文章编号：
流体机械
73
1005 -0329(2016)10 -0073 -07
城市隧道竖井送排式通风优化
朱培根，孔维同，李晓昀，宋桦，何轶敏
(解放军理工大学，江苏南京210007)
摘要：为了更有效地发挥送排风竖井在城市隧道中的通风作用，选择合理的送排风组合是一个重要的途径。本文采
用
CFD方法，对5种排风速度与5种送风速度的25种送排风组合进行了模拟，分析了不同送排风组合隧道内的通风效
果。模拟结果表明：当送排比大于1时，隧道内会出现回流，且送排比越大，隧道回流效应越强，经济效益越低。隧道内
气流分布和污染物浓度都与送排风组合有关，较大的排风速度虽有利于降低污染物浓度，但能耗也较大，过大或者过小 的送风速度都会使隧道局部污染物浓度过高，降低通风作用。因此，综合考虑隧道通风经济性和实用性，确定排风速度 为
5 ~6mA和送风速为8 ~ 12mA为最优组合。选择合理的送排风组合，不仅能有效控制隧道污染物浓度，还能减少能
TH43;TU83
A
d〇i：10. 3969/j. issn. 1005 -0329.2016.10.016
量损失，对城市隧道的建设具有指导意义。
关键词：隧道通风;送排风竖井;数值模拟;送排风组合
中图分类号：
文献标志码：
Optimization of Ventilation with Inlet and Outlet Shafts in Urban TunnelZHU Pei-gen,KONG Wei-tong,LI Xiao-yun,SONG Hua,HE Yi-min
(PLA University of Science & Technology,Nanjing 210007, China)
Abstract： In order to make full use of ventilation capacity of shafts in urban tunnel,it is an important way to choose a reasonable combinations of inlet and outlet rate. The CFD method is applied to simulate 25 different combinations which consist of 5 different outlet rate and 5 different inlet rate,and the effects of combinations on ventilation effect is studied. Numerical simulation shows that there will be backing flow in short duct when inlet and outlet ratio is over 1 , and the larger inlet and outlet ratio is, the stronger backing flow and the lower economic effectiveness will be. Airflow and concentration of pollutant in tunnel is related to combinations, although the greater outlet speed decreases pollutant concentration, energy consumption increases at the same time, and larger or less inlet speed will both make pollutant concentration overtop partial area of whole tunnel as to decrease ventilation effect. Therefore,considering economical efficiency and practicability of ventilation in urban tunnel comprehensively, estimating outlet speed is during 5 ~6m/s and inlet speed is during 8 〜12m/s are