秦岭终南山特长公路隧道co浓度分布及通量场研究

秦岭终南山特长公路隧道co浓度分布及通量场研究

0隧道污染物浓度分布中国秦岭场南特种公路隧道全长18.02公里，是世界上最长的单向山地隧道。该隧道南洞口位于太峪河的一个S形弯河道北岸,隧道口周围四面环山,形成一个U形山沟,隧道南口受地形的阻挡形成相对封闭的局地小环境,见图1。另外受地形与现有铁路工程限制,该公路隧道的两南洞口中心点相距仅30m。该特长公路隧道采用纵向通风使隧道内污染物质量浓度(后文简称浓度)达到控制标准。采用纵向通风系统的隧道内污染物浓度分布特点是洞口排风污染物浓度最高,因此,在隧道建成后的营运中,从该隧道西线洞口排出的机动车污染物在洞口外的浓度分布对洞外局地环境及东线洞口进风空气质量的影响(是否在隧道口之间有污染物的回流)是评价公路隧道通风设计的经济性及洞口设计的环保性的重要方面。笔者将用流体力学和大气扩散的方法对洞口外污染物浓度的分布及两洞口之间污染物的回流进行数值分析研究,为该特长公路隧道通风和洞口的环保设计提供参考依据。1污染物浓度预测系数km1.1隧道洞外污染物的扩散机制从公路隧道口排出的污染物通过扩散(分子扩散和湍流扩散)、风的平流和化学转化3种机制在空气中传输、稀释和降减,但是,在如图1所示的公路隧道口周围小环境和在较短的时间内,认为洞口排出的污染物在化学上是惰性的,可以忽略污染物的化学转化过程;同时,与湍流扩散相比,分子扩散对污染物的稀释影响较小,也可以忽略。这样隧道洞口周围的污染物扩散机制是:湍流扩散和环境风引起污染物的传输(垂直方向传输为对流,水平方向为平流)。环境风引起的传输(对流或平流)是从污染源排放出的污染物最有效的扩散机制。公路隧道口周围的平流或对流运动受气象条件、隧道口的环境流场和隧道口通风气流的共同影响。一般在靠近隧道口处,风流明显与洞口建造物、路基和机动车的行驶方向等因素有关。对于特长公路隧道洞口排出的气流,还需考虑隧道排气温度与环境气温的差别。在冬季,从隧道排出的空气温度比环境气温高一些,而在夏季,从隧道排出的空气温度比环境气温低。这种温差或多或少会对隧道口排出的空气产生浮力抬升或抑制影响,从而影响隧道洞口附近污染物浓度的分布。1.2基本组成考虑上述环境影响,得隧道洞口排放的污染物在排放口附近的传输、扩散方程组。(1)密度因子lg的测量∂ρ∂t+∂(ρui)∂xi=0(1)∂ρ∂t+∂(ρui)∂xi=0(1)式中:ρ为流体介质的密度;t为时间;ui为坐标向的速度分量(某一时间间隔平均);xi为空间坐标,i=1、2、3,分别表示在正交坐标系中的3个坐标方向,当采用直角坐标时,x1=x,x2=y,x3=z。(2)静压-1f法∂(ρui)∂t+∂∂xi(ρuiuj)=-∂p∂xi+∂∂xj[μ1(∂ui∂xj+∂uj∂xi)-ρ¯u´iu´j]-fi(2)∂(ρui)∂t+∂∂xi(ρuiuj)=−∂p∂xi+∂∂xj[μ1(∂ui∂xj+∂uj∂xi)−ρu′iu′j¯¯¯¯¯¯]−fi(2)式中:μ1为动力粘度;p为静压强;fi为作用于单位体积元的外力(如机动车的活塞风效应或重力等);-ρ¯u´iu´j−ρu′iu′j¯¯¯¯¯¯为湍流运动产生的速度脉动(对公路隧道口环境,这些脉动不能忽略)。式(2)为雷诺(Reynolds)方程,是分析湍流运动的基本方程。(3)污染源扩散量计算∂(ρcj)∂t+∂∂xi(ρuicj)=∂∂xi(Gcj∂cj∂xi-ρ¯u´ic´j)+Scj(xi,t)(3)∂(ρcj)∂t+∂∂xi(ρuicj)=∂∂xi(Gcj∂cj∂xi−ρu′ic′j¯¯¯¯¯¯)+Scj(xi,t)(3)式中:cj为污染物的浓度;Gcj为层流扩散系数;-ρ¯u´ic´j−ρu′ic′j¯¯¯¯¯¯为湍流运动产生的速度脉动引起的污染物扩散量;Scj(xi,t)为污染源排放项。