（环境工程专业论文）城市道路隧道交通风作用下壁面压力的特性研究.pdf

摘要 对于城市道路隧道而言，其分区长度除需考虑隧道内允许的最大纵向通风速 度与各种污染物的临界浓度外，还需从环保角度考虑隧道洞口及排风口的各类污 染物排放总量及浓度。因此需采用多竖井组合式的通风方式，但其机械通风塔的 建设很难与城市建筑及景观相配合，且增加建设难度与费用。在隧道壁面直接开 设自然通风口，交通风力与自然风力的综合作用使得风口内外形成一定压差，从 而利用风口置换隧道内空气，近年来这种新兴的通风方式得到了迅速发展。但现 行设计规范对这种通风方式并无相关参数可供参考，因此有必要对这种通风方式 进行研究。 本文利用数值模拟方法，应用f l u e n t 系列软件对单纯交通风作用下，单向交 通隧道的壁面未开设通风口时，项、侧壁面各点压力的变化与分布规律进行了研 究，结果表明：不同车速及阻塞比工况下，受车辆运行的影响隧道顶、侧壁面各 点处压力时正时负，且处于周期性变化之中。在一个周期的时间段内，隧道顶、 侧壁面总体的正压时间权重都基本保持在o 2 左右，相应的负压时间权重都基本 保持在0 8 左右；隧道顶、侧壁面总体的负压均值的绝对值都大于正压均值，隧 道侧壁面的总体正压均值及负压均值的绝对值皆大于顶壁面的相应数据，但差值 很小，在1 0 之内。同一时刻，隧道内同一断面处，顶壁面的压力分布基本均匀； 沿隧道内车辆行驶方向，顶壁面压力呈周期性变化且总体增大的规律，各个周期 内的峰、谷值都沿该方向呈增大趋势。 基于以上研究结论，本文对城市道路隧道自然通风口的开设位置及通风情况 进行了研究。结合实际工程建设难度、费用及通风管段的阻力情况，对比隧道顶、 侧壁面开设自然通风口的优劣性，结果表明风口应设置在隧道顶壁面处。隧道同 一断面，顶壁面横向方向的不同位置开设相同参数的自然通风口时，其通风情况 相同。隧道壁面均匀布置自然通风口时，风口的总体进风量大于排风量，则自然 通风口对污染物的分流作用较小，因此对于实际工程应具体分析风口的进排风对 隧道内污染物的稀释作用，确定自然通风方式是否满足通风需求及是否需辅助加 设机械通风设备；需在隧道顶壁面局部区域集中开设自然通风口时，应选择靠近 隧道出口的顶壁面处，以最大程度利用交通风力，分流隧道内污染物。本课题的 研究，既可为隧道相关课题的研究提供参考，也可为城市道路隧道开设自然通风 口，这种通风方式的设计提供参考。 关锢闹：城市道路隧道；交通风：压力：自然通风口：数值模拟 a b s t r a c t t h em a i nf a c t o r so ft h ep a r t i t i o nl e n g t ho fu r b a nt u n n e li n c l u d et h a t t h ec r i t i c a l c o n c e n t r a t i o no fp o l l u t a n t sa n dc r i t i c a lw i n ds p e e d ，t h ee m i s s i o nc o n c e n t r a t i o ni n p o r t a l sa n de x h a u s to u t l e t t h e r e f o r et h ev e n t i l a t i o ns h a f to fm u l t i - m o d u l a ri sa d o p t e d w i d e l y ，b u ti t sm e c h a n i c a lt o w e ri ss oh a r dt oa d a p tt oc i t yv i e w a n di tc o s tt o om u c h t h ev e n t i l a t i o nm e t h o do fs e t t i n gu pn a t u r a lo p e n i n g so nt u n n e lw a l ld i r e c t l y ，h a v e b e e nd e v e l o p e di nr e c e n ty e a r s ，i tc o u l dr e n e wa i ri nt u n n e lt h o u g ht h ec o m p o s i t e e f f e c to ft r a f f i cw i n da n dn a t u r ew i n dw i t ho p e n i n g s t h ec u r r e n td e s i g nc o d ed o n t i n v o l v et h ea b o v ev e n t i l a t i o nm e t h o d ，s oi t sn e e dt or e s e a r c hi t t h ep a p e rs h a l lr e s e a r c ht h ec h a n g ea n dd i s t r i b u t i o nl a wo ft h ep r e s s u r eo nt h e w a l l o fo n e - w a yt u n n