祥和隧道污染物分布规律研究

2021-09-10胡北

无线互联科技 2021年7期

胡北

摘要：在较为密闭的公路隧道中，其污染物来源于汽车尾气的排放，分别为一氧化碳、氮级化物和颗粒物等。一氧化碳极易与人体的血红蛋白结合，造成组织窒息，对人体全身细胞均有毒性作用。二氧化氮可增强哮喘受试者对非特异性药物和过敏源的支气管反应，这些均会对人体造成伤害。因此文章研究隧道内污染物分布规律，得出隧道内污染物分布情况，为降低隧道内人员受污染程度提供新的思路和方法。

关键词：祥和隧道;污染物;数值模拟;车流工况划分;交通风;计算流体力学

0 引言

祥和隧道为典型的双洞分离式长隧道，其内车流量较大，车辆排放较多尾气严重影响隧道内人员安全。为改善隧道运营期间空气质量，保障内部人员安全，对祥和隧道进行污染物分布规律研究很有必要[1-3]。

国内关于公路隧道污染物浓度分布方面的研究仍处于探索阶段。胡宇峰等[4]研究了汽车隧道内空气流动及污染扩散问题，对隧道内各种通风竖井进行简化，建立了隧道内空气总的运动方程;重庆大学雷玉勇等[5]对公路隧道内的空气污染物来源进行了研究，认为CO，NO和颗粒物是隧道内的主要污染物。本文根据依托项目对运营期间隧道污染物分布规律进行研究。

1 工程概况

祥和隧道为双洞分离式长隧道，其长度为1 792 m/1 654 m，地处杭绍台高速南部，属亚热带季风气候，隧道内车流量较大，车辆尾气产生较多污染物，影响洞内人员安全。

由于实际交通情况复杂多变，数值模拟根据交通拥堵状态划分交通流仿真工况。参考Skycomp的拥堵评价体系，划分3种仿真工况，分别为自由流工况、轻度拥堵工况、中度拥堵工况。对应的行驶速度分别为85 km/h、60 km/h以及40 km/h。3种工况内的平均车队长度为420 m。3种交通流下，每条车道的平均车辆间距分别为85 m、55 m以及35 m。每一类交通流工况再根据车型占比不同细分3类，交通流全部工况如表1所示。工况5的车流模型如图1所示（根据隧道左洞建立模型）。

2 理论方法

文章采用数值模拟方法以得到隧道污染物在不同交通流下的分布情况，根据祥和隧道预测交通流组成，借用COPERT IV模型，建立起祥和隧道污染物排放模型，计算分析不同工况下不同污染物在祥和隧道内的宏观分布规律。

（1）建立祥和隧道模型（模型四周均为大气压力边界条件，不考虑排出废气温度与环境温度差值），利用Fluent仿真软件进行隧道污染物排放仿真：選取不同交通流量工况下对应的隧道洞口风速作为隧道洞口进排风速度，根据污染物质量分数分布图，分析祥和隧道不同进排风速度下污染物扩散的基本规律，确定污染物敏感点。

（2）该模型分为两个区域：一个包含整个解决方案域的背景区域和几个包含移动车辆的过高区域。对于背景区域，天花板、风扇、隧道内外的地板以及垂直方向上的表面被视为处于防滑墙状态。将隧道入口和除外部区域中的地板以外的所有表面设置为零静压力的压力出口。其他表面设置为对称平面。对于超车区域，假定轿厢表面处于防滑墙状态。车辆排气管被设置为速度出口。根据覆盖网格方法，将其他曲面设置为覆盖网格界面。

3 结果与讨论

根据不同工况下的数值模拟结果得到不同位置和车速下CO浓度随时间变化的分布情况，由于工况较多，故仅选取工况4进行展示，工况4污染物浓度分布情况如图2所示（Z为隧道内高度）。

车辆刚进入隧道由于尾气排放隧道内污染物浓度开始递增，但在500 m左右，车辆行驶带来的交通风使洞内污染物逐渐扩散并趋于稳定。

4 结语

（1）沿隧道内的交通方向污染物累积非常显著，呼吸区（0.5～1.5 m高）的最大CO和NOx污染程度分别为暴露极限的7.74和5.01倍。即使车辆以中速（60 km/h）或高速（85 km/h）的速度移动，通风系统也应继续工作以降低隧道内的污染物浓度。

（2）在所有工况下，在呼吸区域中出现CO在Z=0.5 m时，在不同的车速下获得了具有污染物浓度倒U形分布。然而除了在隧道内车辆运动开始时，1.5 m平面内污染物浓度随时间的增加和减少是相当平滑的。在所有工况下，在隧道内车辆运动期间，Z=1.5 m处的污染物浓度分布急剧增加。

（3）祥和隧道内污染物浓度分布敏感点为距入口洞口500 m处，可增加适当除污设备。

[参考文献]

[1]马因韬，刘启汉，雷国强，等.机动车排放模型的应用及其适用性比较[J].北京大学学报（自然科学版），2008（2）：308-316.

[2]程颖，于雷，王宏图，等.基于PEMS的MOBILE与COPERT排放模型对比研究[J].交通运输系统工程与信息，2011（3）：176-181.

[3]吕海明.机动车尾气污染与防治措施研究[J].低碳世界，2015（15）：7-8.

[4]胡宇峰.汽车隧道内气流及污染问题研究[D].南京：南京航空航天大学，2003.