隧道内机动车尾气排放污染范围的数值模拟

卢银彬， 刘 宁， 张孙孝

(1.西安石油大学机械工程学院， 西安 710065； 2.长安大学工程设计研究院有限公司，西安 710064；3.长安大学建筑工程学院，西安 710061)

人们物质生活水平的不断提高让很多家庭购车需求日益强烈。截至2018年9月底，中国机动车保有量达3.22亿辆，驾驶员数量突破4亿。与其他国家相比，中国机动车保有量大，尾气排放集中于近地面和人口密集区域。另外，机动车拥堵造成尾气排放量的进一步增加[1-6]。尾气的大量排放是导致雾霾、光化学烟雾等恶劣天气频频发生的重要原因之一[7-11]。因此，明确机动车尾气排放特性，提出尾气的有效控制策略，降低污染范围已刻不容缓。

中外很多学者对机动车尾气进行了大量实地调研和分析研究[12-14]。穆怀中和范洪敏[15]基于箱式大气质量模型，测算出2012—2020年间沈阳市尾气排放的“红线”水平，指出欧Ⅲ、欧Ⅳ排放标准下的最优机动车保有量分别为60万、 99万辆。刘水长等[16]利用高分辨率遥感影像建立某城市核心区域几何模型，对城市汽车尾气扩散与城市空间结构的关联性进行研究。结果表明：在空间狭小区域，近地空间CO体积分数达10-7，城市空间结构对尾气扩散影响较大。此外，一些学者通过分析尾气排放模型，指出城市道路结构、管控手段是影响污染物扩散的重要因素[17-18]。另外，很多学者基于高斯扩散模型分析机动车尾气浓度分布特性和扩散特征[19-22]。近年来，数值模拟方法也逐渐成为研究机动车污染的又一重要手段。张金贵等[23]数值模拟隧道内机动车尾气扩散情况，结果表明：无通风情况下，机动车尾气主要分布在近地面，并在机动车后方形成一条对污染物扩散起关键性作用的高速风带。

综上所述，关于机动车尾气排放的研究多集中于城市空间结构、道路规划等参数对污染物扩散浓度影响规律的探讨，未涉及隧道内机动车尾气污染范围的分析研究。因此，亟需对机动车阻滞和正常行驶时排放尾气的污染影响范围展开深入研究。本研究以商业数值软件FLUENT为工具，模拟研究隧道内机动车阻滞和正常行驶时污染物影响范围情况，从而明确机动车尾气的污染范围和分布特性规律，为制定合理的机动车污染控制策略提供理论依据。

1 机动车速度和尾气排放情况

根据市场调研，并统计机动车参数，模拟采用的隧道和机动车尺寸如表1所示。

王嘉松等[24]对机动车尾气情况测试指出：柴油类出租车尾气怠速和正常行驶时尾气的排放速度分别为8.4、22.7 m/s。实际上，驾驶员操控机动车的习惯(如踩油门的轻重)也会对尾气排放速度产生影响，这里监测出的尾气排放速度为平均速度。根据统计调研发现，一般机动车尾气排放管直径为6 cm，高度约为30 cm。机动车排气管尺寸以及机动车不同行驶状态下的尾气排放情况如表2所示。

表1 隧道和机动车尺寸Table 1 Sizes of tunnel and vehicle

表2 机动车尾气参数Table 2 Parameters of exhaust gas of vehicles

由于隧道内尾气扩散效果是隧道内通风与机动车行驶交通风综合作用的结果，因此采用机动车与隧道内空气之间的相对速度描述速度与污染范围的内在联系。采用的相对速度分别为2、4、8、12、16、20、24 m/s。这里采用相对速度最高限值为24 m/s的原因如下：机动车在隧道内一般限速60 km/h(合计约16 m/s)，双向隧道内通风风速一般低于8 m/s[25]，得最大相对速度为16+8 m/s=24 m/s。