e li n o n l ye f f e c to ft r a f n cw i n dw i t h f l u e n t ，t h a tw i t h o u t o p e n i n g s t h er e s e a r c ho fp r e s s u r ec h a n g el a wo nt u n n e lw a l li n d i c a t et h a t ，t h e p r e s s u r eo fa l lp o i n to nw a l lc h a n g ep e r i o d i c ，a n ds o m e t i m e sp o s i t i v e v a l u e ， s o m e t i m e sn e g a t i v ev a l u e t h ew a l li na n yc o n d i t i o n ，t h et i m er a t i oo f p o s i t i v ev a l u e i s0 2 ，a n dt h et i m er a t i oo f p o s i t i v ev a l u ei s0 8 t h em e a nv a l u eo fn e g m i v ep r e s s u r e i s l a r g e rt h a np o s i t i v ep r e s s u r e t h em e a np o s i t i v ep r e s s u r ea n da b s o l u t em e a n n e g a t i v ep r e s s u r eo ns i d e - w a l li sl a r g e rt h a nt h a to nt o p w a l l p r e s s u r ed i s t r i b u t i o ni s u n i f o r m i t yo nt o p w a l li nt h es a m es e c t i o n t h ep r e s s u r eo ft r a f f i cd i r e c t i o na p p e a r s t h el a wo fw a v e m o d e r i s i n gt o t a l l y ，p e a kv a l u e a n dv a l l e yv a l u ei sr i s i n gt o t a l l y t h e nt h ep a p e rs h a l ls t u d yt h e p r a c t i c a la p p l i c a t i o no ft h er e s e a r c h i tr e v e a l st h a t i t sb e t t e rt os e tu po p e n i n g so ns i d e - w a l lt h a nt o p w a l lt h o u g hi n t e g r a t e da n a l y s i s t h es a m eo p e n i n g si nd i f f e r e n tl a n d s c a p eo r i e n t a t i o no ft h es 锄es e c t i o nh a v et h e s a m ev e n t i l a t i o nc o n d i t i o n i t st o t a lv a l u eo fi n l e ti sl a r g e rt h a no u t l e to f o p e n i n g s s e t t i n gu pu n i f o r m i t ya l o n gt r a f f i cd i r e c t i o n s of o rp r a c t i c a lp r o j e c t sw es h o u l d a n a l y s i st h ed i l u t i o ne f f e c to f p o l l u t a n ti n d u c e db yi n 1 e to ro u t 1 e tw i n dt oc o n f i 册t h e n a t u r a lo p e n i n g sc o u l do rn o tm e e tt h ev e n t i l a t i o nd e m a n da n di n s t a l lm e c h a n i c a l e q u i p m e n t w h e ni t sn e e dt os e t u po p e n i n g so nl i m i t e da r e a ，t h el o c a t i o no f o p e n i n g ss h o u l db es e tu pi ns o m e w h e r e t or e l e v a n ts t u d ya n dt h ed e s i