the best combinations. Choosing reasonable combinations will not only make sure pollutant concentration is reach to standard,but also decrease wasting of energy,which is of great significance to the city tunnel construction.Key words ： ventilation in tunnel ； inlet and outlet shafts ； numerical simulation ； combinations of inlet and outlet rate
i 前言机械通风方式由于提供了外部动力，使得其能够 满足不同尺寸隧道，不同地形等复杂条件的通风 需要而得以广泛应用。机械通风方式又以纵向通 风最为典型，而此通风方式也是目前国内外研究 的重点，近年来对纵向通风的研究中既包含通风 实验研究，也包括数值模拟研究[6~12]。然而，当 前的研究都集中于以射流风机作为辅助手段的纵 向通风方式，而对于竖井送排式纵向通风方式研
城市隧道通风的目的是向隧道内送入新鲜空 气并向外排出浑浊空气，从而稀释隧道内车辆排 放的污染物，以保证隧道内良好的空气状态[1]。 隧道通风方式可分为机械通风和自然通风。自然 通风方式因不设置风机，既减少了能耗，又减小隧 道断面尺寸，如今已受到越来越多的关注&5]。
收稿日期：2016 -04 -25 修稿日期：2016 -06 -16
74FLUID MACHINERY
= 1.92, =1，
Vol. 44,No. 10,2016
究较少。竖井送排式通风方式因在隧道沿程设置 送排风竖井，使得隧道能够及时排出污染气体并 引入新鲜空气，从而较射流风机通风方式更能有 效的控制隧道污染物浓度，保障人员安全[13]。因 此，为了更好地发挥送排风竖井的通风优势，本文
采用三维数值模拟的方法，模拟25种送排风组合 条件下隧道通风能力，研究不同送排风速隧道污 染物浓度分布，最终确定最合理的送排风组合形 式，对城市隧道竖井送排式通风方式进行优化。
cc
=0.09。
能量方程：
魆+裡=立丄座
dt dXj dx.广.cp dx/ 式中/i----CO浓度
SH—
体积热源，w/m3
由质量守恒定律得到连续方程，动量守恒定
律（即Navier-Stokes方程，简称N-S方程）得到动 量方程，能量守恒定律得到能量方程。这些方程 实际上表示的是在对流扩散作用下各个物理量的 H v 7
2
基本理论
2.1 控制方程和湍流模型
隧道内气流通常为湍流流动，且遵循具有不 可压粘性流体性质的控制微分方程。
连续性方程：
dpu,dx；0
(1)
式中 ^方向上的速度，rn/s
动量方程：
dju.Uj) dx；-----1 dP p dxt H----ddx-(…)(s+如i‘⑵
式中p ~
-空气密度，kg/r P
-静压，Pa
u]----方向上的速度，m/sv---运动粘性系数，m2/s
K—
紊流粘性系数，m2/S
紊流脉动动能方程：d(dx,
ujK)
,3kdx：v +c%⑶
紊流能量耗散率方程： dju^) _f vt \\ ds
dx； dx；^ + V)dx!/ dut
+ ClCfi\\
+ dxj dxj K
⑷
式中A:---紊流脉动动能，m2/s2
^—
紊流能量耗散率，m2/S3
cK----A:的紊流
prandt 数，= 1cs----e的紊流prandt数，〜=1 • 3
Q，^，Q，丨均为常数，其中Q =1.44, c2
守恒，因此又称为对流扩散方程。
2.2 隧道污染物排放规律
车辆排出的废气中以C0为主[14]，在分析隧 道通风排污的作用时，主要以C0为对象研究污 染物的分布规律。
隧道内所有汽车释放C0量的计算方法
为[15]:
1
MQc〇
3. 〇^
x 1U
m = i
(6)
式中n/,——
各种修正系数的乘积L---隧道总长度，mNm—相应车型的设计交通量，辆/h L—车型系数 M—
车型类别数
式中的修正系数包括坡度系数、车速系数、海 拔高度系数和车型系数等，对于不存在较大坡度 和高程的城市隧道而言，作出ny; = i的简化。
车辆行驶产生c〇时车辆均为C0的点源，6P
