自然通风下高海拔隧道关键高度断面污染物浓度预测模型研究

□刘小波 付 伟 李 辉 陈 瑞 明华军

自然通风下高海拔隧道关键高度断面污染物浓度预测模型研究

□刘小波 付 伟 李 辉 陈 瑞 明华军

随着水电开发西移，越来越多高海拔隧道为水利水电工程服务，自然通风在高海拔隧道中价值更大，依据关键因素对关键高程断面污染物浓度影响，建立预测模型,并进行对比分析，证明了模型有效性，可用于高海拔隧道通风设计。

自然通风；高海拔隧道；关键高度断面；模型预测

受国内水电工程开发程度，以及南水北调工程规划需求影响，越来越多水利水电工程建设于西南高原地区。西南地区特殊的地形地貌使得越来越多的高海拔隧道不同涌现。隧道是一个相对密闭的空间，公路隧道内空气污染物主要来自过往车辆尾气产生的CO，如果通风效果不好，很容易引发安全事故。同时，这些专用隧道在水利水电工程建设过程中，以及完工后，车流量均不大。在隧道内安装机械通风设备对工程前期成本和后期运营成本要求均较大，故希望尽可能采取自然通风方式。而隧道内1.5m高度断面决定了司乘人员安全。

笔者前期的研究成果表明，交通量、隧道长度、汽车尾气排放量对公路隧道污染物扩散影响较大。因此，本文借用流体力学软件FLUENT，仅主要从上述影响因素出发，进行自然通风下高海拔公路单向隧道污染物扩散分析，以建立自然通风下高海拔公路单向隧道，距底板1.5m高程断面最大CO浓度的预测模型。

1.计算模型

模拟隧道为单洞单向行驶、150m长度隧道，车辆以54km/h时速，匀速、等间距运行。自然风速与行车方向相同，汽车均靠右行驶。隧道运行时间为设计交通量下行车时间。建立隧道计算模型断面为城门洞型。隧道宽10m，高7m，由直径为10m的半圆形和高为2m的矩形组成。将汽车简化为宽度2m；驾驶室高1.5m、长2m；车前盖高1m、长1.5m；车后备箱盖高1m、长1m。汽车尾气管处于车后右下方，大小 0.5m× 0.5m。

边界条件设置为：汽车尾气管设定为质量流量入口边界；隧道进口设定为速度进口边界；隧道出口设定为压强为当地大气压的压力出口边界。

根据《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第五阶段）》（GB18352.5 -2013）要求，采用基础汽车尾气排放量为CO摩尔质量为4.8ppm。

表1 不同交通量、不同隧道运行时刻关键高程断面最大CO浓度

表2 不同交通量、不同长度隧道运行时刻关键高程断面最大CO浓度

2.模拟结果与分析

2.1 交通量影响下的预测模型

表1为不同交通量下，不同隧道运行时刻，关键高程断面最大CO浓度值。

图1 不同进口风速下关键高程断面最大CO浓度随隧道运行时间演化图

参考相对较高交通量时，关键高程断面的最大CO浓度随交通量密度和隧道运行时间的关系，建立如下关系式：

其中，Q为交通量为360辆车/小时N倍时，隧道运行t秒后，关键高程断面最大CO浓度，单位为ppm。

2.2 隧道长度影响下的预测模型

表2为不同交通量、不同长度隧道运行时刻，关键高程断面最大CO浓度值。分析建立关键高程断面在不同时刻最大CO浓度增量的关系式，如下所示：

其中，△Q为交通量为360辆车/小时N倍，在隧道长度为L时，隧道运行t秒后，关键高程断面最大CO浓度值，相对标准隧道的差值，单位为ppm。

2.3 预测模型验证

图1为隧道长度450m、设计小时交通量2160辆车、进口风速为1.0m/s时，关键高程断面最大CO浓度随时间演化过程的计算实际值与上述浓度预测模型值。由图可见，从长期角度，该模型应当能较好地模拟关键高程断面的最大污染物浓度。

3.结论

从自然通风下高海拔隧道关键高度断面最大污染物浓度预测入手，通过分析特征影响因素对该断面最大污染物浓度的影响规律，使用理论结合数值拟合的方式，建立了相应的预测模型。通过对比分析，证明从长期角度，该模型应当能较好地模拟关键高程断面的最大污染物浓度，能够作为高海拔隧道通风设计的依据参考。□

2016-11-12

刘小波，男，汉族，河北省水利水电第二勘测设计研究院，工程师。

付 伟，男，汉族，中交第二公路勘察设计研究院有限公司，高级工程师。

李 辉，女，汉族，三峡大学土木与建筑学院，在读硕士研究生。

陈 瑞，女，汉族，三峡大学水利与环境学院，在读硕士研究生。

明华军，男，汉族，三峡大学水利与环境学院，讲师。