g no fu r b a n n e a rt u n n e le x i t t h ep a p e r p r o v i d er e f e r e n c e t u n n e lv e n t i l a t i o ns y s t e m k e yw o r d s ：u r b a nt u n n e l ；t r a f f i c w i n d ；p r e s s u r e ；n a t u r a lo p e n i n g s ； n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论弟一早瑁形 公路隧道是指公路交通系统中用作地下通道的工程建筑物，大致可分为穿山 隧道，穿水隧道，城市道路隧道。在山岭地区公路隧道可克服地形差或高程差， 缩短里程，节约燃料且减轻对植被的破坏，从而达到节能与生态环保【l 】；在江河、 港湾、海峡地区，穿水公路隧道的建设可在不影响水路通行的情况下解决很多必 要的交通问题；随着城市建设速度不断加快，城市中出现了用地紧张、交通阻塞、 生态失衡、环境恶化等一系列问题，相对于城市高架路系统及轨道交通而言，城 市道路隧道有着造价低、噪声低、对生态环境与城市景观影响较小的优点。 随着科技与交通事业的发展，人们的生活需求不断提高，世界范围内公路隧 道建设事业都在日益扩大，2 0 0 2 年我国公路隧道已建成1 7 8 2 座，通车里程达 7 0 4 k m ，近十年来，我国的公路隧道里程每年以2 0 左右的速度迅速增加，隧道 总长度与数量也一直位居世界第一。 在穿山隧道方面，近十多年来，我国已修建了很多长隧道、特长隧道以及隧 道群，1 9 9 5 年中梁山隧道建成，全长3 1 6 5 k m ，缙云山隧道长2 5 2 9 k m ，使我国 长大公路隧道的通风问题得到了解决，对国家隧道战略的现代化建设具有重要意 义。1 9 9 9 年9 月四川广安地区华蓥山公路隧道全线通车，全长9 4 1 k m ，是成都 到上海高速公路中广安至重庆段的瓶颈工程。2 0 0 7 年正式通车的秦岭终南山隧 道洞长1 8 0 2 公里，建设规模世界第一 2 】。穿水公路隧道方面，2 0 0 9 年9 月，全 长1 0 1 2 公里的浏阳河隧道，作为国内首座穿越城市、河流、高速公路的隧道， 正式通车。2 0 0 9 年11 月5 日，作为中国大陆第一条海底隧道，厦门翔安隧道全 线贯通，全长8 6 9 5 k m 。城市道路隧道由于其对城市环境与交通的突出贡献，近 年来国内各大城市都在此方面进行了大量的建设。 隧道的内部空间相对封闭，车辆运行过程中排放大量污染物，主要为c o 、 氮氧化物与烟雾，污染物浓度达到一定程度后，司乘人员的健康会受到危害，其 反应能力也会相应降低，从而增大交通事故发生的风险，同时这些污染物对生态 环境的影响也很大。公路隧道通风系统设置不当，很可能导致隧道正常运营或阻 滞、火灾情况时，给司乘人员带来不必要的伤害【3 j 。 2 0 0 1 年8 月4 日，吉尔吉斯斯坦南部城市奥什至首都比什凯克的穿山公路 隧道内，于凌晨发生汽车尾气中毒事件，本次事故造成1 8 人生命垂危，5 人死 亡。调查结果表明，隧道内一辆货车抛锚使得车辆堵塞，进而引起了这次事故。 第一章绪论 隧道内通风设施设置不利，使得3 8 名被堵在隧道内的司机及乘客因过量吸入汽 车尾气而中毒。表1 1 为1 9 4 9 年 2 0 0 1 年世界上发生重大隧道火灾的人员伤亡 情况| 4 1 。 表1 11 9 4 9 年 - 2 0 0 1 年世界上发生的重大隧道火灾的人员伤亡表 上述表中的隧道火灾事故中，很多人员伤亡与财产损失都是由于隧道通风设 施设置不利，导致火灾时排除污染物能力不足所致。 从以上隧道交通事故的伤亡情况及原因可知，公路隧道通风系统从一开始就 应当做合理的设计与设置，这就需要科研人员对其通风系统进行详尽的研究。 1 2 城市道路隧道通风系统的发展现状 公路隧道通风方式包括自然通风和机械通风【5 1 。机械通风的方式又可分为纵 向通风、半横向通风、全横向通风以及组合通风方式。传统意义上，对隧道不同 通风方式选择的一般界定如下：纵向通风适用于长度2 0 0 0 m 以内的隧道、半横 向式适用于3 0 0 0 m 以下的隧道、横向式适用于3 0 0 0 m 以上的隧道。以上各种隧 道通风方式，不仅适用范围不同，而且各有利弊。采用全横向和半横向通风方式， 隧道的防火排烟效果和卫生状况最好，但其土建投资费用和正式通风运营费用较 大；而采用纵向通风方式，土建投资费用及运营费用都相对较低，但防火排烟效 果和洞内的环境状况稍差【6 。而由于纵向通风方式具有运营费用低与投资少的明 第一章绪论 显优点，近年来在长大隧道内得到了越来越多的应用。然而实际工程设计中对隧 道内的纵向通风速度及隧道内污染物浓度有一定限制，一些长大隧道开设斜井和 竖井，采用分段式纵向通风的方式，从竖井中将达到临界浓度的污染空气排出， 将新鲜空气从外部送到下一个区间，从而将纵向式通风系统的应用范围扩大，使 得长度不再是其主要的限制因素，各种通风方式见图1 1 。 