co只能在车辆的所在位置处排放。然而由于co
的扩散具有一个延迟时间，故在交通量较大的情 况下，可近似认为C0的排放为线源，即隧道内各 处均在排放C0。排放密度满足：
9co
= %L^
= , 3. . 1X 1(J 1〇6 9 rn1〇 = l
XNJJ
(7)
式中qco----隧道CO的排放密度，m3/(s • m)
3
模型的建立
3.1 模型参数及假设
选择最简单的单送排竖井组隧道建立模型，
隧道净高6m，净宽12m，隧道总长120m，其中入
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口段长30m，短道段长55m，出口段长为35m。据 国内外工程经验:取12m2的送风口面积为宜且 排风口面积不得大于隧道正洞断面积，取排风竖 井尺寸为3m x8m x6m(长X宽X高），送风竖井 尺寸为3mx4mx6m(长
X
3.3模拟方案
影响竖井送排式城市隧道通风效果的因素有 很多，包括隧道长度、截面尺寸;竖井位置、截面尺 寸;送排风量、短道长度、交通量等，在此主要研究 送排风量对隧道通风的影响，因此在设置送排风 竖井的边界条件时，通过改变送排风速度的组合 形式以满足不同的送排风量的要求。根据《公路
隧道通风照明设计规范》，排风速度为5〜6m/s 最佳[13]，则将排风速度设为4,5,6,7和8m/s 5 种工况，同时将送风速度设为6，8，10，12和14 m/s 宽
X
高）。以隧道入
口底部中心点为原点，沿隧道长度方向为Z轴，
隧道高度方向为F轴，隧道宽度方向为Z轴建立 几何模型如图1所示。
图
1
隧道物理模型
模型满足假设条件：（1)常温、低速、不可压 流体流动；（2)符合气体状态方程的等压流动;(3)符合Boussinesq假设；（4)属于揣流流动，粘 性不可忽略。3.2边界条件
模拟边界为定常边界，隧道入口为压力入口 边界，入口空气C0浓度为0，静压为0;隧道出口 采用压力出口边界，静压为〇;排风竖井和送风竖 井均为速度入口边界，送风口空气C0浓度为0; 回风口设为阻尼回风口，壁面为绝热壁面，忽略壁 面热辐射。隧道底部设置为均匀质量入口边界， 根据式(7)，C0的排放密度与隧道交通组成有 关，表1为某隧道交通状况实测数据，其总交通量 为 =5000 辆/h〇
表1
隧道交通组成
车型比例
交通量（辆
/h)
车型系数
小型货车（汽油）0.077
3852.5小型货车（柴油）0.0773851中型货车（汽油）0.0643205中型货车（柴油）0.1185901大型货车（柴油）0.125小客车（汽油）0.414207062511大客车（汽油）0.045大客车（柴油）0.02422512071挂车（柴油）
0.0562801
将表中数据带入式(7)，得到隧道C0的排放 密度为化。
=
1. 924 X 10_5 m3/( s • m)。
5种工况，则送排风组合工况共有25种，具体方 案如表2所示。
表2
模拟工况工况
排风口速度（
m/s)
送风口速度（
2146m/s)
送排比
0.75034441081.00054121.25064141.5007560.6001.7508551080.8001095121.000115141.20012660.5001.4001361461080.667156120.833166141.00017760.4281.16718770.571201971080.714217120.8572281423860.3751.0002480.5002581080.6258
1214
0.7500.875
4
模拟结果与分析
4.1 短道回流判定
短道的通风效果由短道内气流的速度场决 定，如果送风竖井将风送入隧道后引起短道流场
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产生回流，这部分回流将使得短道局部阻力增大， 降低送排风机升压的作用，从而降低了经济效益。 因此，在选择影响评判短道通风的标准时，可引入 回流系数[作为评判标准。
回流系数的定义为：
K = Qexh/Q
〇而增大，且回流系数以1为分界线，当送排比小于 1时，回流系数小于1，短道内未出现回流。而当 送排比大于1时，回流系数大于1，短道内产生回 流效应。并且，回流系数值与送排比并非线性关 系，送排比越大，回流系数增长越快，这表明当送
