公路隧道双组送排通风方式下的污染物浓度分布研究

公路隧道双组送排通风方式下的污染物浓度分布研究

何金山

中铁六局 100036

摘要：公路隧道双组通风井送排式纵向通风方式增加了纵向通风适用长度，但运营通风能耗巨大。为了优化隧道双组通风井送排式纵向通风方式的运营通风控制，降低运营通风能耗，文章针对某6300m的公路隧道，运用数值仿真软件建立考虑车辆CO排放的1:1比尺的双组通风井送排式通风仿真模型，分析1#、2#通风井送、排风量Q_b1、Q_b2、Q_e1、Q_e2对隧道内污染物浓度的分布的影响规律，并以进入隧道总新风量Q_in为隧道通风效果评价指标。研究表明， Q_b1、Q_b2、Q_e1、Q_e2对隧道通风效率的影响程度主次顺序为：Q_b2→Q_b1→Q_e1→Q_e2，通过调节Q_b2或Q_b1可快速提高进入隧道的新鲜风量，改善隧道运营环境，提高通风效率。

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1引言

公路隧道通风井送排组合纵向通风方式^[1]，通过通风井将隧道分区段进行换气通风，有效解决了纵向通风适用长度的难题，被广泛应用于长大公路隧道的通风设计中。其中，多组通风井送排组合通风方式因其适用长度更长而被应用于多条长大隧道的通风设计，如秦岭终南山特长公路隧道采用三组通风井送排组合纵向通风，太原西山隧道、苍山隧道采用双组通风井送排组合纵向通风等，这些长大公路隧道的建成运营推动了通风井送排式通风方式的理论研究与应用。

针对隧道通风井纵向通风方式的研究主要集中于通风方式的可行性研究与通风系统的局部结构优化方面，而针对通风井送、排风量控制对隧道内污染物浓度分布影响的研究较少。因此，本文针国内某特长公路隧道的双组通风井纵向通风方式，运用流体动力学计算方法，研究两组通风井送、排风量控制的交互作用，并分析其对隧道内污染物浓度分布的影响规律。

2通风井送排式通风方式数值仿真模型

国内某特长公路隧道上行线全长6314m，纵坡为2.2%，通风设计参数如表1所示，拟采用双通风井送排式通风方式，如图1所示。

表1 通风设计参数

图1隧道双组通风井送排式通风方式示意图

图中：Q₁——排风段L1通风量；

Q₂——送排风段L2通风量；

Q₃——排风段L3通风量；

Q_s1——短道段Ls1通风量；

Q_s2——短道段Ls2通风量；

Q_e1——1#通风井排风量；

Q_b1——1#通风井送风量；

Q_e2——2#通风井排风量；

Q_b2——2#通风井送风量；

如图1所示，该通风方式下1#通风井与2#通风井将隧道分为3个主要通风段，即排风段L1、送排风段L2、排风段L3，并在每组通风井排风口与送风口之间形成短道段，即1#短道段Ls1、2#短道段Ls2。新鲜空气分别经由隧道入口、通风井送风口送入隧道；隧道内污染物分别经由通风井排风口、隧道出口排出，进入隧道的新鲜风总量Q_in如式（1）所示。

（1）

2.1 模型建立

根据该特长隧道的结构参数，运用fluent流体力学数值仿真软件建立与原型1:1比尺的双通风井送排式通风方式三维数值仿真模型，以CO作为示踪污染物，其仿真模型示意图如图2所示。

图2 双通风井送排式通风方式数值仿真模型示意图

2.2 模型验证

为了验证隧道通风井送排式通风方式数值仿真模型的合理性，针对秦岭终南山特长公路隧道西线三通风井送排式通风方式的现场实测工况，建立1:1比尺的数值仿真模型，现场实测工况如表3所示。

表3实测工况表

测试断面布置情况如图3所示。断面TS1位于隧道排风段，断面TS2位于1#和2#间的送排风段，断面TS3位于2#和3#间的送排风段，断面TS4位于送风段。

图3现场实测风速断面布置图

秦岭终南山特长公路隧道西线全长18020m，隧道沿程阻力系数 。如表4所示，数值仿真模型计算结果与现场实测结果得到隧道各通风段风速基本吻合，其CO质量浓度分布如图4所示。

表4数值仿真结果与实测结果对比

2.3 计算结果分析

双通风井纵向通风方式下，由于1#、2#通风井在隧道内的相对位置不同，因此1#、2#竖井送排风量Q_b1、Q_e1、Q_b2、Q_e2对隧道内污染物分布规律的影响不同。下面分别调整两组送风量Q_b1与Q_b2和通风井排风量Q_e1与Q_e2，对隧道内CO浓度分布进行对比分析，研究两组通风井送排风系统不同工况下对隧道内污染物分布的影响规律，分析隧道通风换气效率，进而优化通风控制方案。

工况1：固定2#通风井送、排风量Q_b2、Q_e2，固定1#通风井排风风量Q_e1，调整1#通风井送风风量Q_b1。由图5的计算结果可知，增加位于近隧道入口1#通风井送风量Q_b1，可有效降低其下游通风段污染物浓度。

图4双通风井通风方式下隧道内CO质量浓度分布图

图5 1#通风井送风量Q_b1变化对隧道内CO体积浓度分布影响

工况2：固定1#通风井送、排风量Q_b1、Q_e1，固定2#通风井排风量Q_e2，调整2#通风井送风量Q_b2。由图6 可发现，增加位于近隧道出口口的2#通风井送风量Q_b2可有效降低隧道内污染物浓度，改善隧道运营环境。

图6 2#通风井送风量Q_b2变化对隧道内CO体积浓度分布影响

工况3：固定2#通风井送、排风量Q_b2、Q_e2，固定1#通风井送风量Q_b1，调整1#通风井排风量Q_e1，计算工况如图7所示。由图7可知，增加位于近隧道入口1#通风井排风量Q_e1，仅能够有效降低其上游通风段污染物浓度，而对其下游通风段污染物浓度分布影响甚微。

图7 1#通风井排风量Q_e1变化对隧道内CO体积浓度分布受影响

工况4：固定1#通风井送、排风量Q_b1、Q_e1，固定2#通风井送风量Q_b2，调整2#通风井排风量Q_e2。通过图8可以看出，增加位于近隧道出口的2#通风井排风量Q_e2，仅能够降低其上游通风段污染物浓度，但会引起其下游通风段污染物浓度的增加。

图8 2#通风井排风量Q_e2变化对隧道内CO体积浓度受影响

3通风效率分析

双通风井送排式通风方式下，1#、2#通风井送、排风量变对隧道内通风动力的影响各不相同，即对进入隧道的新鲜风量的影响各不相同，采用正交对比法对Q_b1、Q_e1、Q_b2、Q_e2 4个因素对隧道通风效果的影响规律进行分析，可以看出影响因素的主次顺序为：Q_b2→Q_b1→Q_e1→Q_e2。通风控制过程中，通过调节Q_b2或Q_b1可快速提高进入隧道的新鲜风量，改善隧道运营环境，提高通风效率。

4 结论

针对公路隧道双通风井送排组合通风方式，采用数值仿真方法，研究了1#、2#通风井送、排风量Q_b1、Q_e1、Q_b2、Q_e2对隧道内污染物浓度分布规律的影响，对隧道通风效果影响程度的主次顺序为：Q_b2→Q_b1→Q_e1→Q_e2，因此在通风控制过程中，增加Q_b2 、Q_b1以达到有效减低隧道污染物浓度，提高通风效率。

参考文献

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