隧道及其上方城市环境污染物传播规律数值模拟研究*

李嘉齐 明廷臻 吴永佳 文远高

(武汉理工大学土木工程与建筑学院 武汉 430070)

0 引言

随着城市的发展，城市中心交通用地越发紧张,伴随而来的城市立体交通系统的建设越发受到重视。城市隧道以其造价相对低廉、可有效降低噪音污染、缓解地面拥堵以及可集中排放处理隧道内污染物等优势，已成为当今城市立体交通系统不可或缺的组成部分。

如今许多城市隧道采取上方开口方式，以缓解污染问题，并且开口贯通处常处于城市中心区域。因此对于城市隧道，不仅需考虑其隧道内部污染，而且更需关注开口贯通处对其上方城市环境的污染影响。

目前针对城市中心区环境污染传播的研究，多集中于建筑体屋顶几何形状[1-2]、污染组成[3]、建筑体高度[4-5]、环境风速[6]、隧道内部[7]等单一方面，而对具有复杂立体结构的城市环境的相关研究尚处于起步阶段。为此本文针对武汉市中心区的实际结构，构建了一个三维立体城市环境模型。运用CFD软件，探究了该系统流场及污染物的传播规律，以期提升城市环境质量。

1 物理数学模型

1.1 物理模型

本研究以武汉市二环某S形地下隧道开口贯通处上方建筑环境为研究对象，参照各实际工程设计尺寸，采用ICEM软件建立了全尺寸三维几何模型，如图1所示。

图1 物理模型

上方丁字形机动车道宽度为15 m，上方建筑环境主要分布于南开口贯通处上方西南(SW)、西北(NW)、东南(SE)3个区域，并将建筑体进行相应命名，如图2所示。其中SW4建筑体高度为10 m，其余建筑体高度均为20 m。图2同时指出研究中的目标线L1与L2，分别距SW1—SW4建筑体东、西侧2 m，距地面高度2 m。

图2 地面上方建筑环境

下方S形隧道全长1 270 m，包括150 m开口贯通段和1 120 m暗埋段。从隧道北进口进入后依次为暗埋段(300 m)、北开口贯通段(100 m)、暗埋段(625 m)、南开口贯通段(50 m)、暗埋段(195 m)组成。其中开口贯通段顶部与地面等高。下方S形隧道内净空尺寸9.65 m×6.0 m。同时，下方S形隧道内部还采用射流风机进行辅助通风设计，射流风机流量11 m3/s。射流风机分7组布置，每组2台，总共14台，风机悬挂于隧道顶部。

1.2 数学模型

为模拟污染物传播规律，依据实际的流体流动特性作如下假定：①流体为不可压缩流体；②计算域中空气其物性不发生改变；③计算域中流体流动为湍流且充分发展。

相应满足条件的连续性方程、动量方程、能量方程如下：

(1)

(2)

(3)

本研究选用RNGk-ε模型求解[8]，湍动能方程k以及湍流耗散率方程ε分别表示为：

(4)

(5)

式中，Gk为平均速度梯度产生的湍动能；αk、αε为与湍动能k及湍流耗散率ε相对应的Prandtl数有关常量，取值如下：αk=1.0，αε=1.3；C1ε、C2ε为湍流常数，取值如下：C1ε=1.42，C2ε=1.68；μeff为有效运动粘度。

本文数值计算在通用CFD商用软件Ansys Fluent中进行，压力与速度的耦合采用SIMPLE算法，压力插值采用Standard算法，梯度插值运用格林-高斯节点方式。

1.3 边界条件

计算区域边界根据模拟案例不同分为以下几种情况：

当环境风为正东风时，边界条件设定地面上方矩形计算域：东侧竖直平面为速度入口；北、南侧竖直平面以及顶面为对称面；西侧竖直平面为压力出口，压力值设置为表压0 Pa。当环境风为正北风时，同理进行相应设置，不再赘述。

当环境风北偏东30°、45°、60°这3种斜风情况下，地面上方矩形计算域：北、东侧竖直平面为速度入口并根据具体案例设定环境风与速度入口面的角度；南、西侧竖直平面为压力出口；顶面为对称面。其余边界条件设定与正东风时对应相同。

上述各计算案例中下方隧道北端进口为速度入口，南端出口为压力出口，压力值设置为表压0 Pa，隧道内部射流风机设定为fan边界条件，风量为11 m3/s。模型中上方建筑体及隧道固体壁面均为无滑移壁面。

整体模型中污染源分别设定在上方丁字形机动车道以及下方S形隧道机动车道上。选用CO作为本研究污染物标记物，并且释放源设置为体污染源，其强度设定为4×10-6kg/(m3·s)[9]。