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - - _ i _ - 一一 纵囱遂风 - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ 一一_ 一_ 一_ - 一 半横向避觅 图1 - 1 隧道通风方式 竖井式级囱透风 同时近些年城市道路隧道迅速发展，而其通风系统除需考虑隧道内允许的最 大纵向通风速度和各种污染物的临界浓度外，还必须从城市环保角度，考虑隧道 洞口和排风口的允许排放浓度和各类污染物的排放总量，为防止隧道洞口污染物 排量超过城市环评要求，很多城市道路隧道都采用多竖井组合式的通风方式，利 用竖井分流隧道洞口污染物。 对于城市道路隧道，若采用机械通风方式，土建投资及运营管理费用都较高， 而且在市区内设立机械通风塔难度大且影响城市景观。相比之下，自然通风方式 则无需设置通风风机，无电力消耗，且可降低隧道断面高度，如此可节省隧道建 设和运营成本，具有明显的经济性【7 。 城市道路隧道以长度短、埋深浅为特征，可以考虑在隧道壁面处直接开设与 外部环境相通的自然通风口，利用车辆运动产生的交通风在通风口内外所形成的 压差，置换隧道内空气，稀释沿程排放的污染物，减少隧道出口污染物排放总量 及浓度，最终达到城市道路隧道的通风要求。图1 2 为城市道路隧道机械通风系 统及自然通风系统示意图。 第一章绪论 机械通风系统 图1 2 城市道路隧道通风系统 目前我国很多城市对上述自然通风方式已有应用。成都市红星路下穿市政隧 道首次采用了项部开口的自然通风方式，上海陆家嘴越江隧道为避免洞口集中排 放废气对环境的影响，除利用机械通风外，也选择了在浦东段地面设置通风口的 方式，一共设置了1 4 个地面风口。南京也有两座城市道路隧道采用了顶部开口 的自然通风方式。 1 3 城市道路隧道通风系统的研究现状 隧道通风的研究方法，主要包括模型实验、理论计算、实地测量及数值模拟 计算，通过以上方式获得隧道内的速度场，压力场，温度场的分布，从而确定隧 道最佳通风方式与控制策略。 对于城市道路隧道，科研人员对自然通风口的通风方式进行了大量的研究。 西南交通大学的葛家美 8 】等利用s e s 软件进行数值模拟，研究了自然通风口布置 情况对隧道内空气流动及污染物扩散的影响；铁道第二勘察设计院的钟星灿【9 j 等对隧道壁面开自然通风口的单向交通隧道中，交通风力自然通风的原理进行了 探析，根据动量、能量和质量守恒的基本定律，建立相关的关系式，探索分析这 种自然通风的气流运动规律；西南交通大学的胡春燕【1 0 】对顶部开口的自然通风式 城市道路隧道，建立了c o 一维数学模型，计算了正常工况、不同的通风1 3 布置 方式、不同的通风口面积、不同的通风口间距、不同车辆行驶量与车速时的污染 物分流率及污染物分布情况；解放军理工大学的朱培根【1l 】等对竖井型城市隧道自 4 第一章绪论 然通风的流动特征与原理进行了研究，建立了隧道内有害气体浓度分布的数学模 型，提出利用有害气体浓度来评价城市道路隧道卫生效果的方法，为竖井型城市 隧道自然通风的理论计算、方案设计和分析提了必要的理论依据；铁道第二勘察 设计院的钟星灿【1 2 等研究了在项部或侧壁设有多处通风v i 的单向交通隧道中，车 辆运行产生的交通风力的形成和作用过程，得出这种自然通风形式的计算方法； 解放军理工大学工程兵工程学院的茅靳丰1 1 3 】用实验研究的方法在隧道上方间隔 性的构建了1 6 组通风口，研究了通风口的组合方式、位置、尺寸和数量等对隧 道内温度、c o 浓度和风速的影响。 城市道路隧道开设自然通风口时，隧道内交通风与隧道内外自然风的综合作 用，使风口置换隧道内空气。自然风的作用力受外部环境影响较大，且其变化情 况复杂，常被视作通风阻力，而交通风在隧道内形成的压力为自然通风口的通风 动力。交通风( 或活塞风) 的定义为：隧道中的车辆或列车在其运行过程中，由于 车辆具有一定速度与车体断面积，将能量传递给车身周围隧道内的空气，形成交 通风力。交通风( 或活塞风) 可引成隧道内空气流动，也可在隧道内各处形成一定 压力。当隧道内风口处压力大于隧道外环境大气压时，风口处于排风状态；当隧 道内风口处压力小于隧道外环境大气压时，风口处于进风状态。则可知，隧道内 风口处压力的变化与分布规律决定了自然通风口的进排风状态。 在隧道交通风( 或活塞风1 的研究中，国内外科研人员做了大量的工作。美国 的g e o r g eg i b b s t l 4 】等在宾夕法尼亚铁路隧道中进行相关实验，研究了列车的“活 塞效应”，并提出减少空气阻力的措施。