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多点进出城市地下道路通风模型实验研究

  • 作者:
  • 中国暖通空调网
  • 发布时间:
  • 2019-08-08

华北科技学院建筑工程学院      李琼   刘宏伟

北京工业大学建筑工程学院      陈超

摘   要:在多点进出结构的隧道内,交通特征的变化,不仅导致了隧道污染物排放与浓度分布特性的变化,也给通风控制系统运行提出新的挑战。为了合理确定分岔隧道结构对污染物扩散的影响,本研究基于研究团队关于长沙营盘路隧道交通通风力和污染物浓度水平在交通高峰时段进行了大量的现场实测数据以及相关理论模型研究成果,基于目前中国机动车排放水平,采用相似分析法进行1:8缩尺模型实验,重点分析交通风量、合流匝道以及分流匝道结构对主隧道污染物浓度分布的影响规律,研究结果为城市地下道路内污染物浓度的通风控制与运行提供方法参考。

关键词:多点进出城市地下道路;模型实验;相似理论;交通通风力;浓度分布

基金项目:国家自然科学基金项目(51378024);中央高校基本科研业务费资助项目(3142017068)。

       0   引言

       多点进出城市地下道路机动车污染物综合排放和浓度扩散特性受到交通特征、隧道结构特征、机动车单车排放特性等因素影响。本课题组2011年10月~2015年7月先后多次对北京、上海、长沙等城市的城市地下道路污染物浓度水平和通风运行系统在交通高峰时段进行了大量的现场实测调查[1-3]。结果表明,随着中国机动车排放标准的日趋严格,中国机动车排放量较2000年已有较大程度的下降,与欧美等发达国家的差距逐渐减小;推算得到机动车流综合平均CO、NOx排放因子与世界道路协会(PIARC)2012年关于中国地区的研究结果相近。动态的污染物排放特性和多点进出隧道的匝道结构都直接影响主隧道污染物的浓度分布特性和通风控制方案。污染物对流传质扩散过程不仅包括机动车本身排放源项,还包括合流匝道和分流匝道的源流与汇流污染物源项,其预测和求解沿程污染物浓度分布非常复杂。如何定量预测多点进出隧道污染物浓度分布并合理进行通风控制成为重点的研究问题之一。

       实际交通特征和隧道结构对交通风速的影响、对污染物排放和浓度水平的影响都将使得污染物扩散规律存在很多不确定因素。污染物的扩散特性需要通过搭建试验台的方式对各种影响因素分别研究。国内鲜有针对多点进出城市地下道路的模型试验台,多为针对平直公路隧道。重庆交通科研设计院李永林建立了长度100m的1:l试验隧道[4],华中科技大学孟伟[5]通过模型试验验证了雪峰山隧道通风设计的合理性。STAEHLIN[6]等人示踪气体SF6试验结果表明,机动车排入隧道内的污染物会在隧道的横截面上快速扩散均匀;Cui S等[7]实验验证了二氧化碳浓度衰减方法在隧道断面上通风的有效性;于燕玲[8]建立了污水隧道的缩尺模型试验台,以CO2为示踪气体,研究风管内各断面空气流速和CO2气体浓度分布规律,并结合数值模拟方法对实际工程的通风性能进行了分析。

       为了合理确定分岔隧道结构对污染物扩散的影响,本研究基于研究团队关于长沙营盘路隧道大量的现场实测数据以及相关理论模型研究成果,基于目前中国机动车排放水平,采用相似分析法进行1:8缩尺模型实验,重点分析交通风量、合流匝道以及分流匝道结构对主隧道污染物浓度分布的影响规律,研究结果为城市地下道路内污染物浓度的通风控制与运行提供方法参考。

       1   实验概况

       本节以长沙隧道为原型搭建1:8缩尺模型试验台,通过缩尺模型试验研究方法,进一步分析并把握分(合)流匝道对多点进出城市地下道路空气流动特性、以及污染物扩散特性的影响规律。