2 隧道内尾气排放物理模型

不考虑机动车本身细节特性(如轮胎、前挡风玻璃形状等)对尾气污染范围的影响，将机动车本身作为整体轮廓处理，模拟几何形状如图1所示。

图1 计算几何区域Fig.1 Geometric region

以CO代表机动车排放的尾气，模拟计算时，采用质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程以及湍流质量扩散方程。

(1)质量守恒方程，又称连续性方程：

(1)

式(1)中：ρ为流体密度，kg·m-3；t为时间，s；x,y,z为三个方向；u、v、w为三个方向的流体速度，m·s-1。

(2)动量守恒方程:

(2)

式(2)中：p为流体压力，Pa；μ为流体动力黏度，Pa·s；Si为三个方向的广义源项。

(3)能量守恒方程：

(3)

式(3)中：C为比热容，J·kg-1·K-1;T为温度，K；k为流体的传热系数，W·m-2·K-1；ST为流体黏性耗散项。

(4)湍流质量扩散方程

(4)

式(4)中：Di,m为混合物中i成分的质量扩散系数；μt为湍流黏度；Sct为施密特常数，取默认值0.7；Yi为i成分的质量比例；DT,i为热扩散系数。

3 结果分析与讨论

3.1 模拟有效性验证

为证明模拟结果的有效性，根据文献[24]中机动车尾气管几何尺寸以及相关排放数据，进行模拟对比，分析机动车在阻滞和正常行驶时污染物浓度情况，如图2所示。

图2 机动车尾气模拟排放浓度验证Fig.2 Comparison of numerical exhaust gas concentrationwith available data of literature[24]

对比结果显示，模拟结果与文献数据吻合良好，证明了本文模拟结果的准确性。

3.2 机动车尾气污染物的情况

图3 阻滞工况下轿车排放尾气污染浓度Fig.3 Exhaust gas concentration of cars in traffic jam

图3为阻滞工况时轿车在不同相对速度下尾气污染浓度情况云图。由于显示整个机动车辆后，尾气污染区域无法清晰显示，在此仅显示机动车辆局部位置(见图3左下角白色区域)。从图3可以看出，轿车尾气污染范围随着机动车和空气之间相对速度的增大而减小，且呈现轻微上扬趋势；当相对速度v>8 m/s时，相对速度对污染物扩散范围的影响不大。

图4 正常行驶工况下轿车排放尾气污染浓度Fig.4 Exhaust gas concentration of cars in normal traffic state

图4为轿车正常行驶时不同相对速度下尾气污染情况云图。与阻滞工况下污染规律一样，轿车尾气污染范围随着相对速度的增大而减小，当相对速度v>12 m/s时，相对速度对污染物扩散范围的影响不大。

从图3和图4分析可知，对于一定行驶状态下的机动车，通风流速并非越大空气质量越好。当相对速度达到一定值后，污染物影响范围几乎不变。因此，无限制地提高通风风速，不仅带来高电能的消耗问题，而且产生很大噪声，大幅降低机动车内乘坐人员的舒适度。

3.2.1 尾气横向污染范围

图5 机动车行驶时横向污染情况Fig.5 Longitudinal pollution of vehicles running

为明确机动车行驶时尾气污染范围情况，模拟研究了尾气在机动车行驶方向(横向)以及垂直于机动车行驶方向(纵向)的污染范围。图5为机动车行驶时横向污染情况。可以看出，当机动车处于阻滞或者正常行驶状态时，机动车类型对横向污染范围影响甚微。机动车与空气之间的相对速度对尾气横向污染范围影响很大，并随着相对速度的增加而减少。对于机动车处于阻滞工况时，当空气与机动车之间的相对速度达到近8 m/s时，污染范围很小；但是处于正常行驶状态的机动车，其污染范围较阻滞情况大，需要更大的相对速度(约12 m/s)，污染范围才能缩小。对正常行驶的机动车，其污染较阻滞状态下的机动车污染范围广，这是因为正常行驶的机动车较阻滞的机动车需要更大的动力支撑，因此需要消耗更多的燃油，而随之带来的尾气在单位时间内排放速率的增加。但是值得注意的是，这不意味着阻滞下的机动车对空气污染小，因为阻滞下机动车行驶某路段时间较长，产生的污染物总量提高，若不及时通风，可能会造成严重后果。

