0 引言
公路隧道是缓解城市交通压力的重要手段，其建设数量以及长度呈迅速增长趋势［1］，中国已经是全世界隧道和地下工程数量最多、发展速度最快的国家［2］，2010—2013 年隧道总里程与座数的增长率分别为46． 7%和35． 0%［3］。然而，公路隧道是一个相对密闭的空间，本身不利于污染物的扩散，另外，城市交通量的增长也给隧道污染物的治理提高了难度，容易造成洞口附近污染物质量浓度超标［4］。
随着人们环保意识的提高，对隧道等地下工程污染排放问题的关注度也逐渐提高。有研究指出，对于长大公路隧道，仅仅依靠通风稀释和增加竖井的方式来控制隧道污染物质量浓度，其技术经济性很差［5 － 7］，也难以满足城市用地、景观以及其他环保方面的要求［8］。用机械通风与隧道空气净化相结合的方式是治理公路隧道空气污染的一个发展方向［5，9］。
目前国际上对于隧道空气的净化和过滤采用的主要技术是活性炭吸附、溶液吸收以及静电除尘ESP 技术，具体的安装形式为旁通式、吊顶式以及洞口通风塔［10］。净化站设计的出发点主要是保障隧道内能见度以及对隧道洞口污染物排放的控制，详细见表1。而当发生火灾时，净化站处于关闭，由隧道纵向射流通风系统营造抑制烟气扩散的临界风速。
表1 国际上净化过滤装置的安装形式
20 世纪90 年代重庆大学与四川省交通厅合作，开展了隧道空气净化器的研究。研究表明，在实验室条件下脉冲电晕放电技术能有效去除粉尘和CO［2，6］。另外，由纳米技术及应用国家工程研究中心牵头的“十一五”国家科技支撑计划“道路隧道空气治理关键技术研究及示范工程应用”，建立了模拟试验台，实现了“静电除尘、CO 常温催化氧化、HC 和NOx 吸附净化”为一体的过滤净化技术［5 － 6］。
从国内外研究进展来看，隧道空气过滤净化方面的研究主要集中在净化和过滤技术本身，研究重点主要是净化、过滤效率和阻力情况。从实际应用情况来看，国内还没有实际投入使用的隧道空气过滤净化设备，国际上“旁通式”净化站是主要应用形式之一。然而在净化站的气流组织以及污染物的处理效果方面［9］，有些问题目前还缺乏相关研究，具体体现为: 1) 旁通式净化站能否达到设计要求引入足够的隧道风量，其受主隧道环境的影响有多大。2) 该段隧道是否会发生空气短路，出现回流现象。3) 净化站如何运行才能实现最好的净化效果。上述问题对隧道净化站的设计和运行都非常重要。针对上述问题，本文建立包括主隧道、旁通风道的CFD数值模型，对主隧道和旁通式净化站的气流组织、污染物分布进行研究，评估其净化处理效果，以期为地下工程通风和净化的模拟研究提供借鉴。
1 模型和方法
1． 1 净化站结构
图1 为旁通式净化站的结构。该净化站共有2条旁通风道，每条旁通风道主要阻力和动力构件包括: 静电除尘器、NO2过滤器( 活性炭) 、轴流风机、消声器以及配套的其他通风设备。该净化站运行时，轴流风机开启，从主隧道中引入部分风量，经过静电除尘器、NO2过滤器等部件过滤净化后排入主隧道与来流空气混合。
图1 旁通式净化站结构
1． 2 数学模型
本文通过数值模拟的方法，对隧道空气的气流组织以及净化效果进行研究。连续性方程和动量方程描述隧道空气流动情况，自定义标量方程描述污染物的扩散和传播过程。控制方程如下。
另外，为研究整段隧道的气流组织和总体净化效果，本文定义了净化风量比和总净化效率2 个概念，见式( 6) 和式( 7) 。
1． 3 几何模型以及边界条件
模拟对象为旁通式净化站以及主隧道局部段，图2 为该局部对象的CFD 几何模型和网格划分情况，净化站上游、下游主隧道的长度为200 m，主隧道为矩形截面，隧道高度为6． 6 m，宽度为17． 5 m，旁通风道的长度约为145 m。网格划分采用六面体结构化网格，数量约为28 万个，网格最大扭曲率小于0． 67，另外通过设置边界层网格，保证壁面无量纲距离y + 约为105。六面体网格的划分可以节省网格数量、[(I)-347(4提高网格质量，既保证计算精度又节省计算资源。
图2 CFD 几何模型以及网格划分( 单位: m)
湍流模型采用ＲNG k － ε 模型，壁面为无滑移壁面，粗糙度为2． 5 mm，壁面函数采用标准壁面函数，主隧道的出入口采用压力边界。净化站中设备的阻力采用一维的Porous Jump 模型进行模拟，由式( 8)描述。旁通风道中的突扩、突缩以及三通弯头等，通过直接几何建模的方式来描述其阻力情况。轴流风机通过风机性能曲线进行描述。边界条件设置汇总见表2。