       1.1   1:8缩尺模型试验台

       根据流体力学流动相似理论,本研究以长沙隧道为原型,基于雷诺相似准则和几何相似准则搭建1:8缩尺模型比例试验台。图1(a)为1:8模型试验台全景图,试验台主要由风机、软连接、整流段、格栅段、主隧道段、变径段、支遂道段等组成。其中变径段长5m,风管材料采用镀锌板。示踪气体浓度、风速、风压测试仪器以及通风机等性能参数如表1所示。各采样点位置按照上游大于2倍当量直径、下游大于3~5倍当量直径的原则确定。

(a)试验台实景图 (b)合流匝道 (c)分流匝道

图1   缩尺模型试验台示意图

表1   测试仪器与设备

       1.2   相似性

       考虑到实际隧道交通风速可以满足自动模型区Re>5×104的条件,因此只需满足几何相似和边界条件相似的条件,即可使模型与原型流动保持相似。此时,对应的模型试验最小风速为0.7m/s,风速变化范围为0.7~7.0m/s。

       1.3   示踪气体

       本研究拟采用CO2作为示踪气体进行污染物CO扩散特性实验研究[9-10]。考虑到相同温度条件下干冰的升华速率可保持不变,Šťávová Petra等[11]探讨了示踪气体均匀性问题和数据处理的方法。试验过程中,使用干冰将CO2释放到模型试验区域内,并保证测量区域内示踪气体浓度均匀,通过分析一定时间段内气体浓度沿程变化规律,获得气体扩散分布特性。图2为示踪气体释放试验与测试装置,试验表明106s内干冰的释放速率通过分流段上下游相对稳定。

(a)释放装置  (b)试验结果

                        图2   CO2示踪气体释放试验

       1.4   试验数据处理

       根据电学中的基尔霍夫定律,节点各个方向流进节点的通量之和等于0。例如,对于合流匝道段图1(b),即有方程式(1)成立。

       式中,Ari为第i段隧道断面积(m2);Vri为第i段隧道内平均风速(m/s);Ci为第i段主隧道x方向处污染物浓度(mg/m3)。Vr3为第3段(分流或合流段)隧道内平均风速(m/s)。

       为了客观反映匝道段主隧道上下游段污染物浓度变化规律,应用式(2)进行分析。对于合流匝道段,重点关注主隧道下游与上游示踪气体CO2浓度比值C2/C1(以后简称浓度衰减率);对于分流匝道段,重点分析支隧道与主隧道上游示踪气体CO2浓度比值C1-3(以后简称污染物浓度比)。

       2   实验方案及结果分析

       2.1   分(合)流匝道的空气流动阻力特性

     (1)试验条件

       为了定量把握分(合)流匝道段对隧道内空气流动特性的影响规律,本节将结合1:8缩尺模型试验方法,重点考察分(合)流匝道主支流夹角分别为0°和30°时其对空气流动阻力特性的影响规律。试验过程中,实测各采样点的风速和风压(图1(b)和(c))。风速1次/20s,连续采集30分钟;风压1次/5min,采集30min,共6组数据。根据大量实测结果,主隧道风速变化范围为2~7m/s,匝道风速变化范围为1~4m/s。

     (2)试验结果及分析

       图3试验结果表明,无论是分流匝道还是合流匝道,支隧道的局部阻力系数均与支隧道与匝道段下游主隧道的风量比(以后简称风量比)密切关联。


       分流匝道,支隧道的局部阻力系数随其风量比的增加呈下降趋势,且不受夹角变化的影响;合流匝道,支隧道的局部阻力系数随其风量比的增加呈单值增大的趋势,同样不受夹角变化的影响。另外,随着夹角的增大,支隧道局部阻力系数亦随之增大,风量比也随之增加,不过分流匝道的这种影响规律相对更明显一些。

       2.2   分(合)流匝道污染物扩散特性

     (1)试验条件

       不同风速条件下,分(合)流匝道主、支隧道夹角变化(0°、10°、20°)对支遂道污染物扩散特性的影响规律。取400g干冰在1500g常温水域中释放CO2作为污染源。合流匝道,支隧道风速按1.17m/s、夹角分别按10°和20°考虑;分流匝道,支隧道风速分别按风机频率20Hz和30Hz、夹角分别按0°和10°考虑。