为了进一步明确相对速度与横向污染范围的联系，基于模拟仿真结果，有当机动车处于阻滞工况时，尾气横向污染范围与相对速度之间的关系如图6所示。

图6 机动车处于阻滞状态时横向污染情况Fig.6 Longitudinal pollution of vehicles in traffic jam

(5)

当机动车正常行驶时，尾气横向污染范围与相对速度符合式(6)关系，如图7所示。

图7 机动车正常行驶时横向污染情况Fig.7 Longitudinal pollution of vehicles in normal traffic state

(6)

对比分析式(5)和式(6)可知，尾气横向污染范围符合：

(7)

式(7)中：a的具体数值与机动车行驶状态相关：当机动车处于阻滞状态时，取a=2.7；当机动车处于正常行驶状态时，取a=12.5。

3.2.2 尾气纵向污染范围

图8 机动车处于阻滞状态时纵向污染情况Fig.8 Vertical pollution of vehicles in traffic jam

图8为机动车处于阻滞状态时纵向污染情况，可以看出，在污染纵向最低处，其数值随着相对速度的增加而增加，并且增加速率逐渐降低。在污染纵向最高处，其数值随着相对速度的增加呈现先略微增大然后逐渐降低的趋势，降低速率随着车型尺寸的降低而提高，即轿车降低幅度最大，小货车次之，卡车最小。尾气纵向上的污染整体范围呈现出整体下降的趋势。当相对速度处于0～5 m/s时，纵向污染范围存在最大值，通风设计时需要考虑相对速度处于该范围带来的不利影响。

图9为机动车正常行驶时纵向污染情况。从图9中可以看出，污染纵向最低处，其数值随着相对速度的增加而增加，并且增加速率逐渐减小。这是由于相对速度增加时，尾气受到尾气管周围空气压力的影响。在在污染纵向最高处，其数值随着相对速度的增加呈现先略微增大然后逐渐降低的趋势。尾气纵向上的污染范围呈现出随相对速度的提高而下降的趋势，与阻滞情况相同，当相对速度处于0～5 m/s时，纵向污染范围存在最大值。

图9 机动车正常行驶时纵向污染情况Fig.9 Vertical pollution of vehicles in normal traffic state

4 结论

考虑实际机动车尾气排放管道的尺寸和高度，采用商业数值软件FLUENT模拟研究机动车在阻滞和正常行驶状态下尾气排放污染范围情况，获得以下主要结论：

(1)相对速度的增加可以有效控制污染范围，但无限制增加通风风速并不能大幅提高空气质量，反而会带来高能耗、噪声等问题，当机动车处于阻滞工况，相对速度v>8 m/s时，污染物扩散范围受相对速度影响可以忽略不计；当机动车正常行驶，相对速度v>12 m/s时，污染物扩散范围受相对速度影响可以忽略。

(2)尾气横向污染范围与机动车尺寸类型关系甚微，并且随着相对速度的增加而减小；正常行驶中的机动车横向污染范围较阻滞下的机动车的大，但这种差距随着相对速度的增大而缩小，两者横向污染范围均符合x=a/v1.5+0.1的规律，参数a具体数值与机动车行驶状态相关：当机动车处于阻滞状态时，取a=2.7；当机动车处于正常行驶状态时，取a=12.5。

(3)尾气纵向污染区域主要表现在三个方面：①污染纵向最低值随着相对速度的增加，但增加幅度逐渐缩小；②污染纵向最高值随着相对速度的增加而先出现波峰，随后逐渐下降，而这种下降幅度与车型有关，轿车最大，小货车次之，卡车最小；③污染纵向范围整体呈现随着相对速度的增加而下降的趋势，但是在相对速度处于0～5 m/s时，纵向污染范围存在最大值，对隧道通风设计时需要考虑相对速度处于该范围的不利影响。