城市道路隧道内吊顶式净化通风系统纵向布置方案优化研究*

王蓓蕾，徐志胜，孔 杰，郑思宇

(1.中建一局集团建设发展有限公司，北京 100102；2.中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075；3.中国计量大学 质量与安全工程学院，浙江 杭州 310018；4.中建二局华东分公司，江苏 南京 210044)

0 引言

隧道可有效缓解交通运输压力,但隧道空气中的污染物也带来一系列问题[1],一方面影响隧道内环境，对驾乘人员健康造成危害，影响行车安全视距等;另一方面，影响隧道周围大气环境，因此，需要对隧道空气污染进行治理[2]。隧道空气中污染物主要来自汽车尾气排放[3],其中颗粒污染物包括粉尘、碳粒、重金属等，有害气体成分包括CO、NOx、SO2、HC等[4]。目前，主要采取纵向通风与净化通风系统结合的措施进行治理，安装方式主要包括旁通式、吊顶式和竖井式3种[5]。旁通式和吊顶式通过将隧道空气引入空气净化站，经过过滤净化处理排回隧道中；竖井式直接将处理后的空气排放至大气中。早在20世纪70年代，日本和挪威就已经出现关于隧道空气净化的研究[6]；1979年日本的Taruga公路隧道成为世界第1条成功配备静电除尘器的隧道，并在多个国家得到广泛应用[7]；日本是公路隧道内安装ESP系统最早、最多的国家，其中8 000条公路隧道中有40条安装ESP系统[8]。截至2010年，世界配备空气净化系统的隧道达60多条[9]。

目前，我国关于公路隧道污染物治理方面的研究仍处于起步阶段。20世纪80年代初期，离子体化学处理脱硫脱硝技术作为1种新的空气污染控制技术逐渐发展，80年代后期，中国部分学者对脉冲电晕脱硫脱硝以及脱除CO进行研究，为后期静电除尘系统研究奠定基础[10]。近年来，学者对静电除尘技术在公路隧道净化空气方面开展研究：文献[11-14]通过对比分析国内纵向通风与国外静电除尘技术在处理隧道内污染物效果及能耗情况，得出静电除尘技术可除去隧道污染物中的颗粒物，减少隧道对周边环境的影响，改善空气质量，并认为静电除尘系统在我国以后污染物治理道路上有很大的应用前景。

我国针对吊顶式隧道设置净化除尘系统的研究以净化除尘设备的原理与组成、净化除尘系统安装方式优缺点以及净化除尘系统效率提高方式为主，关于在隧道内布置净化除尘系统方案的研究尚有不足。因此，本文通过数值模拟和理论分析相结合，研究吊顶式净化通风系统的设置位置、净化范围以及纵向间距，优化其纵向布置方案，研究结果可为城市隧道污染物处理方案优化提供理论基础。

1 数值模型建立

1.1 隧道污染物扩散理论

各类污染物受隧道内气流、车辆运行速度等因素影响会发生运移。污染物运移即污染物在隧道内的扩散运动或衰减转化，主要依靠对流扩散和紊流扩散2种运移形式[15]。隧道内污染物扩散方程如式(1)所示：

(1)

式中：c为污染物浓度，kg/m3；D为扩散系数，m2/s；vj为气流在j方向的速度分量，m/s；qc为污染物产生率，kg/(m3·s)；t为污染物扩散时间，s。

在长公路隧道中，隧道纵向长度较长，可以忽略气流在y、z方向的影响，认为气流在隧道内只沿x方向上做1维扩散，假设气流为不可压缩状态，则隧道内污染物扩散方程如式(2)所示：

(2)

式中：vr为隧道内气流速度，m/s；q为车辆引起的污染物产生率，kg/(m3·s)；qs为风机引起的污染物转移率，kg/(m3·s)。

风机相对于长隧道占比较小，对整体隧道内污染物的运移影响较小，认为qs=0，因此式(2)可简化为式(3)：

(3)

其中，第1项为非稳态项，第2项为扩散项，第3项为对流项，第4项为源项。

在公路隧道内进行污染物模拟时，一般利用稳态扩散模型进行研究。稳态扩散模型指隧道内污染物的浓度与时间没有关系，如式(4)所示：

(4)

故式(3)可转化为式(5)：

(5)

当隧道内有很多车辆时，由于活塞风的作用，会使隧道内气流增大，气流引起的污染物扩散要远远小于污染物运移，如式(6)所示：

(6)

此时可以将扩散项忽略，式(5)简化为式(7)：

(7)

式中：c0是隧道入口处污染物初始浓度，kg/m3。由式(7)可知，污染物在长隧道内基本上呈线性分布，随着距隧道入口距离增大，无污染物的浓度逐渐增大，并在隧道出口处达到最大值。

1.2 模型假设与建立

1)模型假设

隧道内空气流动非常复杂，在进行空气流动基本规律研究和污染物浓度分布方程建立时，做部分假设[16-20]：假设隧道内气流为不可压缩定常湍流流动；流体按照连续介质处理，遵守连续性定律；在进行隧道内污染物分布研究时，为简化模型，将车辆缩小为1 m×1 m×1 m的立方体，将排放口扩大为1 m×1 m的污染物释放面；因为污染物成份是标量，各个物质的组成成份分布形态相似，所以本文以CO的浓度分布代表隧道内整体污染物的扩散分布；汽车尾气排放速度为0.36 m/s，CO质量分数为0.000 5；隧道内风速以及排放口尾气排放速度均视为均匀风速。

