特长隧道汽车尾气流动规律研究_任涛.pdf

第 18 卷增刊 2地 下 空 间 与 工 程 学 报Vol.182022 年 12 月Chinese Journal of Underground Space and EngineeringDec.2022特长隧道汽车尾气流动规律研究任涛1,陈结2,3,刘戎2,3,周云1,刘丹1(1.重庆市交通工程质量检测有限公司,重庆 400067;2.重庆大学 煤矿灾害动力学与控制国家重点试验室,重庆 400044;3.重庆大学 资源与安全学院,重庆 400044)摘要:通过隧道的车辆会排放尾气污染物,影响隧道内环境和工作人员的身体健康。为了更好的掌握特长隧道中汽车尾气的流动运移规律,提高特长隧道通风系统的排污效率,改善特长隧道内环境,运用商业软件 Fluent,用 RNG k-模型,结合 Layering(动态层模型)的动网格技术,以 CO 作为尾气污染物,分析了特长隧道内瞬态汽车尾气的扩散特征,研究了不同车距及不同行驶速度下特长隧道内汽车尾气的流动规律。模拟结果表明:在车尾回流的作用下,CO 污染物分布都有形成旋涡的趋势,且长车距或者车后没有其他车辆以及车辆低速行驶时,更易形成旋涡状分布;行车速度越大湍流动能(TKE)和车辆周围气流速度也越大;在一种行驶速度下车后湍流动能大的位置由于气流扰动明显,气流速度会降低,高湍流强度还会稀释污染物使高湍流动能处的 CO 含量降低;短时间内 CO 主要分布范围在车辆高度 2 m 附近,长车距下不同车速的 CO 含量分布规律相似,但短车距下后方汽车的存在会则影响前方车辆排出的CO 分布,使其扩散速度减慢。本研究可以为特长隧道通风系统提供研究基础。关键词:数值模拟;汽车尾气;污染物分布;动网格中图分类号:U453.5文献标识码:A文章编号:1673-0836(2022)增 2-1008-07Study on the Flow Law of Automobile Exhaust Gas in Extra-Long TunnelRen Tao1,Cen Jie2,3,liu Rong2,3,Zhou Yun1,Liu Dan1(1.Chongqing Traffic Engineering Quality Inspection Co.,Ltd.,Chongqing 400067,P.R.China;2.State Key Laboratory of Coal Mine Disaster Dynamics and Control,Chongqing University,Chongqing 400044,P.R.China;3.School of Resources and Safety,Chongqing University,Chongqing 400044,P.R.China)Abstract:Vehicles passing through the tunnel will emit exhaust pollutants,which will affect the environment in the tunnel and the health of the staff.In order to better grasp the flow and movement of automobile exhaust gas in the extra-long tunnel,improve the blowdown efficiency of the extra-long tunnel ventilation system,and improve the environment in the tunnel,this study using the commercial software Fluent,adopting the RNG k-model,and combining the dynamic grid technology that Layering(dynamic layer model),uses CO as the exhaust pollutant to analyze the diffusion characteristics of transient automobile exhaust in the extra-long tunnel.The flow law of automobile exhaust in the extra-long tunnel in different vehicle distances and different driving speeds were studied.The simulation results show that the distribution of CO has a tendency to form a vortex influenced by backflow.Besides,the vortex-like distribution is more likely to form when the vehicle distance is long,there are no other vehicles behind the vehicle,and the vehicle is driving at a low speed;the greater the driving speed,the Turbulent 收稿日期:2022-07-05(修改稿)作者简介:任涛(1983),男,河南荥阳人,博士生,主要从事岩土工程检测设计方面的研究。E-mail:57662097 通讯作者:陈结(1984),男,湖南邵阳人,博士,教授、博士生导师,主要从事岩土工程方向研究。