始兴建高速公路隧道。90 年代开通的成渝高速公路的 中梁山隧道、缙云山隧道，其单洞长度达到了 3000 m 以上，并在处理通风、塌 方、瓦斯、地下水和营运管理与交通监控技术等方面取得了突破性进展，为我国 今后修建山岭长大公路隧道积累了一些宝贵经验。进入 21 世纪以来，我国公路 网交通逐渐向崇山峻岭穿越，向离岸深水延伸。2010 年 4 月 26 日中国大陆第一 条海底隧道厦门翔安隧道建成通车，其兼具公路和城市道路双重功能，它的 建成通车使厦门出入岛形成了从海上到海底的全天候立体交通格局。 社会、经济和文化的发展离不开交通的发展。我国人口众多，人均土地占有 率低，而公路建设不可避免地要占用大量土地资源，随着社会的前进，公路隧道 在公路交通基础建设中起到越来越重要的作用。因此，解决好公路隧道的建设势 在必行，将有利于公路交通的可持续发展。同时，随着我国经济的大幅度发展， 城市化率(城镇化率)正在不断提高。根据国家统计局数据，2011 年末，从城乡 结构看，城镇人口 69079 万人，比上年末增加 2100 万人；乡村人口 65656 万人， 减少 1456 万人； 城镇人口占总人口比重达到 51.27%， 比上年末提高 1.32 个百分 点，即城市化率为 51.27%。由于城市化的快速发展，必然导致城市人口过饱和， 城市建筑空间拥挤不堪。为缓解城市交通拥挤问题，传统方法为修建高架路，其 突出的两大缺点： 第一章 绪论 2 (1)与景观配合方面。高架路犹如一条灰色的混凝土“龙”纵贯在十分拥挤 的交通道路上空，对其下的行人和车辆而言产生了强烈的压抑感，加之粗短的墩 柱体系更令空间显得狭窄，破坏了城市干道在空间上的流畅性。 (2)污染方面。由于交通量的增加，机动车沿途排放的尾气对周围居民生活 环境产生不利影响，同时，由于高架道路噪声源距离高层建筑较近，且地面车辆 受到高架路的遮盖，声波折射音量加大，致使噪声污染十分严重。 近年来在城市建设中，为解决土地不足、交通拥堵的问题，以节约土地和保 护环境为宗旨的城市道路隧道正蓬勃发展开来。作为地面道路的延伸和补充，城 市道路隧道具有以下优点： (1)建设成本相对低； (2)易于规划、建设工期短； (3)便于与现有地面交通系统衔接，易与城市景观配合； (4)缩短了城区之间的距离，有效地实现了交通分流； (5)污染物集中处理。 1.2 公路隧道的通风概况 1.2.1 隧道内主要污染物的危害 1924 年，美国匹兹堡自由隧道发生交通堵塞，由于洞内 co 浓度增高，导 致很多人中毒， 自此隧道通风问题引起了广泛关注并逐渐成为隧道设计和管理的 重点之一。由于隧道内部空间相对封闭，加之交通量与日俱增，为保证隧道内空 气质量有效的通风成为必需。 隧道通风可以有效地稀释并排出隧道内的有害气体 及烟尘，为过往的驾乘人员和隧道内的工作人员提供足够的氧气，保证适宜的温 湿度和风速， 当隧道内发生火灾时， 能够限制火灾的蔓延， 为灭火工作创造条件。 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的卫生健康、隧道营运安全的最重要污染物，现行规范2 中通风也以稀释和排除 co 为主要对象。其与血液中血红蛋白结合形成 co-hb， 且这种结合力可达氧气与血红蛋白结合力的三百倍，一旦 co 进入人体过多，氧 气在血液中的输送就不足。co-hb 饱和度超过 10%就会引起程度不同的症状； co-hb 饱和度在 10%20%之间时，将会引起轻度头痛；co-hb 饱和度达到 20%30%时，将引起剧烈头痛。