秦嶺終南山特長公路隧道co濃度分布及通量場研究

秦嶺終南山特長公路隧道co濃度分布及通量場研究

0隧道污染物濃度分布中國秦嶺場南特種公路隧道全長18.02公里，是世界上最長的單向山地隧道。該隧道南洞口位于太峪河的一個S形彎河道北岸,隧道口周圍四面環(huán)山,形成一個U形山溝,隧道南口受地形的阻擋形成相對封閉的局地小環(huán)境,見圖1。另外受地形與現(xiàn)有鐵路工程限制,該公路隧道的兩南洞口中心點相距僅30m。該特長公路隧道采用縱向通風(fēng)使隧道內(nèi)污染物質(zhì)量濃度(后文簡稱濃度)達到控制標(biāo)準。采用縱向通風(fēng)系統(tǒng)的隧道內(nèi)污染物濃度分布特點是洞口排風(fēng)污染物濃度最高,因此,在隧道建成后的營運中,從該隧道西線洞口排出的機動車污染物在洞口外的濃度分布對洞外局地環(huán)境及東線洞口進風(fēng)空氣質(zhì)量的影響(是否在隧道口之間有污染物的回流)是評價公路隧道通風(fēng)設(shè)計的經(jīng)濟性及洞口設(shè)計的環(huán)保性的重要方面。筆者將用流體力學(xué)和大氣擴散的方法對洞口外污染物濃度的分布及兩洞口之間污染物的回流進行數(shù)值分析研究,為該特長公路隧道通風(fēng)和洞口的環(huán)保設(shè)計提供參考依據(jù)。1污染物濃度預(yù)測系數(shù)km1.1隧道洞外污染物的擴散機制從公路隧道口排出的污染物通過擴散(分子擴散和湍流擴散)、風(fēng)的平流和化學(xué)轉(zhuǎn)化3種機制在空氣中傳輸、稀釋和降減,但是,在如圖1所示的公路隧道口周圍小環(huán)境和在較短的時間內(nèi),認為洞口排出的污染物在化學(xué)上是惰性的,可以忽略污染物的化學(xué)轉(zhuǎn)化過程;同時,與湍流擴散相比,分子擴散對污染物的稀釋影響較小,也可以忽略。這樣隧道洞口周圍的污染物擴散機制是:湍流擴散和環(huán)境風(fēng)引起污染物的傳輸(垂直方向傳輸為對流,水平方向為平流)。環(huán)境風(fēng)引起的傳輸(對流或平流)是從污染源排放出的污染物最有效的擴散機制。公路隧道口周圍的平流或?qū)α鬟\動受氣象條件、隧道口的環(huán)境流場和隧道口通風(fēng)氣流的共同影響。一般在靠近隧道口處,風(fēng)流明顯與洞口建造物、路基和機動車的行駛方向等因素有關(guān)。對于特長公路隧道洞口排出的氣流,還需考慮隧道排氣溫度與環(huán)境氣溫的差別。在冬季,從隧道排出的空氣溫度比環(huán)境氣溫高一些,而在夏季,從隧道排出的空氣溫度比環(huán)境氣溫低。這種溫差或多或少會對隧道口排出的空氣產(chǎn)生浮力抬升或抑制影響,從而影響隧道洞口附近污染物濃度的分布。1.2基本組成考慮上述環(huán)境影響,得隧道洞口排放的污染物在排放口附近的傳輸、擴散方程組。(1)密度因子lg的測量?ρ?t+?(ρui)?xi=0(1)?ρ?t+?(ρui)?xi=0(1)式中:ρ為流體介質(zhì)的密度;t為時間;ui為坐標(biāo)向的速度分量(某一時間間隔平均);xi為空間坐標(biāo),i=1、2、3,分別表示在正交坐標(biāo)系中的3個坐標(biāo)方向,當(dāng)采用直角坐標(biāo)時,x1=x,x2=y,x3=z。