2)模型建立

基于上述模型假设，通过建立物理模型与数值模拟，对隧道内的流场分布及CO浓度分布进行分析。带有吊顶式净化通风系统的直线隧道模型如图1所示。通过分析确定吊顶式净化通风系统的设置位置及净化范围，隧道内断面尺寸均为9.7 m×6.2 m，隧道内布置2列污染物释放源，释放源首尾间距为10 m，横向中心距为4 m，其中吊顶式隧道夹角取20°，长度50 m，高度4.0 m，吊顶式净化通风系统距离隧道入口1 400 m。吊顶式净化通风系统纵向布置间距修正模型如图2所示，其中布置间距取2种工况进行研究，分别为E1(布置间距取300 m)和E2(布置间距取330 m)。

图1 带有吊顶式净化通风系统的直线隧道模型示意Fig.1 Schematic diagram of straight tunnel model with ceiling-type purification ventilation system

图2 吊顶式净化通风系统纵向布置间距修正模型Fig.2 Correction model for longitudinal layout spacing of ceiling-type purification ventilation system

在Fluent数值模拟中设置边界条件：隧道入口设置为速度入口，取4 m/s，出口设置为压力出口，湍流强度为3%，当量直径为7.6 m；风机出入口设置为速度入口，取33.8 m/s，湍流强度为3%，当量直径为0.9 m；释放源出入口设置为速度入口，取0.36 m/s，湍流强度为5%，当量直径为1.0 m。

2 结果与分析

2.1 吊顶式净化通风系统位置及净化范围的确定

为研究吊顶式净化通风系统的纵向布置方案，首先需要确定其设置位置及净化范围。绘制隧道断面CO浓度分布如图3所示。由图3可知，在吊顶式隧道入口之前，主隧道内CO浓度基本呈线性增长，在吊顶式隧道出口后，隧道内CO浓度出现明显降低，之后由于主隧道较长且隧道内各个位置均在释放污染物，因此隧道内CO浓度仍呈线性增长；在距离隧道入口1 400 m位置布置吊顶式净化通风系统时，仍会导致主隧道内出现CO浓度超标现象，为满足净化效果，可将吊顶式净化通风系统布置在距离隧道入口1 300 m位置。图中O点位置坐标为(1 732,150)，此时隧道内CO浓度再次达到规范要求的限值150 cm3/m3，故可得吊顶式净化通风系统的净化范围为330 m。

图3 隧道断面CO浓度分布曲线Fig.3 CO concentration distribution curve of tunnel section

隧道内Z=1.0 m高度处CO浓度分布如图4所示。由图4可知，吊顶式净化系统可有效降低隧道内CO浓度，但吊顶式隧道对应主隧道内CO浓度会增大，因为此时较多的气流进入吊顶式隧道，使隧道内气流量降低，由于释放源在不断释放污染物，主隧道内会出现污染物积聚，使隧道内CO浓度出现大于150 cm3/m3的区域。因此，为保证在吊顶式净化系统进行纵向布置时，吊顶式隧道对应主隧道内CO浓度可满足规范要求，可将吊顶式隧道向隧道入口方向移动。

图4 隧道内Z=1.0 m高度处CO浓度分布Fig.4 CO concentration distribution in tunnel at height of Z=1.0 m

2.2 吊顶式净化通风系统纵向布置间距优化研究

E1、E2工况下隧道断面CO浓度分布如图5所示。由图5可知，吊顶式净化系统可有效降低隧道内污染物浓度，但由于隧道较长且隧道内各个位置均在释放污染物，从第3个吊顶式净化系统起，仅吊顶式隧道对应主隧道内CO浓度出现大于150 cm3/m3的区域；在E2工况下，从第2个吊顶式净化系统起，隧道内CO浓度出现大于150 cm3/m3的区域，且越靠近隧道出口，吊顶式隧道对应主隧道CO浓度越大，且隧道内CO浓度超过规定值150 cm3/m3的范围越大，净化效果明显低于E1工况。

图5 不同工况下隧道断面CO浓度分布Fig.5 CO concentration distribution of tunnel section under different conditions

E1、E2工况下Z=1.0 m高度处隧道内CO浓度分布如图6所示。由图6可知，在吊顶式净化通风系统纵向布置间距为300，330 m时，隧道内CO浓度分布规律相似，均在吊顶式隧道下方的主隧道内出现聚集；距隧道入口1 300～1 380 m为设置吊顶式净化系统的位置，在气流进入吊顶式隧道后，主隧道会出现CO积聚区，由于释放源的存在，CO浓度处于增大状态，与图6描述相符；距隧道入口1 400～1 500 m时，由于处在吊顶式隧道出口，释放新鲜空气，隧道内CO浓度降低，随释放源不断释放污染物，CO浓度还不断上升，直至经过下一个吊顶式净化系统的处理。对比不同工况，隧道内整体CO浓度分布规律类似，E2工况下吊顶式隧道对应主隧道CO浓度较高，说明此时对人体危害较大。

图6 Z=1.0 m高度处隧道内CO浓度分布Fig.6 CO concentration distribution in tunnel at height of Z=1.0 m

3 结论

1)直线隧道内CO基本呈线性分布，在距离隧道入口1 300 m处，CO浓度达到隧道内车辆阻滞情况下的限值150 cm3/m3，为满足隧道内空气质量要求，需要在此处布置净化系统。

2)对带有吊顶式净化通风系统的物理模型进行数值模拟发现，吊顶式净化系统的净化范围约为330 m，之后隧道内CO浓度会达到隧道内车辆阻滞情况下的限值150 cm3/m3，会对人体造成危害。

3)对吊顶式净化通风系统纵向布置间距进行优化研究发现，当纵向布置间距为300 m时，仅吊顶式隧道对应的主隧道内CO浓度出现少许大于150 cm3/m3的区域，因此在满足隧道运营经济的前提下，吊顶式净化通风系统纵向布置间距不宜大于300 m。