相关研究表明，co 对人体的危害与 co 的浓度 和人体与 co 接触的时间有关，如表 1-1 所示。 第一章 绪论 3 表 1-1 环境中一氧化碳及中毒症状 co 浓度/ppm 接触时间/h 症状 10 21 无自觉症状，辨别能力下降 50 2.5 轻度头痛，辨别能力下降 2030 68（动态） 无自觉症状，认识能力，,精神活动能力下降 50 68（动态） 轻度头痛，心脏搏出量增大 100 68（动态） 轻度头痛，（前额绷紧感），胸闷 250 2（动态） 头钝痛，焦躁，情绪不定，误认，健忘 500 1（动态） 剧烈头痛，恶心，吐，晕，看不清，意识错乱 500 2（动态） 严重错乱，幻觉，步行失调，虚脱 1000 1 意识丧失，呼吸缓慢，昏睡，久置死亡 1.2.2 隧道通风方式 隧道通风方式主要是指隧道内风流在行车空间的流动方式， 它包括两方面的 内容：风流在行车空间的流动方式；通风机的工作方式。公路隧道发展初期依靠 自然风和交通风进行通风，随着隧道建设规模的逐渐扩大及交通量的日益增多， 机械通风渐渐的被广泛应用。机械通风方式可分为纵向式、横向式、半横向式及 由这三种通风方式组合而成的通风方式。 纵向通风主要包括单吸式通风和送排式通风。单吸式通风即纵向通风中竖 （斜）井集中排风，隧道内有害气体浓度最大的地方是竖井处，其优点是通风简 单，若条件允许可以利用施工井作为通风井，而且开凿通风井也比较经济。送排 式风流方向与车行方向完全一致，可以充分利用车辆的活塞作用，当井位置选择 适宜时通风所用功率相对较少， 但这种方式的排风口和送风口之间可能产生短道 流，而且这种通风方式竖井往往设在隧道中部，竖井开设深度较深，大大增加了 建设费用，加之大直径的竖井中间需加设中隔板，这样也给施工增加了相当大的 难度。 图 1-1 纵向通风示意图 第一章 绪论 4 全横向通风利用风机抽取新鲜空气进入送风道， 空气经过隧道横截面进入排 风道排出。这种通风方式下气流基本不沿轴线流动，使得隧道内污染物被均匀稀 释，当发生火灾时，可以使火灾发生地的烟气直接流入排风道，减少沿轴向扩散 的危险。但这种通风方式的缺点也十分明显，因需要建设送排风道、风机房和控 制室，使其基建费用较高，同时由于送排风道的风压损耗大，管理人员纵多，使 得营运费用也很多。 图 1-2 全横向通风示意图 与全横向相比，半横向通风只设置送风道，新鲜空气经送风道各个横断面进 入隧道，稀释污染物后从两端洞口分别排出。这种通风方式比全横向通风减少了 部分土建投资，适合于双向交通隧道。 图 1-3 半横向通风示意图 选择通风方式时，应当综合考虑地质地形、隧道长度、交通状况和气象等诸 多因素。合理的通风方式应该是满足安全可靠、建安方便、投资相对少、隧道内 环境好、对灾害的适应力强、运营费用低等条件的通风方式，但各种通风方式均 是优缺点并存的， 在实际建设中尽可能做到既安全可靠又经济方便就是实现了通 风方式的合理化。近年来，由于有限的建设用地及纵向通风相对低的建设投资等 原因，使得纵向通风方式在公路隧道通风中被广泛采用。 1.2.3 双洞公路隧道洞口污染物扩散存在的问题 对于纵向通风的隧道，由于单洞双向交通不能充分利用汽车交通风，使得通 风设备装机容量相对增加，加之单洞双向的交通事故率远远高于双洞单向交通， 近年来双洞单向隧道逐渐成为发展的主流3。由于纵向通风隧道内 co 呈三角形 第一章 绪论 5 分布， 在洞口或排风口处 co 浓度会达到最大值， 随着小净距和连拱隧道的出现， “二次污染”4问题逐渐凸显。