当不考虑机动车排放污染物的化学反应过程时,污染源排放项是线性的。(4)tttttt,t为介质及密度的测定∂(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为温度;cp为介质的质量定压热容;λT为导热系数;ST为热源的热排放率。(5)速度模型及约束条件对于湍流,可以考虑使用k-ε湍流方程,即湍流粘性模式,湍流能量k守恒方程为∂(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为单位质量流体速度变化的动能;Sck为常数;μt为湍流动力粘度;ε为湍流的耗散率;Tref为参考温度(或基准温度、起始温度)。在湍流方程中,除机械产生的项外,还有与温度相关的项,方程中与温度相关的项可模拟受热层流的特性。当运动为稳定层流动时,消耗湍流;当运动为不稳定层时,产生湍流。在湍流方程中,ε表示湍能变成热能的耗散率。与湍流方程类似,从速度变化守恒方程可导出耗散率ε为ε=μtρ(¯∂ui∂xj∂ui∂xj)(8)ε=μtρ(∂ui∂xj∂ui∂xj¯¯¯¯¯¯¯¯¯)(8)其守恒方程为∂(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为常数。Pm、Pt为从湍流能量产生的项。采用湍流能量耗散率守恒方程,除确定常数外,方程组是闭合的。根据式(5)、(9),可得到湍流动力粘度μt=d3d4ρk2ε(10)μt=d3d4ρk2ε(10)式中:d3、d4为常数。在实际应用中,需通过现场测试获得简单流场来确定式(1)~(10)中的相关常数。此外,还必须截断式(1)~(10)中方程组的非线性项,方可求解方程组。1.3简化求解方程对于本文中讨论的特长公路隧道南洞口的复杂地形,不可能得到较精确的流场分布函数,而从工程应用的角度考虑,可以采用弱化流场的模式,用连续方程确定流场,这样就可以对方程组进行高度简化。此外,在春、秋两季对同海拔高度公路隧道类比测得,隧道洞内外温度差在±4°C之间。由此可见,在多数情况下,公路隧道洞内外温差对洞口排气的浮力影响不明显,这可以进一步简化方程组。如果用连续方程确定在求解区域各计算点上的风速矢量,并忽略烟气的浮力作用,可忽略动量守恒雷诺方程、污染物成分热能方程和湍流方程。这种简化处理方法被称为预测诊断(Prognostic)技术。这样,求解方程组简化为∂ρ∂t+∂(ρui)∂xi=0(11)∂ρ∂t+∂(ρui)∂xi=0(11)∂(ρcj)∂t+∂∂xi(ρuicj)=∂∂xi(Gcj∂cj∂xi-ρ¯u´ic´j)+Scj(xi,t)(12)∂(ρcj)∂t+∂∂xi(ρuicj)=∂∂xi(Gcj∂cj∂xi−ρu′ic′j¯¯¯¯¯¯)+Scj(xi,t)(12)用式(11)确定流场,不考虑隧道内外温差浮力对污染物扩散的影响,可使污染物成分的守恒方程容易确定。式(11)、(12)组成的方程组是线性的,可用数值方法求解。2污染物浓度场解的方法2.1有限元法finiteelingmote考虑到所研究的公路隧道的两个南洞口中心相距仅30m,洞口周围地形(刚体边界)的复杂性,以及公路西线隧道洞口排出气流和公路东线洞口进气气流的影响等因素,采用有限元法(FiniteElementMethod)求近似数值解。与其他数值解法相比,有限元法可方便地处理偏微分方程的系数及边界条件。