(9)
排比大于1时，送排比对短道回流的影响非常大， 所以过大的送排比会使经济效益下降。
4. 2人员呼吸区通风效果分析
隧道受到交通风压、风机升压、通风阻力等多 种压力的共同作用，使得隧道内气流运动是三维 式中——
排风竖井排风量，m3/s排风竖井上游隧道风量，m3/s
对于隧道通风来说，回流系数[的大小决定 着短道是否产生回流以及回流的强度，回流系数
K小于1时，短道不产生回流；回流系数尺大于1
时，短道产生回流，且[值越大，回流效应越强，
隧道通风效率越低。对25种工况进行模拟后，可 得不同工况的隧道各段风速以及回流系数，如果 排风速度恒定为4,5,6,7,8111/8，而送风速度由 6m/s增大到14m/s，其对应的回流系数值如图2 所示6
4
9
送风速度（
m/s )
14
图
2
不同送排风速度与回流系数的关系
由图2可以看出，当排风速度不变时，短道回 流系数随着送风速度的增大而增大，当送风速度 相同时，回流系数随着排风速度的增大而减小，且 当排风速度较小时或者送风速度过大时，短道极 易产生回流6这实质上说明短道回流状态与隧道 送排比有关，则回流系数与送排比的关系如图3 所示。
〇0.2 |___________1.0 ,___________1.8
■ ^
送排比
图
3
回流系数与送排比的关系
分析图3可知，回流系数值随送排比的增大
的，因此隧道纵向不同断面的污染物浓度不同，而 且同一断面的不同高度污染物浓度也不尽相同， 但我们最关心的是人员呼吸区域的污染情况，而 不必探究整个隧道断面的污染物浓度分布。因而 :要对不同车型人员呼吸区域高度进行分析，如 表3所tKq
表3
各车型人员呼吸区域高度车型小型中型大型货车
货车
货车
小客车大客车挂车
呼吸高度
(m)
1.51.82.31.232.5
比例
0. 1540.1820.1250.4140.0690.056
从表3可以看出，呼吸区域高度在1.2〜3m 之间，其中1.2〜2m区域为中小型车辆，所占比 例较高，2〜3m区域为大型车辆，比例较小。则以 2m为界限，将呼吸高度分为小型车呼吸区和大型 车呼吸区，分别取两个区域的平均呼吸高度值进 行研究，平均呼吸筒度计算方法为：
H
= i
(vh
) (10)
式中丑一人员呼吸区平均高度，m
W—相应车型所占比例
\"一相应车型人员呼吸区高度，m
通过计算，得到小型车呼吸区平均高度为
7/1=1.4111，大型车呼吸区平均高度为7/2=2.5111。 经过模拟可得到2个区域的C0浓度分布云图， 可知各工况污染物浓度分布规律相似，则以工况 8小型车人员呼吸区以及大型车人员呼吸区C0
浓度分布为代表，分析2个区域C0浓度分布规 律，如图4所示。
其结果显示大部分区域污染物浓度相对较
低，满足人员安全卫生标准，但存在2个C0高浓 度区域，靠近排风口处为区域一，靠近送风口处为
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区域二，这2个区域为通风的盲区，也是隧道通风 最不利点，需要重点分析，小型车和大型车人员
呼吸区断面平均CO浓度和2个高浓度区域CO平均浓度分别如图5，6所示p
(a)小型车人员呼吸区 （b)大型车人员呼吸区
图4
典型工况人员呼吸区CO浓度分布云图
随5 足=1.4m平面区域一、区域二及隧道断面平均CO浓度
(a)区域一平均
图6 足=2. 5m平面区域一、区域二及隧道断面平均CO浓度
由图5可知，当排风速度不变时，在1.4m高 度的小型车人员呼吸平面，区域一（排风口底部 附近区域）CO浓度随送风速度增大即随送排比 的增大而升高，区域二(送风口底部附近区域）CO 浓度随送风速度增大即随送排比的增大而降低， 且两个区域的浓度最大值均低于限制浓度_而对 于整条隧道，该呼吸平面的平均CO浓度则随着 送排比的增大而降低。图6所反映的规律与图5 一致，表明在2. 5m高度的大型车人员呼吸平面
CO浓度分布规律与1.4m高度的小型车人员呼
风要求，则大型车型人员呼吸区亦满足，那么只需
研究小型车人员呼吸区的通风效果即可0同时， 不难发现，无论1.4m高度还是2. 5m高度，CO浓 度极大值与平均值都随排风速度呈梯度的变化， 送风速度一定时，排风速度越大，CO浓度越低，但 随着排风速度的增大，CO浓度降低幅度减小，考 虑到节能的需要，同时尽可能改善隧道空气品质， 选择排风速度为56m/s较合理。