(2)靜壓-1f法?(ρui)?t+??xi(ρuiuj)=-?p?xi+??xj[μ1(?ui?xj+?uj?xi)-ρˉu′iu′j]-fi(2)?(ρui)?t+??xi(ρuiuj)=??p?xi+??xj[μ1(?ui?xj+?uj?xi)?ρu′iu′jˉˉˉˉˉˉ]?fi(2)式中:μ1為動力粘度;p為靜壓強;fi為作用于單位體積元的外力(如機動車的活塞風(fēng)效應(yīng)或重力等);-ρˉu′iu′j?ρu′iu′jˉˉˉˉˉˉ為湍流運動產(chǎn)生的速度脈動(對公路隧道口環(huán)境,這些脈動不能忽略)。式(2)為雷諾(Reynolds)方程,是分析湍流運動的基本方程。(3)污染源擴散量計算?(ρcj)?t+??xi(ρuicj)=??xi(Gcj?cj?xi-ρˉu′ic′j)+Scj(xi,t)(3)?(ρcj)?t+??xi(ρuicj)=??xi(Gcj?cj?xi?ρu′ic′jˉˉˉˉˉˉ)+Scj(xi,t)(3)式中:cj為污染物的濃度;Gcj為層流擴散系數(shù);-ρˉu′ic′j?ρu′ic′jˉˉˉˉˉˉ為湍流運動產(chǎn)生的速度脈動引起的污染物擴散量;Scj(xi,t)為污染源排放項。當(dāng)不考慮機動車排放污染物的化學(xué)反應(yīng)過程時,污染源排放項是線性的。(4)tttttt,t為介質(zhì)及密度的測定?(ρΤ)?t+??xi(ρuiΤ)=?cp?xi(λΤ?Τ?xi-ρΤ′u′iΤ′)+SΤ(4)?(ρT)?t+??xi(ρuiT)=?cp?xi(λT?T?xi?ρT′u′iT′)+ST(4)式中:T為溫度;cp為介質(zhì)的質(zhì)量定壓熱容;λT為導(dǎo)熱系數(shù);ST為熱源的熱排放率。(5)速度模型及約束條件對于湍流,可以考慮使用k-ε湍流方程,即湍流粘性模式,湍流能量k守恒方程為?(ρk)?t+?(ρuik)?xi=?Sck?xi(μt?k?xi)+Ρm+Ρt-ρε(5)?(ρk)?t+?(ρuik)?xi=?Sck?xi(μt?k?xi)+Pm+Pt?ρε(5)Ρm=μt(?ui?xj+?uj?xi)?ui?xj(6)Pm=μt(?ui?xj+?uj?xi)?ui?xj(6)Ρt=μtgiΤref?Τ?xi(7)Pt=μtgiTref?T?xi(7)式中:k為單位質(zhì)量流體速度變化的動能;Sck為常數(shù);μt為湍流動力粘度;ε為湍流的耗散率;Tref為參考溫度(或基準溫度、起始溫度)。在湍流方程中,除機械產(chǎn)生的項外,還有與溫度相關(guān)的項,方程中與溫度相關(guān)的項可模擬受熱層流的特性。當(dāng)運動為穩(wěn)定層流動時,消耗湍流;當(dāng)運動為不穩(wěn)定層時,產(chǎn)生湍流。在湍流方程中,ε表示湍能變成熱能的耗散率。與湍流方程類似,從速度變化守恒方程可導(dǎo)出耗散率ε為ε=μtρ(ˉ?ui?xj?ui?xj)(8)ε=μtρ(?ui?xj?ui?xjˉˉˉˉˉˉˉˉˉ)(8)其守恒方程為?(ρε)?t+?(ρuiε)?xi=1Scε??xi(μt?ε?xi)+d1εk(Ρm+Ρt)-d2ρε2k(9)?(ρε)?t+?(ρuiε)?xi=1Scε??xi(μt?ε?xi)+d1εk(Pm+Pt)?d2ρε2k(9)式中:Scε、d1、d2為常數(shù)。