地下车库汽车尾气CO 污染的扩散规律分析*

2023-12-16杞昊王新伟潘扬松陈小开

工业安全与环保 2023年12期

杞昊王新伟潘扬松陈小开

（昆明理工大学建筑工程学院，云南昆明 650500）

0 引言

国家统计局数据表明：2021年末全国民用汽车保有量30 151 万辆，比上年末增加2 064 万辆，其中私人汽车保有量26 246 万辆，增加1 852 万辆。随着私人汽车保有量的快速增长及城市可利用土地资源逐渐减少，地下车库逐渐成为停车场设计的首选方案［1］。然而，地下车库由于其封闭性，会导致汽车尾气在车库内形成堆积，恶化车库中的空气质量［2］。汽油尾气排放的污染物主要有害成分为一氧化碳（CO），长期吸入会造成记忆力受损、缺氧，甚至是死亡［3-5］。CO 中毒还会严重危害生命安全，因此汽车尾气CO 浓度被视为控制地下车库空气污染的主要指标。

为了降低污染物的堆积，很多学者对地下车库中CO的扩散规律和浓度分布规律进行了研究。XUE H等［6］提出了平均扩散模型、随机静止模型、随机平均模型等3 种基于计算流体力学（CFD）的数值模型，并指出随机平均模型能够更合理地预测地下车库中的温度和CO 浓度。PAPAKONSTANTINOU K 等［7］通过CFD对雅典城区一个地下车库内CO 浓度进行了数值预测，并对员工和车库使用者的CO暴露进行了评估，结果显示在适当的通风条件下，CO浓度水平下降且保持在推荐的公共健康标准下。PENG S B［8］将CFD 数值模拟和现场实验相结合，探讨了某地下车库CO 的扩散，通过对通风性能和能耗的综合考虑，确定了该车库的最佳机械通风方案。殷明昊等［9］将车库内污染物模型假设为在车道中间的带状面污染源，对使用机械通风的北京某商业地下车库的CO浓度进行了数值模拟。综合已有的文献和研究可以看出，数值模拟由于其人力和材料的低消耗，最近被越来越多地采用。但是大部分模拟考虑的都是车辆静止状态下车库内CO浓度的变化，忽略了汽车在行驶时对周围气流的影响。

本文通过对汽车怠速行驶状态（速度≤5 km/h）和汽车停止运动后的CFD 数值模拟与现场测试，研究了汽车在2 种状态下车库内的通风情况以及CO浓度变化规律，为降低CO 污染浓度、改善车库室内空气品质提供参考。

1 数值模拟模型

1.1 数学模型及简化假设

地下车库中污染物的扩散为湍流扩散，气流流速较低，气体均可视为不可压缩气体，因此采用标准k- 两方程模型求解CO 扩散规律。除此之外，根据实际问题，做出了以下假设：①流动为三维非稳态湍流，各变量随时间改变；②模拟过程中排气管口的CO 发生率恒定；③排气管口排出的CO 温度较高，应当考虑密度变化产生的浮升力对气流的影响；④车库中无其他内热源，且所有围护结构绝热。

针对上述问题和假设，联立求解连续方程、动量方程、能量方程及组分方程，统一写成标准形式［10］：

表1 符号与各方程的对应关系

1.2 物理模型

该车库位于昆明某高校教学楼地下，共有21 个车位，车库的建模如图1 所示。该模型内部包含楼梯间和配电室，模型的详细局部几何尺寸见表2。

1.3 网格划分及无关性验证

因涉及车辆运动，车身周围流场会随着边界运动而改变，故采用动网格技术（Moving Mesh）中的层铺法（Layering）对车辆驶过的区域进行网格划分，且对进、出风口及车身周围的网格适当加密以保证精度。最终绘制了3 套网格如表3 所示。

为选择合理的网格数量，选取点（15，5，2.5）到（25，5，2.5）之间的线段，在30 s时对该线段上3 种网格划分下的CO浓度进行比较（见图2），其中网格Ⅱ与网格Ⅲ的计算最大误差为2.4%（≤5%），故可认为网格Ⅱ已经满足网格无关性验证要求。同时考虑到网格Ⅱ的网格数量相较网格Ⅲ来说占用的计算资源少，所以选取网格Ⅱ作为本次模拟使用的计算网格。

图2 不同网格划分下的CO 浓度

1.4 边界条件

车库门作为新鲜空气的速度入口，平均风速为0.3 m/s，室外空气沿x 方向流入车库内，且不含污染物。配电室门由于长期处于关闭状态，故配电室不参与本次模拟。楼梯间门设置为压力出口。排气管附着于汽车尾部，管口直径为0.08 m，距地面高度为0.4 m，作为CO 的质量流量入口向车库中排放CO，质量流率为0.000 561 kg/s［12］，尾气温度为45 ℃。汽车的运动通过函数profile预先定义，具体为：汽车从车库门位置沿x 方向做匀速直线运动（v=1 m/s），运动42 s 后停放在车库底部的车位中。汽车熄火后不再向外排气，因此将排气管更改为壁面边界，继续对汽车停止后的60 s 内的CO 浓度分布进行计算。整个过程共102 s，时间步长设置为0.02 s，每一个时间步长迭代20 次。