所谓的“二次污染”是指近距离的双洞隧道在上 行隧道洞口与相邻下行隧道洞口之间会形成循环风， 使得被排出的含高浓度污染 物的空气被相邻洞口二次吸入，造成下行隧道洞内污染物浓度增大。 公路隧道通风设施费用一般占总建设费用的比例为 20%， 长大隧道这一比例 会更高， 而且通风运营费用在隧道运营管理中占很大比例， 据有关资料表明 80% 以上的隧道用电容量用于风机5。二次污染现象的存在使得通风效果不够理想， 通风能耗大大增加。就城市道路隧道来讲，其常以双连拱的形式出现，一般建在 车流密度相对较大、建筑较密集、对环境要求较高的地区，而洞口污染物排出后 将在很大空间里进行扩散，这对周围环境及人员的影响是不可被忽略的。目前二 次污染与洞口污染物的扩散规律方面已受到一定关注，但还不能形成完整体系， 因此有必要对此进行详细研究， 以期为隧道通风降低能耗和保持健康的生活环境 方面以参考。 1.3 隧道洞口污染物扩散的研究方法及现状 1.3.1 研究方法 隧道出口污染物扩散的研究方法分为三类：模型实验，现场实测和数值分析 或解析。模型实验法是根据相似理论建立物理模型并在风洞中进行实验，通过实 验可以得到污染物排放与扩散状况， 但此种方法若完全按照相似原理将各种影响 因素均考虑在内的话，建设实验台较困难，且建设费用及实验费用较昂贵，因此 难以在工程设计中得到广泛的应用。 现场实测往往是针对特定隧道采用污染物测 试仪器等进行相应测试，从而得出速度或浓度场分布。现场实测所得结果是对隧 道通风设计及实际运营状况的最直观评价， 但由于影响因素十分复杂使得浓度分 布很不稳定， 而且若想得到较详细的等浓度分布曲线图， 则需设置一系列测试点， 因此需要耗费大量的人力物力，另外，在动态下测试存在安全隐患。 数值分析或解析方法是在建立物理模型和数学模型的基础上进行求解的方 法，随着计算机技术的快速发展，近年来在隧道污染物扩散方面cfd数值模拟方 法得到了广泛应用。cfd数值模拟方法69是通过计算机进行数值计算和图像显 示，对流体流动和传热等物理现象所做的分析，模拟中由污染物扩散方程、运动 方程和连续性方程构成封闭方程组，并通过建立相应的边界条件进行求解。cfd 的基本做法是把在时间和空间区域上连续的物理量场进行离散， 用所有离散点上 的变量值来代替，并建立起这些离散点上的代数方程，最后通过解代数方程组求 第一章 绪论 6 得物理量的近似值。数值模拟往往需要观测或物理模型实验提供某些流动参数， 而且在离散和求解方面需要大量经验和技巧，这是cfd方法的缺点。但是，由于 流动问题控制方程的一般是非线性的，单纯通过计算求得解析解十分困难，甚至 是不可能实现的，而cfd可以得到满足工程建设的数值解。数值模拟可以不受重 复次数限制在进行方案比选中进行大量计算，较容易模拟特殊尺寸、高温、有毒 及易燃等理想或极限条件。正是因为cfd模拟具有适应性强，省时省钱，能够得 到十分详细的物理量分布场，不需要耗费大量的人力物力等优点被广泛应用。 1.3.2 国内外研究现状 国外一些研究人员从20世纪70年代便开始了对隧道洞口污染物扩散规律的 研究， 1973年hayward a t j和macdonald l m发表的题为 “ventilation experiment from a road tunnel model”的论文是对双洞隧道“二次污染”最早的研究。1987 年 ide, y10等人根据隧道出口排气的射流作用、 大气风速及汽车行驶的掺混作用 对洞口排出污染物扩散作用的不同影响，通过模型实验得到了四种扩散模型，即 射流模型、交通模型、叠加射流模型与叠加交通模型。