2 结果与分析

2.1 模型验证

本研究模型整体计算域采用结构六面体网格进行划分。为保证计算准确性及计算精度，对模型网格无关性进行了验证。模型共分析了网格数量分别为9 542 903、11 410 349、13 564 752的3组网格系统。模拟结果表明上述3组网格系统中，同截面上其平均风速相差不超过3.5%，因此认为模型网格可以保证独立性以及网格质量。为节约计算资源及成本，本研究选定网格数为11 410 349的网格系统作为分析依据。

2.2 整体计算域流场及污染物分布特性

本节主要研究整体计算域流场以及污染物的传播规律。在恒定环境风速(下文简称ACW)2 m/s且北偏东(下文简称NbE)45°情况下，针对地上建筑环境、下方S型隧道、开口贯通处等区域流场及污染物分布规律进行分析。图3为上述情况下整体计算域流线图，由图3可知开口贯通处对整体计算域流场影响显著。

图3 计算域流线图

2.2.1 地面上方建筑环境

为了分析地面上方建筑环境受到的污染影响，提取上方计算域2 m高度处CO浓度分布图，如图4所示。由图4可知，南开口贯通处将使下方S形隧道中大量污染物分流至上方建筑环境，且开口贯通处中心污染浓度较丁字形机动车道中心污染浓度更高，约为2倍。并由图4可知在NbE=45°情况下，南开口贯通处分流出的污染在上方流场耦合作用下主要对西南区建筑群产生较大影响。而上方丁字形机动车道其排放污染主要影响区域为西北区C形建筑体。结合图3流线图可知西北区C形建筑体受影响区域主要为西南部。

图4 地面上方建筑环境CO分布场

2.2.2 隧道与建筑环境贯通处

由上文可知开口贯通处对上下计算域流场及污染物传播规律具有重要影响，尤其是位于众建筑环境中心的南开口贯通处。为更深刻分析其对上下计算域流场影响，提取南开口贯通处断面流线图，如图5所示。

图5 南开口贯通处断面流线图

由图5可知，S形隧道中部分流场将在南开口贯通处分流至地上建筑环境，且下方隧道流场分流至地面上方后，因受上方原先环境流场影响将向西南区建筑群扩散，而该流场在西南区建筑群东侧将受到阻碍，并在近地面处会形成旋涡，这一规律与MING T等[10]的相应结论相印证。

2.2.3 下方S形隧道内部

为分析下方S形隧道内部环境及其安全影响，提取下方S形隧道断面速度云图以及下方S形隧道断面CO浓度分布图，如图6、图7所示。

由图6、图7可知，在北开口段污染程度受分流影响发生明显下降，且污染浓度在后续一定时间内保持较低水平。同时可知隧道内射流风机对S形隧道流场影响显著,其射流影响段明确，并且S形隧道内污染将在南开口处北部达到峰值，随后经南开口段后污染浓度降低至先前最高处的40%。由此可看出开口贯通处的设计对提升下方S形隧道内部环境质量及安全具有一定作用。

图6 下方S形隧道速度分布图

图7 下方S形隧道CO分布场

2.3 风向对流场及污染物分布的影响

针对风向本节主要考虑正北风、NbE=30°、NbE=45°、NbE=60°、正东风上述5种情况。案例采用恒定环境风速ACW=2 m/s，针对建筑环境、开口贯通处等区域进行分析。因环境风向的改变将对模型各区域流场造成改变及影响，进而该区域污染分布也将受到影响[11]，因此探究风向的变化对研究污染物传播规律具有重要意义。

提取上述各风向时上方计算域2 m高度处CO浓度分布图，如图8所示。案例依次(a)为正北风、(b)为NbE=30°、(c)为NbE=60°、(d)为正东风情况，并结合上文中图4(NbE=45°情况)进行分析可知：在正北风情况下开口处上方中心浓度较丁字形机动车道中心浓度更高，但开口处分流污染仅对西南区建筑东侧有较小程度影响；而此时丁字形机动车道的污染对西南区建筑群及西北区C形建筑产生主要影响。

(a)正北风

随着北偏东风向角度的增大，建筑环境受污染影响区域及程度各不相同。首先当NbE=30°时，南开口处分流污染将对西南区SW4建筑体周围产生明显影响；当NbE增至45°时，扩大至SW3、SW4为重点受影响建筑体；随NbE增至60°时，分流污染影响范围进一步扩大，且进一步向北移动，主要覆盖SW2、SW3、SW4几栋建筑体。并且随NbE角度由30°增至60°过程中，丁字形机动车道污染对西南区建筑群及西北区C形建筑的影响范围亦有一定程度增加。