2 结果与分析

根据汽车的2 种不同运行状态，对车库内的CO浓度分布和速度矢量分布进行分析。

2.1 气流速度矢量分布

不同时刻车库内z=0.4 m 平面上的气流速度矢量云图如图3 所示。从图3（a）—图3（d）中可以看出汽车的运动对车身周围的气流产生推动作用，具体表现为汽车前侧的空气向两侧散开，汽车后侧的空气向中间聚集。同时由于车辆的运动，汽车驶过的车道中央的空气流速始终大于车道两侧。从t=30 s开始，汽车行驶方向的右侧气流流动方向发生了改变，由之前的向前流动变为向后流动。造成这一现象的原因主要有以下2 点：①车辆已经越过了气流出口（即楼梯间门）所处的的平面，故而气体会由于压差会被向后吸入楼梯间中；②车辆前侧的空气被推至车库墙壁后向两侧扩散，形成了回流。

图3 不同时刻的气流速度矢量云图

图3（e）显示了汽车停止运动后的第60 s时的速度矢量情况。可以看出即便过了1 min，在汽车周围形成的涡流仍然没有消失，同时车库入口附近也形成了新的漩涡区，这对于污染物的稀释十分不利。

综上所述，该车库的气流组织形式并不理想。首先，车库门靠近下侧，导致车库上侧大部分空间中的气流速度较慢，均小于0.12 m/s；其次，车库的气流出口仅有1 个，且设置在车库中部，使得出口右侧的空气形成回流；最后，由于楼梯间以及配电室的存在，导致配电室右侧的区域变为通风死角，室外的洁净空气难以抵达，进而会使该区域的空气龄较大。

2.2 CO 浓度分布

为了更加清晰地掌握CO 浓度的分布情况，从空间以及时间2 个角度对CO 的扩散规律进行研究。车库当地的室外空气中CO 质量浓度约2mg/m3，故而将CO 浓度分布云图中低于该指标的区域隐去。

2.2.1 CO 浓度随空间变化规律

汽车怠速行驶中，各时段的CO扩散特性基本相似，故只选取t=30 s 时予以分析，详细结果见图4—图8。

图4 z=0.4 m 处CO 浓度分布

从图4 和图5 可以看出，CO被排出后克服空气阻力沿着排气管轴向流动一段距离，待尾气动量逐渐降低之后，CO卷吸周围空气并向上流动形成烟羽。图6 和图7 显示在烟羽形成后，并不会立即扩散到周围，而是由于尾气与环境温度存在温差，因此有一定的升腾，在达到距地约0.9 m后，才开始横向扩散，污染周围空气。

图5 z=1.5 m 处CO 浓度分布

图6 距车尾1 m 处CO 浓度分布

图7 距车尾2 m 处CO 浓度分布

即便CO会因为尾气温度具有一定的升腾，但是热量相对较小，很快会被周围环境平衡。之后由于CO 分子量与空气分子量接近，CO 将会根据浓度梯度以及车库中的气流组织形式进行扩散，所以在汽车尾部的尾涡区域，CO 会发生再循环，形成局部高浓度，危害周围人群的健康。

从图6—图8 可以看出，CO浓度沿竖直方向高度的增加而逐渐降低，在z=1.8 m 处，CO 浓度基本已降至室外环境背景浓度。但是在人体呼吸平面（z=1.5m）附近，CO 浓度仍然较高，达到我国工作场所有害因素职业接触限值［13］，此浓度下的汽车尾气CO污染可使人达到重度中毒。

图8 y=5 m 处CO 浓度分布

除此之外，还对汽车停止运动1 min 后车库中CO浓度分布规律进行了模拟研究，结果如图9 所示。

图9 t=100 s 时不同平面上CO 浓度分布

从图9 可以看出，3 个截面上的CO 浓度分布大致相同。即便经过了1min，汽车停放位置周围的CO依旧有部分堆积，导致局部CO 浓度显著高于四周，其中z=0.4、1.5、2.5 m 这3 个截面上的CO 最大质量浓度分别为29.3、20.9、21.6mg/m3。整体上看，z=0.4m平面上的CO 浓度略高于另外2 个平面，这是因为汽车排气管距地高度设置为0.4 m，且计算时间仅为60 s，CO气体的扩散还不够充分。由此可以看出，在车辆停止排放后的短时间内，CO沿地下车库高度方向的扩散速度较慢，近地面的CO浓度依旧处于较高水平。

2.2.2 CO 浓度随时间变化规律

根据汽车在车库中的行驶路径，在汽车驶过的过道前端与后端分别取1 个检测点记为A（20，5，1.5）、B（42，5，1.5）（见图1）。从汽车停放后每间隔2 s，对2 个监测点的CO浓度变化进行记录，再由体积浓度转换为质量浓度，现场检测结果见图10 所示。

图10 各监测点处的CO 质量浓度

从图10 可以看出，在汽车停放后，监测点A处的CO 质量浓度随着时间的增加在单调递减，从42 s 时的3.254 mg/m3下降到0.057 mg/m3。这是因为A点位于车库中气流出入口之间，此处通风条件较好，因此排出的CO 能够很快被稀释。而监测点B处的CO 质量浓度随时间先上升后下降，从开始的14.745mg/m3上升到52s时达到最大值20.518mg/m3，为我国室内空气质量标准［14］限值的2 倍多，随后开始逐渐下降，在102 s 时降至3.892 mg/m3。呈现出这个规律的主要原因是B 点附近的气流有涡流，致使车辆行驶到此区域时，排出的尾气会形成再循环，因此即便车辆停止运行后，也会因为之前行驶中的车辆排放的污染物不能够及时稀释，导致该点CO浓度堆积上升。