式中: Δp 为通过阻力部件后的压降，Pa; C2为压降系数，量纲一的量; ρ 为空气密度，kg /m3 ; v 为空气流速，m/s; Δm 为阻力介质的长度，m。
表2 边界条件
1． 4 净化器模型
在众多的CFD 代码中并没有直接用于模拟净化器的模块，为模拟旁通风道中的NO2净化器，本文通过自定义函数编程的方法( UDF 方法) 修改自定义标量方程式( 5) 中的源项，建立了NO2净化器( 活性炭)的计算模型，如图3 所示。由于该净化站的结构并非单一风道，隧道空气可能在主隧道出现回流的现象，即净化器入口上游污染物质量浓度随着计算迭代的进行而不断变化，故在CFD 迭代计算过程中，为正确表达NO2的净化效率，需要根据每个迭代步计算得到的污染物质量浓度计算NO2的源项( 汇) ，该源项的大小取决于入口污染物质量浓度以及来流风量。
图3 NO2净化模型和CFD 计算迭代流程
1． 5 模型工具与验证
在进行旁通式净化站的数值计算前，本文对所采用的FLUENT 软件进行模拟验证。
模拟的对象为美国“纪念隧道”( The MemorialTunnel) ，该隧道长度为853 m，隧道断面为拱形截面，隧道出入口段为矩形截面。MTFVTP 项目［11］ ( MemorialTunnel Fire Ventilation Test Program) 对该隧道进行了大量的实验测试，在冷态通风实验测试中，隧道分布5 组相同的射流风机，每组3 台，见图4。
图4 美国纪念隧道射流风机布置
主要测试内容为射流风机开启数量与其诱导的隧道纵断面风量的关系。实验结果和本文所采用FLUETN 软件的模拟结果对比如表3 所示。
表3 实验与CFD 模拟结果对比
在冷态通风实验中，实际上隧道内还放置了用于火灾实验的设备，且隧道壁面较粗糙，由于无法获取这些要素的信息，在模拟中没有考虑，故模拟结果较实验测试结果偏高。
2 计算结果与分析
2． 1 旁通站气流组织
对于旁通式净化站的设计，隧道空气气流组织状况如何，是否发生“回流”是设计者非常关心的一个问题，因为该现象关系到污染物在隧道中的传播以及净化站的处理效果。当pt 设置为5 Pa 的情况下( 下文中pt 均表示主隧道入口总压) ，旁通式净化站的气流组织情况如图5 所示。
图5 旁通式净化站气流组织( pt = 5 Pa)
从图5( a) 和5( d) 可以看到，大部分的隧道空气被引入到2 条旁通风道中，随后排回主隧道中，远离旁通风道的主隧道侧壁出现明显的回流现象。从图5( c) 矢量图中，更加明显地观察到主隧道出现了多个局部涡旋，旁通风道排回主隧道的空气撞击侧壁面后发生回流，沿着侧壁面往上游流动。另外，图中该处风速非常小，这是因为净化站的存在打断了隧道连续通风排污的条件，使得与净化站平行的主隧道段局部通风量小，故此处容易出现局部污染质量浓度升高的情况，在进行通风净化系统设计的时候应该校核此处的污染物质量浓度，特别是阻塞工况。从图5( b) 可以看到，主隧道的压力分布范围比较窄，而旁通风道压力分布差异明显，最低压力约为－ 1 160 Pa，最高压力可达543 Pa。另外，空气流经各个阻力构件后压力下降明显。
监测各主要断面流量发现，旁通风道2 台风机的流量均为216． 2 m3 /s，主隧道空气流量为335． 1 m3 /s。比较可以判断，当主隧道入口总压为5 Pa 时，主隧道( 与旁通风道对应主隧道段) 空气净流量为负值，即该隧道段空气总体流动趋势为从下游( 旁通风道出口)流向上游( 旁通风道入口) 。
为进一步分析主隧道对旁通式净化站轴流风机运行情况的影响，设置了不同的计算工况( 见表4) ，边界条件的设置同表2，计算结果见图6。
由图6 可以看出，当主隧道入口总压逐渐增大时，旁通风道内的2 台轴流风机的风量几乎不变( 约为216 m3 /s) ，可认为轴流风机的运行几乎不受主隧道环境的影响，这是因为旁通风道的各个部件的阻力远大于主隧道，风机的工作状态点主要由旁通风道自身的阻力决定，也正因如此，净化站的压力变化范围远大于主隧道。
表4 计算工况
图6 主要断面风量及净化风量比