有限元法求解微分方程一般分为3步:①确定求解域Ω与边界ue014Ω的几何形状;②在求解域Ω建立有限个任意的三角网格;③离散求解偏微分方程和边界条件,形成求解网格点上未知函数的线性方程组并求其解。2.1.1南切口、东口部气流排放气由于研究的公路隧道采用纵向通风方案,隧道内宏观气流的方向与行车方向一致。西线隧道的南洞口处有污染气流排出,而东线隧道南洞口有气流流入。为了分析公路西线隧道南洞口排出的污染空气在洞口外的浓度分布,以及对公路东线隧道南口进气流空气质量的影响,采用的求解域Ω=40m×70m=2800m2的矩形域,见图2。2.1.2网格方程的配置求解域网格划分见图2(a)。图2中网格加密的地方是为了增加西洞口排放源或东洞口汇周围的精度考虑的。2.1.3生物污染边界求解域的边界条件:在地面和山体阻挡面采用Neumann边界(边界为不穿透,边界对污染物起阻挡作用);在无地形阻挡的求解域边界,采用Dirichlet边界条件(在边界上污染物自由交换)。2.1.4隧道洞排放速率公路西线隧道南洞口为污染物排放源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为公路西线隧道洞口外x1=5m处污染物浓度;U0为洞口排放速率;E1、E2分别为西线、东线洞口的横截面积。在公路东线隧道南洞口有气流进入洞口,形成负排放源(汇)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为公路东线隧道南洞口进风速率。2.2计算与分析2.2.1co通量场分析为了分析公路隧道两洞口之间污染物流向对隧道通风的影响和工程减缓措施,设想在公路隧道两洞口之间设1个10m高的障碍物(墙体)作对比分析,网格划分见图2(b)。图3、4分别为隧道南洞口在无阻隔物和加阻隔墙体时,西线隧道洞口排放污染物在洞口外(x1=5m)形成的CO浓度场与污染物流向(CO梯度场),图3、4中矢量箭头表示CO的流向,矢线杆长度表示CO流量的大小。图3表明:公路隧道排污产生的CO浓度分布由洞口的高浓度向四周衰减。由于地面和西侧(图3中左侧)地形阻挡,形成局部相对高的CO浓度,而在天空方向和东侧,CO浓度随距离的增加衰减十分明显;同时,从CO梯度场看,西线隧道洞口排污对东线洞口有明显的影响。显然,从公路东线隧道洞口吸入过多的污染物会加大东线隧道的通风量,从而增加通风的营运成本。图4表明:在公路隧道的两个洞口之间做适当的阻隔,会有效地改变CO的浓度分布和流向。设置阻挡措施可使公路东线隧道南洞口CO浓度从23.2mg·m-3降到8.8mg·m-3。为进一步分析隧道洞口附近CO流向与流量,图5、6分别描述了隧道南洞口之间无阻挡和有墙体阻挡时CO的通量场。图5清楚显示出有来自公路西线隧道洞口的CO流入公路东线隧道洞口;而图6表明:在两洞口之间加阻隔墙后,明显改变了CO通量分布,有效地削弱了进入东线隧道南洞口的CO量。2.2.2co浓度平面分布用相同的计算方法,计算了公路隧道南洞口CO浓度平面分布(x3=0)。与计算纵断面分布不同的是,在选取的平面求解域中,考虑了隧道外公路上机动车排放污染物的影响。选取的平面求解域的范围为110m×90m=9900m2。计算的公路隧道南洞口求解域CO浓度平面分布见图7。由图7可见:西线隧道南洞口排出的CO有一部分进入东线隧道洞口。与纵断面CO浓度分布不同,和隧道连接的公路上机动车排放污染物对洞口附近CO平面分布有一定影响。图8是在隧道两南洞口之间插入长50m、高10m的阻隔墙后,洞口外CO浓度平面分布。与图7相比,图8显示出阻隔墙对洞口外CO浓度分布的影响过程和对东洞口进入隧道空气污染物的减少效果。3隧道洞外污染物(1)建立了隧道洞口环境污染物扩散微分方程组,并针