在NbE=60°时污染物传播规律还有一明显特性，此时开口处分流出的污染对西南区建筑群的渗透性更强，尤其SW2、SW32栋建筑体西侧受影响最为明显。因此对污染的渗透影响也应有所关注及重视。

正东风情况时，开口处分流出的污染对西南区建筑群影响程度较NbE=60°时有所缓解，主要为SW1、SW22栋建筑体受污染影响，且此时丁字形机动车道污染影响也明显减弱，唯独其北段污染会对西北区C形建筑有一定影响。

为更进一步探究建筑环境受污染的渗透影响程度，通过数据整理得出西南区建筑群西侧L2线各风向案例下平均CO浓度，如图9所示。由图9可知，污染渗透程度将在NbE=60°时达最大值，约为最低值NbE=30°时的3.5倍。综上可知，在NbE=60°时西南区建筑环境将受到最大程度的渗透以及污染影响。

图9 各风向情况下L2线CO平均浓度

2.4 风速对流场及污染物分布的影响

除了上文对风向分析之外，风速同样是影响环境流场及污染传播规律的重要因素之一[12]。

本节主要针对ACW=1 m/s、ACW=1.5 m/s、ACW=2 m/s、ACW=2.5 m/s、ACW=3 m/s上述5种情况进行研究。通过上文研究结论可知：NbE=60°时西南区建筑环境受污染影响范围及程度最大。因此本节选取NbE=60°情况进行分析。

通过数据整理得L1线各风速情况下CO浓度变化曲线以及速度分布曲线，如图10、图11所示。通过图10可知：随着环境风速增加，各处污染程度均呈下降趋势，并可发现风速由ACW=1 m/s增至ACW=1.5 m/s乃至ACW=2 m/s时候降幅最为明显；但当风速增至ACW=2.5 m/s及ACW=3 m/s时，污染浓度降幅有所减小，且L1线南半段较北半段其污染受风速影响的敏感性更高，这主要是由于南半段建筑布局湍流强度较高所致。

图10 各风速情况下L1线上CO分布

通过图11可知，速度分布曲线在L1线北半段呈现3处凹口，分别对应为SW1、SW2、SW3、SW4几栋建筑体间的间隔。因流场在上述几处间隔通道产生分流效应，致使北半段平均风速及整体湍流强度降低，最终北半段污染受风速影响敏感性相对较弱。

图11 各风速情况下L1线上速度分布

2.5 研究展望

本文主要研究了该城市中心区立体环境的污染传播规律，以期为城市规划和空气质量预测及污染控制手段等方面提供参考。

值得指出，除上述研究点外，例如建筑环境中各位置受太阳辐射导致局部受热不均匀[13-14]也将对空气流场及污染传播规律产生影响，另外建筑环境中的植被绿化带[15]对污染传播规律的影响同样值得探索。对于上述各项影响因素将会在后续工作中予以考虑。

3 结论

(1)本文研究的立体城市环境中，开口贯通处对整体环境的流场及污染传播规律影响显著。开口处使下方S形隧道产生分流效应，其对提升下方S形隧道内环境质量及安全系数具有一定作用。尤其经南开口处后污染浓度约为先前浓度最高处的40%，但开口贯通处上方的建筑环境则因此污染明显加重，甚至部分建筑环境受到开口分流污染与上方丁字型机动车道污染的耦合影响，本文中西南区建筑环境受影响较为严重。为此可考虑于开口处周围增设隔离墙及增加植被绿化带等措施以控制污染影响，同时对于污染下风向首排建筑体应保证其建筑高度以减少污染物翻越对下游街区产生的影响。

(2)本文研究的建筑环境中，受污染影响的区域及程度与风向的改变具有明显相关性。NbE=60°时西南区建筑环境将受到最大程度的渗透及污染影响，此时渗透影响程度约为最低值NbE=30°时的3.5倍。由此可通过控制污染下风向首排建筑体的建筑组合以及建筑连续性长度等方法予以优化。

(3)随着风速增加，建筑环境整体污染呈下降趋势。风速由ACW=1 m/s增至ACW=1.5 m/s乃至ACW=2 m/s时污染降幅最为明显；但当风速增至ACW=2.5 m/s及以上时，污染降幅有所减小，且西南区建筑群南半段较北半段受风速影响的敏感性更高。因此对于污染浓度较高及污染堆积的建筑环境区域，可考虑增设通风廊道及优化建筑间距。