图6 表明，当主隧道入口总压增大时，主隧道出口的风量增大，由于旁通风道轴流风机风量几乎不变，净化风量比逐渐下降。当净化风量比高于100%时，说明主隧道来流风量较小，旁通风道对应的“主隧道段”空气净流量为负值，总体流动为下游流向上游，出现“回流”现象。当净化风量比小于100%时，净化站只引入部分隧道空气，旁通风道对应的“主隧道段”空气净流量为正值，总体流动为从上游流动到下游。
不同入口总压下主隧道流场见图7。可以看出，当主隧道入口总压大于10 Pa 时，净化风量已经小于100%，主隧道段总体流动为上游流向下游，依然出现“回流”现象，特别是远离旁通风道的主隧道侧壁面，出现空气贴壁回流的现象。
2． 2 旁通站净化效果
在隧道实际运行中通过控制主隧道的来流风量，可保证较高的净化风量比，但是不同的来流风量通风稀释效果不同。高净化风量比意味着较差的通风稀释效果。NO2净化效果见图8。以NO2污染气体为例，设置了表4 相同的7 个工况，研究该净化站的净化效果。
隧道入口处NO2的释放量均为1 000 mg /s，壁面处污染物扩散通量为0，NO2净化器的净化效率设置为80%。当主隧道空气进入旁通风道，经过NO2净化器处理后显著降低，该工况下短旁通风道受到“回流”影响，其入口NO2质量浓度较长旁通风道低，2条净化风道的负荷不同。计算结果见图9 及表5。
图7 不同入口总压下主隧道流场
图8 NO2净化效果( 工况0，pt = 0)
图9 隧道进出口NO2质量浓度、总净化效率
表5 各工况下NO2质量浓度以及总净化效率
从图9 及表5 可以看出，当入口总压增大时，入口处NO2质量浓度逐渐降低，这是因为随着入口总压增大，隧道进出口压差增大，导致主隧道风量增大( 见图6 主隧道风量) ，通风的稀释效果增强。另外，随着入口总压增大，隧道出口NO2质量浓度呈现先减小后增大的趋势; NO2的总净化效率随着来流风量的增大而降低。当入口总压为10 Pa 时，出口处的NO2质量浓度最低，为0． 474 mg /m3，此时NO2总净化效率为79． 76%。考虑通风稀释以及净化效果2 种因素的作用，当净化风量等于来流风量时，即净化风量比为100%时，旁通式净化站的净化效果最好。
2 条旁通风道NO2净化器入口的质量浓度监测结果( 见表5) 表明: 1) 当入口总压≤10 Pa 时，2 条旁通风道的入口质量浓度不一致，短旁通风道受到回流的影响较大，其入口质量浓度较低; 2) 当入口总压≥15 Pa 时，对短旁通风净化器入口的NO2质量浓度几乎没有影响。
3 结论与建议
本文通过数值模拟的方法，对城市公路隧道旁通式净化站进行CFD 建模。针对隧道阻力构件，采用了一维Porous Jump 模型进行模拟; 针对旁通风道风机，采用了风机曲线进行描述; 针对NO2传播，采用了自定义标量方程的方法进行模拟; 针对净化器的模拟，建立了净化器数值模型。
通过设置不同工况，采用FLUENT 软件模拟了旁通式净化站在不同来流风量条件下的气流组织，分析了净化站的净化效果，主要结论如下。
1) 旁通风道中轴流风机的运行风量不受主隧道环境影响，其工作状态点主要取决于旁通风道内各个构件的阻力。
2) 由于轴流风机风量几乎维持不变，当来流风量小于2 台轴流风机风量和时，旁通风道对应的“主隧道段”总体流动趋势为从下游流动到上游; 当来流风量大于2 台轴流风机风量和时，“主隧道段”空气由上游流向下游。
3) 当旁通风道对应的“主隧道段”空气从上游流向下游时，不能完全避免“回流”现象，该“主隧道段”依然存在局部涡旋，特别是在侧壁面处。
4) 综合考虑通风稀释和净化2 种作用因素，当净化风量比为100%时，尽管总净化效率不是最高，但是出口处的污染物质量浓度最低，此时净化效果最佳。
通过研究发现，隧道净化处理效果和净化站的气流组织密切相关，通风量和净化风量在相匹配的情况下才能达到较好的处理效果。
需要说明的是，本文模拟研究对象是净化站所处的隧道段，并且通过设置不同压力来直接模拟上游隧道的来流情况，实际上，主隧道中的空气流量是由隧道形状、隧道通风系统运行情况、车流情况决定的，本文未反映这些因素是如何影响隧道通风净化的。未来可进一步研究通风系统和净化系统如何匹配运行才能适应不同的隧道与交通情况。
另外，由于目前国内缺乏相关工程实例，采用净化站进行隧道空气处理的技术经济性和适用条件也需要进一步地研究分析。
摘自：隧道建设