运用CFD模拟隧道内CO的浓度分布

莫小丽

摘 要：本研究采用CFD数值模拟技术研究在汽车尾气影响下隧道内部CO浓度分布，研究结果表明：（1）在长直型隧道中，CO浓度越靠近隧道中点位置浓度越高，越靠近隧道入口、出口端浓度越低。（2）隧道内CO浓度实际检测值与模拟结果十分契合，从而验证了该数值模拟方法的正确性和有效性。

关键词：隧道;CO浓度;模拟;CFD

在隧道中，汽车尾气中的一氧化碳容易在空间内部累积，达到一定浓度时会威胁人体健康，所以隧道在设计、改造、维修过程中有必要研究隧道结构对CO的浓度分布的影响。目前关于隧道内有害气体浓度分布的研究多集中在利用气体检测仪检测已建隧道各个位置的空气中有害气体成分的含量上，[1]采用数值模拟技术研究隧道结构对有害气体浓度分布的文献报道较少。实际上对于设计单位来说，在图纸绘制阶段预先了解隧道内部尺寸结构对有害气体浓度的影响非常重要，而此时可利用的手段只有数值模拟这一种，因此有必要开展隧道内有害气体成分浓度分布的数值模拟技术研究。

1 烟气物在大气中的扩散数学模型

汽车尾气在隧道内的扩散与污染物在大气中的扩散方式一致，可采用Gaussian 大气污染物扩散方程，考虑到排放位置贴近隧道路面，可认为尾气源在隧道路面，扩散方向是由路面向隧道顶部，Gaussian方程简化为：

C=2Qπuσzexp（-z22σ2Z）（1）

其中：C-烟气物的浓度，g/m3;

Q-烟气物源头释放速率，g/s;

u-风速，m/s;

σ-竖向扩散参数，m;

2 几何模型和网格划分

CFD分析第一步是绘制对象的几何结构，然后再将几何模型用网格划分成一个个的微元结构，本研究以广州花城大道CBD隧道为考察对象，网格划分后的几何模型见图1。

3 边界条件和初始条件

CFD计算前需先设定模型的的边界条件，如表1所示。

4 数值模拟结果与讨论

4.1 隧道内不同位置CO浓度分布

图1是隧道纵深方向截面上不同位置CO浓度分布，浓度采用体积分数表示。从图1可看出隧道纵深方向截面上越靠近隧道中点位置CO浓度越高，越靠近隧道入口、出口端CO浓度越低。隧道中点位置，CO浓度最高值达到1.12·10-5，隧道入口、出口端CO浓度约为8.36·10-6，图2也表明隧道内入口、出口端CO易扩散到外界大气，隧道中点位置CO容易累积，不易扩散，说明隧道中点位置处需要有通风系统，以加强同外界的空气交换。

图2 隧道内CO浓度

4.2 模擬结果的验证

本研究采用手持式气体检测仪在离隧道路面1.5米的垂直高度上检测隧道入口、隧道中点、隧道出口三个位置的CO浓度并与模拟结果相比较，如表1所示。从表3可看出隧道内CO浓度实测值与模拟值十分接近，说明模拟结果与实际情况相符，本数值模拟方法是正确、有效的。

5 结论

（1）本研究采用CFD数值模拟方法模拟了隧道内CO的浓度分布，模拟结果表明隧道内纵深方向截面上CO浓度越靠近隧道中点位置浓度越高，越靠近隧道入口、出口端浓度越低。

（2）采用气体检测仪检测隧道内CO浓度，并将检测结果与模拟结果相对比以检验模拟方法的正确性，结果表明模拟结果与实际检测值很接近，说明该数值模拟方法是正确、有效的。

参考文献：

[1]庞伟，付海陆，耿伟，等.天目山隧道通风与施工环境有害气体组分实时监测研究[J].现代隧道技术，56（1）：150-158.

[2]王人杰.空燃比对汽油发动机排放污染物的实验探究[J].内燃机与配件，2017（08）：15-20.

[3]程晓章，查小辉，陈康，等.DPF缸内次后喷再生效率和排放的试验研究[J].合肥工业大学学报（自然科学版），41（9）：1153-1157.