克罗地亚的m i r o s l a vs a m b o l e k 【l5 】利用 模型试验结合实地测量的方式验证了实验自模区的存在及其临界雷诺数，并研究 了在自然通风时，仅仅依靠进出口压差形成进风量时，不同车速的模型汽车所产 生的交通风速；韩国学者j y k i m 等【1 6 】建立列车隧道模型实验台并应用c f x 软 件对隧道交通风进行数值模拟研究，通过实验数据对模拟数据的验证，确定了模 拟设置的合理性，并对列车运行全过程中隧道不同位置活塞风速及压力的大小及 变化规律进行了系统的研究；台湾的t y c h e n 等【l7 】利用模型实验的方法研究了 在不同的车间距、车速、车型以及单双向交通时在车辆两侧及车辆上方产生的活 塞风的大小及变化规律；同济大学的沈翔【1 8 】对地铁隧道的活塞风建立了数学模型， 得到活塞风的速度压力方程，利用计算机程序模拟地铁活塞风的速度场分布和压 力场，最后测试地铁活塞风的真实情况，验证模拟计算的结果；台湾的c h i j il i n 等【1 9 】通过实际测量与数值模拟的方法，对地铁隧道中由列车活塞风力在竖井中引 起的气流运动进行了研究，分析了不同竖井长度与截面积时竖井通风情况；同济 大学机械学院的贺江波等 2 0 】采用非恒定流活塞风计算理论，按列车行驶在单线无 竖井隧道内的不同位置，建立数学模型，利用m a t l a b 软件进行数值模拟，分 第一章绪论 析列车经过某区间隧道时活塞风速的变化情况。西南交通大学的王峰等【2 1 】利用模 型实验及f l u e n t 软件对曲线公路隧道交通风的分布及变化规律进行了深入的研 究；长安大学的张素磊【2 2 】依托“港珠澳海底隧道通风井间距研究”课题，对长大 隧道中的交通风力进行了理论分析及数值模拟分析，并以如何合理利用交通风力 为基础条件对港珠澳海底隧道通风井距离进行了研究，在对长大公路隧道交通风 力的研究过程中提出了“临界车速”的概念，分析了港珠澳海底隧道各工况下的 临界车速情况，以合理临界车速为条件分析了港珠澳海底隧道通风井的合理延长 距离区间。 分析上述文献可知，在模型实验及数值模拟的研究中，均以实际工程为基础， 自然通风口的通风量为研究对象，分析其布置位置、面积大小及其组合方式的影 响，而未以最基本的通风动力为研究对象，使其研究结果的普遍适用性不足；另 外对于该类型隧道通风系统的理论计算研究中，所建立的计算关系式基于将隧道 简化为一维或二维模型的前提，而实际隧道各壁面对交通风引起的气流都有影响， 因此其理论计算结论也有一定不足。 科研人员在对公路隧道交通风的研究中主要分析其交通风速，并未对隧道内 压力进行研究；在对列车隧道活塞风的研究中，对其风速及壁面压力都有一定研 究，但列车隧道与公路隧道的行车量、阻塞比及实际运行情况相差很大，其研究 成果对公路隧道并不适用，但可借鉴列车隧道活塞风的研究方法，对公路隧道的 交通风进行相关研究。 因此本课题参考相关研究，建立城市道路隧道三维模型，利用数值模拟方法， 研究单向交通隧道未开设自然通风口时，单纯交通风力作用下，顶、侧壁面压力 的分布及变化规律，并应用研究结论对隧道不同位置开设自然通风口时，其通风 情况进行分析，以期研究结论对城市道路隧道通风系统的设置有普遍性的意义。 1 4 本课题研究方法和内容 本课题主要应用数值模拟的方法研究单纯交通风作用下，城市道路隧道壁面 压力的分布及变化规律，具体步骤与研究内容如下： ( 1 ) 对本课题所用数值模拟方法的验证 应用f l u e n t 系列软件建立本课题研究所需的隧道模型，利用动网格技术模拟 车辆运动，完成相关设置后对某研究工况进行数值模拟计算。根据公路隧道通 风照明设计规范j t j 0 2 6 1 1 9 9 9 ) ) ( 以下简称规范) 中关于公路隧道交通风力的 理论计算方法，对数值模拟工况进行理论计算，对比理论计算与数值模拟结果， 从而对本课题的数值模拟方法进行验证，确定其设置的合理性与准确性，并应用 该数值模拟方法对本课题所有研究工况进行模拟计算。 第一章绪论 ( 2 ) 隧道顶、侧壁面各点处压力变化律的研究 首先对各工况顶、侧壁面压力变化规律的相似性进行研究，然后对同一工况 隧道同一断面，项、侧壁面压力变化规律的相似性进行研究，从而确定研究工况， 分析隧道顶、侧壁面各点压力的变化规律。进一步分析在一个计算周期内，隧道 顶、侧壁面总体正、负压均值及正、负压时间权重，利用研究数据分析隧道壁面 均匀开设自然通风口时，其总体进排风效果，并对比隧道项、侧壁面的总体压力 值，结合实际情况分析顶、侧壁面开设自然通风口的优劣性。 ( 3 ) 隧道同一断面处顶、侧壁面的压力分布均匀性的研究 通过提取各工况数值模拟数据，确定隧道顶、侧壁面压力受车辆影响最大的 工况，进而通过该工况，研究同一时刻隧道同一断面处，顶壁及侧壁面压力分布 的均匀性，进而分析隧道同一断面不同位置处开设通风口时，其通风情况的异同。 ( 4 ) 沿隧道内车辆行驶方向，顶、侧壁面的压力分布规律的研究 对沿隧道内车辆行驶方向各工况顶、侧壁面压力分布规律的相似性进行研究， 进而确定研究工况，分析沿该方向顶、侧壁面压力的分布规律。综合隧道顶、侧 壁面压力变化及分布的研究结论，并对需在隧道壁面局部区域集中开设自然通风 口时的情况进行分析，确定风口的开设位置。 第二章基本研究方法概述 第二章基本研究方法概述 2 1 规范对公路隧道交通风速的计算【2 3 】 2 1 1 自然风阻力的计算 自然风是指自然情况下隧道内形成的气流。自然风由隧道进出口的大气压差、 隧道外环境的自然风和隧道内外温差三部分作用压力组成。自然风向与隧道内车 辆行驶方向一致时，对隧道内气流产生推力，相反时则产生阻力。