〜
由于1.4m高度更能反映隧道人员呼吸区域 的污染状况，因此以丑=1.4m平面为参考面，选 择排风速度为6m/s，分析该截面上下区域的气流 分布以及污染物浓度分布规律，图7为人员呼吸区 域隧道纵向(Z轴方向）平均风速与送排比的关系。
吸平面CO浓度分布规律一致。对比图5和图6 可知，大型车人员呼吸区CO浓度低于小型车人 员呼吸区浓度，因此，若小型车人员呼吸区满足通
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由图8可知，除了送排比为0. 5时，区域一的 平均C0浓度低于区域二以外，其他4种送排比
(s/m
区域一的浓度均高于区域二，且C0浓度随着送 排比的增大而升高，这是因为增大送排比虽然增 大了竖井送入的新风量，但也会抑制隧道入口进
0
入的新风量，使得排风竖井附近的区域I通风盲 区现象愈发严重。
区域二作为隧道污染严重区，其变化规律与 区域一相反，即随着送排比的增大，区域二C0平 均浓度降低这是由于送排比越小，区域二新风 )震
60
X(m)
120
图
7
排风速度为
6m/s时不同送排比// = 1.4m
平面隧道纵向平均风速分布
人员呼吸区域气流平均速度沿隧道纵向变化 较大，如图7所示，5种方案气流的变化规律一 致，即从隧道人口到排风竖井底部，由于排风作 用，气流平均流速逐渐减小;在短道段流速趋于平 稳，直到经过送风竖井，大量的新风被送入隧道底 部，导致该区域流速突然增大，而气流在底部反弹 后，流向更高的空间，使得送风竖井下游隧道人员 呼吸区风速逐渐减小。比较不同的送排比时的气 流分布可知，隧道入口段风速随送排比的增大而 降低0短道段风速与送排比并非简单的单调关 系，当送排比小于1时，流速随着送排比的增大而 减小，当送排比大于1时，流速随着送排比的增大 而增大，这是因为送排比小于1时，短道未出现回 流，上游隧道气流经排风竖井作用后，只剩下少部 分流入短道，送排比越大，上游隧道流量越小，流 入短道的气流也越少;送排比大于1时，短道产生 回流，送排比越大，短道回流气流越多，从而流速 也越大。最后，随着送排比的增大，送风量增加， 因此隧道出口段流速也在增大。
比较区域一、区域二以及整条隧道的丑= 1.4m平面的C0平均浓度，可以得出送排比对隧 道污染状况的影响程度，其平均浓度与送排比的 关系如图8所示。
or
xI餐
fei)
30.500 0.833
1.167
送排比
图
8
排风速度为
6m/s时区域一、区域二及隧道
好=1.4m面C0平均浓度
量越少，短道末端污染物浓度越难以稀释，以至于 当送排比为0.5时，区域二污染状况比区域|更 严重Q当送排比增大时，区域二新风量增大，短道 末端污染状况明显改善©
对于整条隧道而言，可以看出隧道平均浓度 随送排比的增大而降低，但隧道平均C0浓度值 随送排比的增大变化的幅度不大，而且平均浓度 值远小于隧道最高浓度值，因此，隧道通风效果的 好坏主要取决于隧道C0浓度最大值的高低，则 此时选择送排比为〇. 667〜1为最佳。综合考虑 隧道通风效果以及隧道通风经济效益，最终确定 排风速度为5〜
6m/s和送风速度为8〜
12m/s为
最优组合。
5
结论
(1) 隧道通风应考虑经济性，回流效应会
碍气流运动，从而造成能量的浪费。过大的送排 比会使短道产生回流效应，使得经济效益下降，不 利于节能。
(2)
小型车人员呼吸区即丑=1.4m平面
染状况更能反映各类车型人员呼吸区的污染情 况，送风速度一定时，该区域C0浓度极大值与平 均值都随排风速度呈梯度的变化，此时选择排风 速度为5〜6m/s既能满足人员卫生要求，又可降
低排风机能耗。
(3) 在确定排风量的情况下，送风量对隧
C0浓度最大值影响较大，而隧道通风效果的好坏
也主要取决于隧道C0浓度最大值的高低，送风
速度为8〜12m/s之间时，隧道污染最严重区域 的C0浓度值最小，通风效果最好a
(4) 综合考虑隧道通风效果以及隧道通风济效益，确定排风速度为5〜6m/s和送风速度为 8〜12m/s为最优组合s
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参考文献
流体机械
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