Pm、Pt為從湍流能量產(chǎn)生的項。采用湍流能量耗散率守恒方程,除確定常數(shù)外,方程組是閉合的。根據(jù)式(5)、(9),可得到湍流動力粘度μt=d3d4ρk2ε(10)μt=d3d4ρk2ε(10)式中:d3、d4為常數(shù)。在實際應(yīng)用中,需通過現(xiàn)場測試獲得簡單流場來確定式(1)~(10)中的相關(guān)常數(shù)。此外,還必須截斷式(1)~(10)中方程組的非線性項,方可求解方程組。1.3簡化求解方程對于本文中討論的特長公路隧道南洞口的復(fù)雜地形,不可能得到較精確的流場分布函數(shù),而從工程應(yīng)用的角度考慮,可以采用弱化流場的模式,用連續(xù)方程確定流場,這樣就可以對方程組進行高度簡化。此外,在春、秋兩季對同海拔高度公路隧道類比測得,隧道洞內(nèi)外溫度差在±4°C之間。由此可見,在多數(shù)情況下,公路隧道洞內(nèi)外溫差對洞口排氣的浮力影響不明顯,這可以進一步簡化方程組。如果用連續(xù)方程確定在求解區(qū)域各計算點上的風(fēng)速矢量,并忽略煙氣的浮力作用,可忽略動量守恒雷諾方程、污染物成分熱能方程和湍流方程。這種簡化處理方法被稱為預(yù)測診斷(Prognostic)技術(shù)。這樣,求解方程組簡化為?ρ?t+?(ρui)?xi=0(11)?ρ?t+?(ρui)?xi=0(11)?(ρcj)?t+??xi(ρuicj)=??xi(Gcj?cj?xi-ρˉu′ic′j)+Scj(xi,t)(12)?(ρcj)?t+??xi(ρuicj)=??xi(Gcj?cj?xi?ρu′ic′jˉˉˉˉˉˉ)+Scj(xi,t)(12)用式(11)確定流場,不考慮隧道內(nèi)外溫差浮力對污染物擴散的影響,可使污染物成分的守恒方程容易確定。式(11)、(12)組成的方程組是線性的,可用數(shù)值方法求解。2污染物濃度場解的方法2.1有限元法finiteelingmote考慮到所研究的公路隧道的兩個南洞口中心相距僅30m,洞口周圍地形(剛體邊界)的復(fù)雜性,以及公路西線隧道洞口排出氣流和公路東線洞口進氣氣流的影響等因素,采用有限元法(FiniteElementMethod)求近似數(shù)值解。與其他數(shù)值解法相比,有限元法可方便地處理偏微分方程的系數(shù)及邊界條件。有限元法求解微分方程一般分為3步:①確定求解域Ω與邊界ue014Ω的幾何形狀;②在求解域Ω建立有限個任意的三角網(wǎng)格;③離散求解偏微分方程和邊界條件,形成求解網(wǎng)格點上未知函數(shù)的線性方程組并求其解。2.1.1南切口、東口部氣流排放氣由于研究的公路隧道采用縱向通風(fēng)方案,隧道內(nèi)宏觀氣流的方向與行車方向一致。西線隧道的南洞口處有污染氣流排出,而東線隧道南洞口有氣流流入。為了分析公路西線隧道南洞口排出的污染空氣在洞口外的濃度分布,以及對公路東線隧道南口進氣流空氣質(zhì)量的影響,采用的求解域Ω=40m×70m=2800m2的矩形域,見圖2。2.1.2網(wǎng)格方程的配置求解域網(wǎng)格劃分見圖2(a)。圖2中網(wǎng)格加密的地方是為了增加西洞口排放源或東洞口匯周圍的精度考慮的。