而在实际隧道 运行中，自然风向经常变化，难以与车辆行驶方向一致，因此从安全角度出发， 通风设计中视自然风向与车行方向相反，将自然风力作为阻力考虑，自然风阻力 应按式2 1 进行计算： 蛾_ ( 1 + 幺+ z r 去) 詈碱2 ( 2 _ 1 ) 式中：p m 一自然风形成的阻力( n m 2 ) ； v n - 自然风引起的隧道内的风速( m s ) ； z x e , + 蛾时，隧道内可不设置机械通风设备，单纯 依靠隧道交通风力即可满足隧道通风需求，即可采用自然通风方式。本课题只对 隧道交通风进行研究，模型中未设置机械通风系统，则可以将式2 - 6 简化为式2 7 ， 对隧道内交通风所形成的风速进行计算。 2 2 数值模拟基本理论 2 4 3 4 】 扯= 衅+ 蛾 ( 2 - 7 ) 目前，数值模拟的研究方法，己广泛应用于科学研究中，其优势体现在：投 入低、计算快、结果详尽完整、可处理各种工况及理想状态下的问题。而目前对 隧道通风的研究中，也较多的采用c f d 软件。 c f d 软件的作用为解决实际工程中的传热和流体流动问题，当今比较流行 且成熟的c f d 软件有：f l u e n t 、s t a r c d 、p h o e n i c s 、c f x 等，而f l u e n t 是如今 国际范围内最流行的商用c f d 软件包，在全球众多的c f d 软件开发、研究厂商 中，4 0 以上的市场份额被f l u e n t 所占有，其在美国应用市场的占有率也达到了 6 0 。几乎所有涉及流动、化学应用及传热的问题，都可以采用f l u e n t 进行数值 模拟计算。 数值模拟计算用模型来代替真实系统进行研究，是基于模型的研究活动。对 于城市道路隧道交通风的数值模拟，关键技术在于建模。数值模拟计算需要合理 确定模型，即建立良好的物理、数学模型。而建立模型需遵循两个基本原则：模 拟计算的可行性与物理的真实性。模拟计算的可行性使得必须对模型进行简化， 直至达到目前计算机的计算能力之内，而物理的真实性需要所建立的物理模型能 够确切反应出计算对象的相关规律和本质。 为了便于本课题的合理建模与计算，对隧道交通风的模拟作下列假设： 隧道内的气流为非定常湍流； 交通风作用下隧道内的气流为低速流动，可将其视作不可压缩流体； 隧道内车辆按照相等车间距及统一的速度行驶。 基于以上假设，继续对本课题研究所利用到的数值模拟相关理论作简要介绍。 2 2 1 控制方程 l 、质量守恒方程 字+ d i v ( p u ) ：0 a ( 2 - 8 ) 第二章基本研究方法概述 式中：p 是密度，t 是时间，d 是速度矢量。 d i v ( u ) = 一u 塑o x + 安+ o 玉wc d z 式中：u 、v 、w 为速度矢量西在x 、y 和z 方向的分量。 2 、动量守恒方程 ( 2 - 9 ) 旦o t ( ) + d i v ( p u u ) = d i v ( 1 2 9 r a d u ) 一o 缸p + s u ( 2 - 1 0 ) 昙( ) + d v ( p v v ) = d i v ( 2 9 r a d v ) 一考+ & ( 2 - l1 ) o ( p w ) + d i v ( p w w ) = d i v ( t g r a d w ) 一丽o p + s 。( 2 - 1 2 ) 式中：p 为流体微元体上的压力，o u 、p 、6 w 为动量守恒方程的广义源项， 为粘滞系数。 2 2 2 湍流方程 湍流是时间上无秩序、空间上无规则的一种复杂的非线性流体运动，在湍流 中，随着空间与时间的变化，流体的各种物理参数都发生相关变化。湍流运动的 特性尺寸非常小，因此求解方程时必须将求解区域划分成许多尺寸很小的网格， 而目前计算机的计算能力还无法达到要求，而雷诺时均方程是工程上处理湍流的 基本方法。湍流模型的基本特征为利用一些模拟假设，用低阶关联项或时均量来 表达雷诺时均方程中的高阶未知量关联项，从而闭合方程组。由于工程中主要关 注时均速度场、浓度场及温度场等，因而大多工程的要求可用湍流模型的方法解 决。目前雷诺时均方程组的封闭模型很多，其中k - e 双方程模型在通风工程中的 应用最为广泛。k - e 双方程模型分为标准k - e 模型、r n gk - 模型和带旋流修正的 k - 模型，本课题研究应用标准k - 模型。 标准k - 模型为半经验公式，主要基于湍流动能和扩散率。k 方程为精确方 程，而方程为经验公式导出的方程。 湍流动能方程k ，和扩散方程： 第二章基本研究方法概述 半+ 掣2 北+ 廿针g 堆甜s “m ， 掣+ 掣2 剐+ 卦针吒静+ 掣。p 扣疋州， 式中：g b 是由浮力产生的湍流动能，g k 是由层流速度梯度而产生的湍流动 能，y m 是可压缩湍流中过渡的扩散产生的波动，c l 。、c 2 。、c 3 。是常量，s k 、s z 是用户定义的源项，6 k 、g 。是k 方程和方程的湍流p r a n d t l 数。 湍流速度g t 由下式确定： 七 t 2 p c “一 。s 模型常量c l 。= 1 4 4 ，c 2 。= 1 9 2 ，c 3 。= 0 0 9 ，o k = 1 0 ，6 。= 1 3 2 2 3 动网格技术 f 2 - 1 5 ) 对于边界运动随计算时间改变的模型，动网格模型可对其流场进行模拟计算。 f l u e n t 可依据每个迭代计算步中边界的变化情况自动完成对网格的更新。