nadel c11等人在加拿大 安大略省的 rwdi 和 rowan williams davies 公司的流体动力实验室进行的模型 试验，并在风洞地面设置了粗糙的立方体和锥形螺旋线来模拟湍流特性。 对于隧道洞口污染物扩散研究方面， 国内外许多学者针对特定隧道项目进行 了粒子示踪试验，或在风洞中进行了隧道模型实验，得出了一些经验模型。1993 年 zumsteg 和 graf12基于著名的 highway-2 公路模型建立了简单的高斯计算模 式，用以模拟公路隧道洞口污染物的扩散情况，将污染物源视为线源，水平和垂 直方向扩散参数初始值满足洞口污染物浓度初始值， 模型计算值平均浓度与现场 实测值符合程度较好，但是高斯线源模式并不适合低风速的情况，尤其对于风速 与道路平行时的计算误差相当大。1998 年德国指导委员会13在实地观测的基础 上将某点观测浓度值总结为一个经验公式， 认为某点的浓度为洞口射流沿纵向的 衰减与某一横截面浓度衰减、气流夹带作用修正参数以及污染物类别参数的乘 积，但此经验模型只能适用的条件较为单一。为了在不违背空气质量标准相关规 定的情况下确定马赛诸塞州波士顿中央大道隧道项目的纵向通风方案，nadel， vanderheyden14建立了物理模型并在风洞中进行了实验， 通过大量的实验归纳出 了污染物扩散的特点，并且将这些数据资料与典型隧道流动状态相结合，从而得 出了一些简易方程用以描述环境风速对洞口排出的污染物扩散的影响程度。 okamoto15等提出了一个较复杂的模型，将特征风场环境与有限元法相结合对平 流扩散方程进行数值求解，其中风场是由环境风速与洞口射流风速叠加而成，假 定洞口射流风速符合高斯分布， 但两条隧道示踪气体实验表明该经验模型与示踪 第一章 绪论 7 试验所得结果不相一致，此模型在某种程度上过高估计了浓度值，据推测可能是 模型中没有考虑浮升力的影响所致。胡维撷，蒋维楣16,17等就某城市道路隧道的 风井排放塔和洞口污染物扩散对周围环境的影响问题， 以乙烯为示踪气体在风洞 中进行了示踪气体扩散实验， 通过实验结果分析了风井或洞口排放废气的地面浓 度分布状况，并在 top 模式的基础上，根据实验条件给出修正后的经验参数， 实验中隧道内外温差为零。 杨玉容18等提出了极值测试分析方法， 并应用此方法 分别对北碚隧道单洞双向行车和双洞单向行车工况洞口外 co 浓度进行了测试， 得出了可能的 co 浓度最大值分布。 在数值分析方面，研究人员利用数值模拟软件进行了大量的工作。chow w k19应用 k- 湍流模型计算了隧道出口一侧有山坡时的 co 分布情况，将山坡简 化为墙壁面，并忽略了洞口排气与环境温差的影响，即不计算能量方程。南京大 学的于洪彬、 蒋维楣20对过江隧道排风塔尾流区进行了模型试验， 实验中以乙烯 为示踪气体，由多路采样系统同步自动采样,同时进行了随机游动数值模拟，该 模拟方法属于拉格朗日模式，实验与数值模拟扩散流场分布吻合较好。西南交通 大学的徐丽和冯炼21以某城市单洞公路隧道为原型建立了物理模型， 针对冬、 夏 两季主导风向下隧道洞口污染物扩散特点进行了数值模拟，结果表明，无风情况 下污染物基本沿垂直洞口的轴线扩散，在有风时则会改变扩散范围，沿着环境风 速的下风侧扩散。王子云等22利用 cfd 模拟软件对某城市连拱隧道洞口污染物 分布进行了数值模拟， 并对两洞口之间是否设置中隔墙的污染物回流状况进行了 对比， 在不设置隔墙时二次污染较严重， 而设置中隔墙时二次污染程度明显降低。 