台州祥和隧道交通风数值模拟研究

张文俊

（台州元合建设发展有限公司，浙江 台州 710061）

目前，隧道通风运营中多采用纵向机械通风的方式，耗电量巨大，给隧道运营带来了沉重的经济负担。由于汽车行车速度的加快和行车密度的增加，交通风的利用日趋成熟。但是，在现有的机械通风中，交通风由于与交通流量密切相关，未能充分利用，造成了大量自然能源的浪费。现有的研究对于交通风量化规律性结论较少；且仅针对速度进行了分析，但仅通过车辆运动产生交通风速度的大小来判断等效交通风是不完整的。

1 依托工程

依托工程祥和隧道为双洞分离式长隧道，长度为1792m/1654m，地形坡度约5-60°，山体植被较发育，隧址区地面最高点高程约为482m，属越岭隧道。祥和隧道设计车速100km/h，全程采用射流风机纵向通风。

2 理论分析

在隧道中运行的车辆，由于具有一定的运动速度和相应的车体断面，将能量传递给隧道的空气，造成了隧道内部的空气流动。这种由车辆运动所引起的隧道气流运动俗称为“活塞风”，由“活塞风”产生的风压成为交通通风力。根据能量守恒定律，在单向交通的情况下，车辆运动与隧道空气之间满足：

对于任一有限长度的隧道而言，车辆运动产生的气流运动交通风力即

其中：ΔPt交通风力的风压（压差） （N·m-2）；Am为车辆迎风面积（m2/辆）；Ar为隧道断面积（m2）；Vt为车体运动速度（m·s-2）；Vr为隧道内空气流速（m·s-2）；n为同向运动的车辆数量（辆）；ρ 为空气密度（kg·m-2）。

当外界没有为隧道提供任何空气流动的其它动力，且假定并无其它外界因素干预时，在这个有限长度内，隧道空气流动可以达到的实际风速Vr，则需要满足车辆运动产生的风压与实际存在的所有隧道局部阻力ΔPz和沿程摩擦阻力ΔPm的自然平衡。即：

其中：ΔPz为隧道局部阻力（N·m-2）；ΔPm为隧道沿程摩擦阻力（N·m-2）。

可以认为，初始状态时，Vr=0。ΔPt为最大值，为隧道空气流动提供所需的压力。

终状态时，Vt＞Vr，且Vr=Vmax。隧道内空气流速达到了可以达到的最大值。车辆运动产生的风压，为气流运动克服了必然存在的隧道沿程摩擦阻力ΔPm和局部阻力ΔPz，并使原来静止的空气达到并保持一定的流速。此时的车辆运动，已不能为隧道气流运动继续提供更多的风压。

3 方法

由《公路隧道通风设计细则JTG/T D70/2-02—2014》可知，车型和车速是影响隧道交通风的主要因素，以车型和车速为标准划分工况。对每种工况进行数值模拟，得出交通风风速和风压数据。

3.1 车型工况划分

根据车身在尺寸、形状上的差异，将车辆分为大型车、中型车、小型车。大型车为51 座旅游大巴，尺寸为10.5m×2.4m×2.8m；中巴车以20 座考斯特，尺寸为7m×2m×2.2m；小轿车为5-7 座客车，尺寸为4.5m×1.5m×1.6m。以此作为划分标准，以车型为依据将祥和隧道车划分为三类。

3.2 车速工况划分

由公路隧道通风设计细则中提供的公式推导可知，速度也是影响交通风的重要因素。考虑高峰时段与非高峰时段，将速度分为36km/h、54km/h、72km/h、90km/h 四种工况。结合车型划分，每种车型各有4 种速度工况，总共有12 种交通工况。

3.3 数值模拟

建立了长1000×11×5m 的矩形隧道模型，汽车初始位置在离隧道入口处，目的在于研究不同行车速度和不同行车间距对隧道内交通风速的影响。隧道入口定义为压力入口，其大小为自然情况下的实际压力数值，隧道出口定义为压力出口，隧道壁面和地面均为无滑移壁面边界条件。同时，为了模拟真实的隧道环境，材料定义为混凝土，表面粗糙度设置为0.33。汽车表面定义为移动的边界条件，材料为铝，模型内部为全部计算域同时建立了三种汽车模型。

4 结果与分析

速度和压力可以定量的描述气流的运动情况。在隧道交通风的描述中，通过数值模拟分析车辆运动带动交通风的速度、压力和湍流动能，可以将交通风蕴含的能量以及在隧道内的作用效果直观展示出来，进一步可以分析隧道交通风对于机械通风的补偿效率。同时，数值模拟的结果有助于总结归纳交通风的数学描述。

4.1 交通风速度云图结果分析

通过后处理软件采集在不同车速下隧道内的交通风大小，以小车为例，结果如图1 所示。从图中可以看出，随着车速的增加，隧道内断面平均风速明显增大。当汽车速度从10m/s 提高至100m/s 时，隧道内汽车产生的交通风大小增大了约2.5 倍，车速的提高将对隧道通风产生非常有利的效果。

图1 小车车速与隧道内平均交通风速的关系

.图2 中型车车速在90km/h 时的交通风速度横向截面矢量图

图3 中型车车速在90km/h 时的交通风速度纵向截面矢量图

以工况2 为例，在空气流动的云图中加入速度矢量可以看出在车辆运动轨迹途中的矢量方向与行车方向相同，如图2、图3 所示。工况1 中车辆周围风速均值在6m/s，越靠近车尾速度越快，只有在车辆周边时速度方向才出现与车辆运动方向相反，但经过叠加计算，整个隧道内的平均交通风速为4.1m/s，方向与车辆运行方向一致。

4.2 隧道交通风压力作用结果分析

在隧道中取一个竖直截面为测量断面，测量车辆经过时断面上的压力。图4 为各车型车速车速在90km/h 时的交通风压力云图，可以看出，无论隧道内车型如何，汽车经过测量断面前后，断面压力的变化规律是一致的。隧道测量断面平均压力变化过程中表现为,当汽车车头经过测量断面时，断面出现小幅升高，再降至最低的压力值；当车身经过测量断面时，断面压力逐渐升高，升高约150pa-400pa；车尾经过时，断面压力出现一个明显的降低降低约100-300pa，之后迅速恢复。

图4 断面平均压力变化趋势图

5 结语

本文使用计算流体力学对隧道内交通风进行了数值模拟，得出了车速车型和交通风风速和压力的一些关系。1）隧道内风速随车速的增加而增加，不同车型增长竖直不同。以小车为例车速从10m/s 增加到100m/s，隧道内风速从2m/s增加到5.3m/s，增长约2.5 倍。2） 无论隧道内车型如何、车速如何，汽车经过测量断面前后,断面压力的变化规律是一致的，都表现为断面压力出现小幅升高，再降至最低的压力值，之后逐渐恢复初始压力值。