2.1.3生物污染邊界求解域的邊界條件:在地面和山體阻擋面采用Neumann邊界(邊界為不穿透,邊界對污染物起阻擋作用);在無地形阻擋的求解域邊界,采用Dirichlet邊界條件(在邊界上污染物自由交換)。2.1.4隧道洞排放速率公路西線隧道南洞口為污染物排放源Scj(xi,t)={cj0U0(x2,x3)∈E10(x2,x3)?E1,(x2,x3)?E2(13)Scj(xi,t)={cj0U0(x2,x3)∈E10(x2,x3)?E1,(x2,x3)?E2(13)式中:cj0為公路西線隧道洞口外x1=5m處污染物濃度;U0為洞口排放速率;E1、E2分別為西線、東線洞口的橫截面積。在公路東線隧道南洞口有氣流進入洞口,形成負排放源(匯)Scj(xi,t)={-cjUE2(x2,x3)∈E20(x2,x3)?E1,(x2,x3)?E2(14)Scj(xi,t)={?cjUE2(x2,x3)∈E20(x2,x3)?E1,(x2,x3)?E2(14)式中:UE2為公路東線隧道南洞口進風(fēng)速率。2.2計算與分析2.2.1co通量場分析為了分析公路隧道兩洞口之間污染物流向?qū)λ淼劳L(fēng)的影響和工程減緩措施,設(shè)想在公路隧道兩洞口之間設(shè)1個10m高的障礙物(墻體)作對比分析,網(wǎng)格劃分見圖2(b)。圖3、4分別為隧道南洞口在無阻隔物和加阻隔墻體時,西線隧道洞口排放污染物在洞口外(x1=5m)形成的CO濃度場與污染物流向(CO梯度場),圖3、4中矢量箭頭表示CO的流向,矢線桿長度表示CO流量的大小。圖3表明:公路隧道排污產(chǎn)生的CO濃度分布由洞口的高濃度向四周衰減。由于地面和西側(cè)(圖3中左側(cè))地形阻擋,形成局部相對高的CO濃度,而在天空方向和東側(cè),CO濃度隨距離的增加衰減十分明顯;同時,從CO梯度場看,西線隧道洞口排污對東線洞口有明顯的影響。顯然,從公路東線隧道洞口吸入過多的污染物會加大東線隧道的通風(fēng)量,從而增加通風(fēng)的營運成本。圖4表明:在公路隧道的兩個洞口之間做適當(dāng)?shù)淖韪?會有效地改變CO的濃度分布和流向。設(shè)置阻擋措施可使公路東線隧道南洞口CO濃度從23.2mg·m-3降到8.8mg·m-3。為進一步分析隧道洞口附近CO流向與流量,圖5、6分別描述了隧道南洞口之間無阻擋和有墻體阻擋時CO的通量場。圖5清楚顯示出有來自公路西線隧道洞口的CO流入公路東線隧道洞口;而圖6表明:在兩洞口之間加阻隔墻后,明顯改變了CO通量分布,有效地削弱了進入東線隧道南洞口的CO量。2.2.2co濃度平面分布用相同的計算方法,計算了公路隧道南洞口CO濃度平面分布(x3=0)。與計算縱斷面分布不同的是,在選取的平面求解域中,考慮了隧道外公路上機動車排放污染物的影響。選取的平面求解域的范圍為110m×90m=9900m2。計算的公路隧道南洞口求解域CO濃度平面分布見圖7。由圖7可見:西線隧道南洞口排出的CO有一部分進入東線隧道洞口。與縱斷面CO濃度分布不同,和隧道連接的公路上機動車排放污染物對洞口附近CO平面分布有一定影響。圖8是在隧道兩南洞口之間插入長50m、高10m的阻隔墻后,洞口外CO濃度平面分布。與圖7相比,圖8顯示出阻隔墻對洞口外CO濃度分布的影響過程和對東洞口進入隧道空氣污染物的減少效果。3隧道洞外污染物(1)建立了隧道洞口環(huán)境污染物擴散微分方程組,并針