余快等人23就中梁山双洞单向隧道建立物理模型，两洞口中心线间距 40m，采 用 fluent 数值模拟软件对五种自然风向下两洞口间设置隔墙与否时的污染物串 流进行了比较分析， 结果显示， 不设置隔墙时无自然风情况下不会出现二次污染， 对于不利的环境风风向设置隔墙可以有效地降低二次污染程度。 李飞24在不考虑 环境风的情况下对双洞隧道污染物扩散的相互影响进行了数值模拟研究， 总结出 了隧道间距和上下行隧道排风、进风速度对污染物回流量的影响情况，虽然研究 不够详细，但对进一步研究有借鉴意义。 1.3.3 目前研究存在的问题 上述对洞口污染物扩散规律的研究采用了现场实测、现场示踪试验、风洞模 型试验及数值模拟的方法，这些研究所得出的结论对进一步研究具有指导意义， 但其多是针对某一实际工程而进行的， 也即意味着将影响隧道洞口污染物扩散的 因素特定化，缺少普遍适用性。 以往的研究通常将影响隧道出口废气扩散的三个主要因素总结如下: 第一章 绪论 8 (1)隧道出口排放废气的射流作用引起的扩散； (2)洞外环境风引起的扩散； (3)通行车辆的交通混合作用引起的扩散。 对于单洞隧道而言，隧道洞口排出的污染物在出口射流风速、外环境风速及 车辆的运行三者作用下不断扩散，而相较于车辆运行的作用而言，出口射流速度 与环境风速的影响最为突出， 研究表明模型实验在不考虑车辆运行的影响下可以 满足工程设计需要。根据上述文献可知，研究者采取数值模拟方法对洞口污染物 扩散的研究中均将环境风速作为平均值处理， 即未考虑风速在高度方向上的梯度 变化，而实际上在大气边界层内地面以上的垂直方向上风速是呈幂指数增长的。 对于双洞隧道而言， 除了排风洞口的排风风速与洞外环境风速两个主要的影 响因素外，进风洞口的进风风速与两洞口间距也是影响污染物扩散的重要因素， 而从以往的文献中可知，这几种因素并没有被系统的研究。在一定距离下，上行 隧道洞口射流排风与相邻下行隧道洞口进风互相影响， 使得上行隧道排出的污染 物混入下行隧道洞内，也即形成二次污染，而且在这种进排风的相互作用下，洞 内排出的污染物扩散范围及规律均受到影响，当间距改变时，同一进排风速度下 污染物分布及二次污染率将随之变化。 不仅环境风速对二次污染及洞外污染物分 布状况存在影响，环境风向的改变对于促进或阻碍二次污染也有较明显的影响， 上述国内外研究中较少的考虑了风向变化的影响， 仅在个别数值模拟22,24研究中 加了某一或二至三个固定风向， 没有就风向角度的变化所引起污染物分布规律进 行详细研究。 1.4 本文主要研究内容及意义 针对目前双洞隧道二次污染及洞外污染物分布规律研究的不足， 且某些近距 离双洞隧道二次污染严重等问题，本文主要采用 cfd 数值模拟的方法，对双洞 隧道二次污染和洞口污染物分布特点进行研究。 首先利用胡维撷、 蒋维楣等人16,17的示踪气体模型试验对本课题的物理模型 及数值模拟方法的合理性进行论证， 在确定了所采用的数值模拟方法的合理与准 确性之后，本课题将采用此数值方法对以下具体内容进行研究： (1)无环境风时的污染物分布规律 1)对任一洞间距下，上行隧道洞口排风速度恒定，随着下行隧道洞口进 风不断变化时污染物扩散的变化规律，或进风恒定而排风变化时污染物的扩 散规律； 第一章 绪论 9 2)对于不同洞间距下，取进风与排风速度相等，并定义为通风速度，研 究随着通风速度的不断增大，二次污染水平及污染物分布状况，得出使得每 种洞间距下二次污染率达到