     (2)试验结果及分析

       合流匝道(图4a),支遂道夹角10°时,主隧道下游CO2平均浓度衰减率从67.3%减少到了62.6%。支遂道夹角20°时,主隧道下游CO2平均浓度衰减率从56.1%减少到了44.2%,其变化规律与单点进出直隧道的类似,合流匝道段对主隧道CO2浓度增加的贡献作用不明显。另外,随着支遂道夹角的增大,主隧道下游CO2平均浓度衰减率呈下降趋势,这是因为支遂道夹角增大的同时,支隧道的风量也随之增大了(图3),起到了稀释污染物浓度的作用。

       分流匝道(图4b),在主隧道上游风机频率变化(20Hz、30Hz)、支隧道夹角变化(0°、10°)条件下,支遂道夹角0°且风速从2.0m/s升高至3.0m/s时,污染物浓度比减少了2.3%,支遂道夹角10°且风速从1.7m/s升高至2.6m/s时,污染物浓度比减少了10.2%。分流匝道对主隧道污染物浓度减小作用凸显。另外,支遂道夹角越大,污染物浓度比也随之增大,说明随着支隧道局部阻力越大,对隧道污染物浓度水平降低是不利的。

(a)合流匝道 ( b)分流匝道

图4   合(分)流匝道段各个工况污染物分配规律

       3   结论

       基于长沙营盘路湘江隧道的1:8缩尺模型试验结果,得到以下关于城市地下道路分(合)流匝道通风阻力特性和污染物扩散特性的研究结果:

     (1)主隧道与匝道风量比、主隧道与匝道夹角是影响分(合)流匝道局部阻力系数的关键因素。随着夹角的增大,支隧道局部阻力系数亦随之增大,风量比也随之增加,不过分流匝道的这种影响规律相对更明显一些。

     (2)合流匝道段对主隧道CO2浓度增加的贡献作用不明显。随着支遂道夹角的增大,主隧道下游CO2平均浓度衰减率呈下降趋势,起到了稀释污染物浓度的作用。

     (3)分流匝道对主隧道污染物浓度减小作用凸显。支遂道夹角越大,污染物浓度比也随之增大,说明随着支隧道局部阻力越大,对隧道污染物浓度水平降低是不利的。

参考文献

       [1] Li Q, Chen C, Deng Y, et al. Influence of traffic force on pollutant dispersion of CO, NO and particle matter (PM 2.5) measured in an urban tunnel in Changsha, China[J]. Tunnelling & Underground Space Technology, 2015, 49:400–407.

       [2] Deng Y, Chen C, Li Q, et al. Measurements of real-world vehicle CO and NOx fleet average emissions in urban tunnels of two cities in China[J]. Atmospheric Environment, 2015, 122:417–426.

       [3] 李琼, 陈超,袁浩庭,等. 多点进出城市地下道路CO排放特性实测研究[J]. 华北科技学院学报, 2017(2).66–71.

       [4] 李永林.降低二郎山隧道运营通风费用的设计方案[J].世界隧道,1999,(5):28–32.

       [5] 孟伟. 雪峰山隧道通风系统模型实验[D]. 华中科技大学, 2004.

       [6] STAEHLIN J,SCHLAPFER K,etal.Emission factors from road traffic from a tunnel study.part1; concept and first result.Sci.Total Environ.1991,69(1):141–147.

       [7] Cui S, Cohen M, Stabat P, et al. CO2, tracer gas concentration decay method for measuring air change rate[J]. Building & Environment, 2015, 84:162–169.

       [8] 于燕玲.污水隧道纵向通风CFD仿真模拟与试验研究[D].天津大学,2006.

       [9] Chao CY, Wan MP, Law AK. Ventilation performance measurement using constant concentration dosing strategy. Build Environ 2004; 39:1277–1288.

       [10] Nikolopoulos N, Nikolopoulos A, Larsen TS, Nikas KSP. Experimental and nu-merical investigation of the tracer gas methodology in the case of a naturally cross-ventilated building. Build Environ 2012; 56:379–388.

       [11] Šťávová Petra. Experimental Evaluation of Ventilation in Dwellings by Tracer Gas CO2[J]. End of Life Journal, 2012, 16:225–230.

备注:本文收录于《建筑环境与能源》2017年5月刊总第5期。
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