E-mail:jiechen023 基金项目:重庆市自然科学基金(cstc2020jcyj-msxmX1076);国家自然科学基金(51774057)Kinetic Energy and the air velocity around the vehicle are also greater.At the same driving speed,a position where the Turbulent Kinetic Energy is large will be reduced air velocity due to the obvious airflow disturbance.The high Turbulent Kinetic Energy will also dilute the pollutants and reduce the CO concentration;the main CO distribution range in the vehicle height of 2 m during short time nearly,the distribution of CO at different speeds under long distances is similar,but the existence of rear cars under short distances will affect the distribution of CO emitted by the vehicles in front and slow down the diffusion speed.This research can provide a study foundation for extra-long tunnel ventilation system and better guide the layout of extra-long tunnel ventilation system.Keywords:numerical simulation;automobile exhaust;pollutant distribution;dynamic grid0引言近年来,我国机动车数量持续增加,导致道路车流量也不断增加。车行压力一方面导致道路拥堵,一方面也增加了尾气的排放量,尤其在长大隧道中,半封闭的空间极容易造成尾气的集聚。汽车的 尾 气 主 要 有 燃 料 不 完 全 燃 烧 产 物 一 氧 化 碳(CO)、碳氢化合物(HC)、氮氧化合物(NOx)、光化学污染(PS)、颗粒物(PM)等污染物,其中汽车尾气中绝大部分为 CO 1。汽车尾气等污染物在隧道中的聚集,对隧道内驾乘人员、管理维修人员的危害已经不容忽视,不同运行状态下隧道中尾气的分布情况更是直接影响着隧道环境。此外,隧道中的射流风机也应该根据尾气的分布情况进行有的放矢开启或者关闭,然后目前对这方面的研究却较少,使得隧道中通风系统和环境脱离严重。目前国内学者对于汽车尾气污染物的排放问题,做了大量研究。金晨阳等2总结了 MOVES、COPERT、MOBILE、IVE、CEME 五种常见的机动车尾气排放模型,从地域性、成熟度、不确定性 3 个方面进行评价和对比。部分学者通过空气和汽车的相对运动,模拟汽车运动时的尾气运动规律。如张金贵等3应用数值模拟的方法研究公路隧道内运动状态下汽车的尾气扩散情况,且结果与实验测量值吻合较好;卢银彬等4运用 FLUENT 软件模拟了公路隧道内不同车型在不同速度工况下的尾气污染排放状况,研究了汽车尾气污染范围与车辆和空气的相对速度之间的关系。部分学者通过现场监测的方式,模拟汽车运动时的尾气运动规律。如肖翠翠等5对北京 5 个交通污染监控点的污染物排放数据进行分析,得出交通污染排放和行驶速度之间的相关关系,并运用 MOVEs 模型验证了提高车速所产生的减排效果。崔晨等6用高斯模型建立了天津市机动车尾气扩散模型,该模型对于车外PM2.5 颗粒物以及排放的气体污染物的模拟值误差范围较小,且该模型对天津市机动车尾气污染扩散的模拟效果较好。彭鹏铭7通过聚类分析的方法分析汽车排放污染物中挥发性有机物的污染,结果表明公路隧道进、出口空气中共有 90 种挥发性有机物,出口污染浓度较高;隧道中空气受热产生浮升力推动气体流向隧道出入口,从而使隧道内部的VOCs气 体 向 隧 道 外 的 扩 散。Utkarsh Bhautmage8等采用三维计算流体动力学的相对速度方法,研究了在车辆尾迹存在的情况下,不同形状、速度、混合车流情况下公路隧道内污染物的扩散。Song 等9采用可实现的 k-模型,结合动网格技术,分析了隧道内瞬态交通活塞效应的特征。El-Fadel 等10分析了车辆通过公路隧道时不同尺寸超细颗粒的非稳态湍流、沉积以及扩散特性。从以上文献可以看出,特长隧道内动态汽车尾气的扩散分布研究较少,考虑不同汽车行驶速度和车辆间距的综合影响方面的研究更不常见,严重影响了隧道通风系统的发展。本文以重庆渝蓉高速巴岳山隧道为研究对象,通过数值模拟的方式探究在不同车型、不同排放速率的工况下,以 CO 为例的汽车尾气在特长隧道内的扩散规律。从而为检测和控制隧道内尾气污染物浓度,保障隧道内维护作业人员身心健康提供理论依据。1计算模型及边界条件设置1.1工程背景重庆成都高速公路(渝蓉高速公路)是连接重庆市和四川省成都市的第三条高速公路,其中巴岳山隧道位于重庆渝蓉高速,洞总长 3 335 m,总长超过 3 km,属于特长隧道范畴。洞内为半封闭环境,汽车尾气排放困难,污染物逐渐积累造成隧道内环境质量下降,隧道内工作人员健康遭受威胁,90012022 年增刊 2任涛,等:特长隧道汽车尾气流动规律研究基于此背景,展开研究。1.2流动控制方程特长隧道内不论是空气还是尾气污染物,都需受到物理守恒定律的支配,包括:质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律。该模拟中涉及到多组分的混合,故还要遵守组分守恒定律。隧道内气体流动处于湍流状态系统还需遵守湍流控制方程。(1)质量守恒方程t+xi(ui)=Sm(1)(2)动量守恒方程t(ui)+x