需采用 动网格模型时，应当首先定义边界运动方式及初始网格，可用u d f 或者边界型 函数定义运动方式。f l u e n t 动网格计算中对网格的动态更方式有三种，即动态层 模型、弹簧光滑模型和局部重划模型，本课题采用动态层模型的方式更新网格。 对于楔形或者六面体网格区域，可采用动态层模型更新网格。动态层模型的 核心特点为：根据运动边界外第一层网格高度的变化，减少或者添加网格层，即 在边界运动期间，如果该层网格高度降低到一定值，就将紧邻边界的两层网格合 并为一层；如果该层网格高度增大到一定值，就将其划分为两层网格，见图2 1 。 第i 第j 层 层 i 1 运动边界层 图2 一l 动态层网格更新方式 第二章基本研究方法概述 如果对第j 层网格拉伸，拉伸极限为： h 商。 ( 1 + 口。) 办。 f 2 1 6 ) 式中：h m i 。为该层网格的临界高度，h o 为理想单元高度，0 【。为分割因子。 在符合以上条件的情况后，即可以对网格单元进行分割，而分割网格层可以 用常值比例法或常值高度法。采用常值比例法时，网格单元分割的结果是产生是 比例为a 。的网格。而使用常值高度法时，网格单元分割的结果是产生相同高度 的网格。 如果对第i 层网格压缩，压缩极限为： h 商。 ( 1 + 口。) h o ( 2 - 1 7 ) 式中：0 【。为合并因子。 紧邻运动边界的网格层，其高度符合以上条件时，则将紧邻的外面一层网格 与这一层网格进行合并。 2 2 4 滑移交界面技术 滑移交界面模型允许相邻网格有相对运动，且相应网格的节点无需对齐。使 用滑移交界面模型时，相对运动的网格间，对应界面处的通量需考虑此运动以及 由此产生的重合区域的更新过程。在实际模拟计算期间，每迭代一步就要求再确 定一次对应网格对应界面的重合区域。若计算区域为周期性变化的流场，则网格 对应界面相互重叠部分产生的部分称之为内部区域，即其两侧的区域均为流体， 而不重合的区域称之为周期性区域。若计算区域的流场为非周期性的，则网格界 面重叠部分仍称之为内部区域，而未重合部分则称之为“壁面”区域，见图2 2 。 计算区域中流体各种变量穿过相对运动网格界面的通量，视作内部区域做计算。 壁面区 内部区 图2 - 2 非周期性界面重合产生的区域 1 3 第二章基本研究方法概述 在图2 3 中，相对运动的界面区域由面a b 、b c 、d e 与面e f 组成。交 界区域分为a d 、d - b 、b - e 、e f 等。位于二者重合区域部分的面为d - b 、b - e 和e c ， 此三个面共同组成计算内部区域，其它的面( a d 、c f ) 则为一一对应的周期性区域。 计算穿过流场区域i v 的流量，所用面不是面d e ，而是用面d - b 和面b - e 面，分 别计算从i 和i i i 流入i v 的流量。 髯面2 图2 3 二维网格截面 2 2 5 动网格与滑移交界面的结合 采用动态层模型对动网格计算进行网格更新时，若运动边界为内部边界，则 此边界两侧的网格都将作为动态层参与模拟计算。若只有一部分为运动边界，而 其它部分保持静止，则只需在运动边界上应用动网格技术，但是动网格区域与静 止网格区域应该采用滑移交界面进行连接，见图2 4 。 潼移交再两 梅止网格区域 图2 4 动网格区域与静止网格区域间应用滑移交界面 1 4 第三章数值模拟方法的验证 第三章数值模拟方法的验证 本课题根据计算流体力学相关原理，首先利用f l u e n t 系列软件建立城市道路 隧道全尺寸模型，对本课题所需研究工况之一进行模拟计算，通过模拟结论中的 数据，确定交通风在隧道内引起的气流速度。而后应用规范中的交通风计算 公式对以上工况进行计算，并将其计算结果与数值模拟的结论进行对比，从而以 理论计算数据验证数值模拟结果，确定本课题数值模拟方式的合理性与准确性。 验证完毕后，应用相同数值模拟方法对本课题其它研究工况进行计算。 3 1 物理模型的建立 3 1 1 隧道模型 本课题以天津市某公路隧道为原型，建立隧道物理模型，其尺寸为 3 0 0 m 4 4 m x 6 m ( 长宽高) 。隧道断面横向方向为对称图形，且对称面两侧的流 体区域，其数值模拟的初始设置及边界条件相同，因此相互对称的流体区域，其 模拟计算结果中的气流参数也相同。所以在建立模型时只需建立对称面一侧的流 体区域，即可计算得全部隧道内的流场。在f l u e n t 的边界条件设置中将对称面设 置为s y m m e t r y ( 对称面1 条件，即可在不影响计算目的与精度的前提下，将计算区 域减小一半，从而可加快数值模拟计算速度，隧道模型断面的简化过程见图3 1 。 隧 逶 壁 画 4 厂 隧篱诧后隧 霎匕震 壁 。 璧 蕊蘅 图3 一l 隧道模型断面的简化过程( 单位：m ) 本课题在设置隧道内车辆的运动时，运用了f l u e n t 中的动网格模型，因此在 计算过程中车辆的运动会使其附近的网格被压缩或拉伸，并随时间而更新。在模 型的建立中，为减小车辆运动对网格质量的影响，将隧道内的流体区域分为车辆 运行区域与隧道内其它区域，两个相对独立的流体区域。而后在f l u e n t 中利用滑 1 5 第三章数值模拟方法的验证 移交界面技术将两个计算区域进行连接，即可连通两个计算区域。这样通过分隔 车辆运动区域( 动网格区域) 与隧道内其它区域( 静止网格区域) ，即可获得更高质 量的网格，从而加快模拟计算的速度与精度。最后建立的隧道模型侧视图与隧道 模型截面图见图3 2 与图3 3 。 3 0 0 3 1 2 车辆模型 图3 - 2 隧道模型侧视图( 单位：m ) 2 2 门 隧遵内其它区域 静止网格区域) 对称面 滑移交再萄 车辆运动区域 ( 盂鑫网格区域) 渭移交弊面 图3 3 隧道模型截ni i t ( 单位：m ) 车辆车身具有一定断面积，在隧道内运动时对气流产生扰动，形成交通风。 而交通风形成的主要影响因素为车体断面积，而与实际车辆外形关系不大，且按 照实际车辆外形建立模型会增大网格划分难度，并增加模拟计算时间。因此本课 题建立车辆模型时，首先将其简化为简单的长方体，只保留其车身长度与车体断 面尺寸。车辆本身内部的气流对隧道内气流无影响，无需对车辆内流体区域进行 计算，因此建立车辆模型时只需保留车身外表面。综合上述分析，本课题建立的 车辆模型见图3 4 。 第三章数值模拟方法的验证 图3 - 4 车辆模型 隧溺内其它区域 ( 静止网捺区域) 滔移交界面 车辆运行区域 ( 动网格区域 模型中车辆在隧道断面处设置于中心位置，因此车辆在断面横向方向也是对 称物体，所以模型的建立中也可只取一半车体用于数值计算。本课题所选车辆以 实际车辆车长及断面尺寸为基础，设置三种不同车型的车辆，其实际尺寸与模型 尺寸数据见表3 1 。 表3 1 车辆实际尺寸与模型中尺寸 本课题对不同车速及车型工况的研究中，计算初始时刻隧道内都均匀布置6 辆车，车间距为5 0 m ，紧邻隧道出入口的车辆中心距隧道出入口的距离都为2 5 m ， 隧道内车辆布置情况见图3 5 。 图3 5 初始时刻隧道内车辆布置( 单位：m ) 3 1 3 整体物理模型 在模拟研究过程的初始时刻，隧道内车辆由静止变为各工况要求的速度而运 行，车辆开始扰动隧道内气流，隧道内各点的风速压力等参数开始变化，但初始 时刻其变化规律并不稳定。为使隧道内各点气流参数的变化规律达到相对稳定状 第三章数值模拟方法的验证 态，需保证车辆不断驶出隧道的同时，隧道外有相同车速车间距的车辆连续驶入 隧道，不断扰动隧道内气流。待模拟计算进行到一定时间，隧道内各点气流参数 的变化规律达到相对稳定状态时，即可通过数值模拟结果对交通风进行研究。 出于上述原因，建立隧道模型之后，需在隧道进出口处各自增加一定长度的 延长段，用于放置将要驶入或己经驶出隧道的车辆，对于隧道前后延长的两部分， 需将其除底面以外的边界设置为出口或入口，则可在不影响计算精度的前提下， 达到数值模拟的要求。 为保证隧道内气流达到相对稳定状态，本课题在隧道入口处的延长段内设置 1 8 辆车，若此1 8 辆车同样以5 0 m 间距及本身车长均匀布置，则需在隧道入口前 加入8 8 0 m 的延长段。另外各工况模拟全过程的结束时刻，隧道出口共驶出1 8 辆车，隧道内剩6 辆车，且其运行到与图3 - 5 相同的位置。若驶出隧道的1 8 辆 车同样以5 0 m 间距及本身车长均匀布置，则需在隧道出口外加入8 8 0 m 的延长段。 如此设置，计算区域将比隧道本身体积大6 倍，从而大量增加网格数量，严重影 响计算速度。 本课题动网格模型的设置中，车辆的运动由边界型函数控制，而编译边界型 函数可以分别控制车辆车头面与车尾面的启停时刻及运动速度。则可在初始时刻 将隧道入口外车辆的车身长度压缩到一定值，车间距也可压缩到较小的数值。当 各辆车开始运行时，可分别控制其车头面与车尾面的启动时间，在车辆驶入隧道 前，将各辆车调整到实际车长及车间距；同理驶出隧道的车辆，也可通过编译边 界型函数，在其驶出隧道后，压缩其车长与车间距( 车辆运动控制策略祥见本章 边界条件的设置) 。由于车长与车间距的压缩及拉伸位于隧道外一定距离，这种 控制方式并不影响隧道内气流。如此设置便可减小隧道出入口处延长段的长度， 减小计算区域体积，从而可在不影响计算需求及精度的前提下大大加快计算速度。 基于以上分析，本课题在隧道出入口处各加入1 5 m 的延长段，如前文所述， 初始时刻隧道入口处的延长段内设置1 8 辆车，每辆车的车长压缩为0 2 m ，相邻 车辆的车头车尾距离压缩为0 4 m ；计算全过程结束后，有1 8 辆车驶出隧道，停 止在隧道出口处的延长段，同样其车长压缩为0 2 m ，相邻车辆的车头车尾距离 压缩为0 4 m 。计算初始时刻与结束时刻隧道出入口处延长段内的车辆布置见图 3 - 6 与图3 7 。 通本身 图3 - 6 计算初始时刻隧道入口处延长段内车辆布置( 单位：m ) 隧遵入翻处的延长黢 隧道 图3 - 7 计算结束日, - i n 隧道出口处延长段内车辆布i t ( 单位：m ) 3 2 数学模型 3 2 1 控制方程 本课题采用f l u e n t 系列软件研究隧道内交通风在壁面形成压力的特性，属于 不可压缩流体的三维湍流流动问题。非稳态不可压流的控制方程为：质量守恒方 程与雷诺时均n a v i e r s t o k e s 方程，用标准k - e 双方程闭合上述微分方程组。 3 2 2 数值方法 通过对计算区域的网格划分，将计算区域离散化，