魏帅举 WEI Shuai-ju；孙轶凡 SUN Yi-fan；崔永龙 CUI Yong-long；李奇 LI Qi；缪越 MIAO Yue

（中国船舶及海洋工程设计研究院，上海 200011）

0 引言

狭长空间建筑日益发展，公路隧道或铁路隧道等狭长空间内当车辆启动时将会产生极易污染空间内气体环境的有害烟气，影响车辆的正常运行和相关人员的身体健康，所以采取合理有效的通风方式，抑制狭长空间内烟气的扩散并及时排出至关重要[1]。在狭长空间内，通风系统对车辆启动气流组织具有重要影响，通过研究气流组织特性，可以了解通风系统的工作原理和效果，进而优化通风系统设计，以提高车辆启动时的气流效果和能量利用效率。不同的通风方式会对气流的流动情况、速度分布和压力变化等方面均会产生影响，尤其是组合形成的复杂通风方式，其产生的气流组织更为独特，对排放物浓度和扩散范围的增减作用和车辆启动时安全性的影响均需研究分析，由此可见，通过建立合理的数学模型和计算方法，模拟仿真复杂通风方式下狭长空间内车辆启动时气流运动形式，了解气流组织规律，针对气流组织特性进行研究具有重要意义。狭长空间内的车辆污染源为向右排放的高速烟气射流，需要营造横向不均匀的空气环境，减少污染物随气流的扩散，其常见的通风形式，包括纵向通风、横向通风、送风型半横向通风、排风型半横向通风[2]，其中送风型半横向通风在狭长空间的左右壁面上均会开启多个送风口，虽然在气流纵向流动过程中没有损失风量，但右侧的送风气流可能引起污染物的扩散，不利于烟气的及时排除，所以本文基于狭长空间通风设计理论，针对多种通风模式，模拟仿真了三种不同通风方式下狭长空间内车辆备车时气体环境变化，综合分析复杂通风方式所产生的独特气流组织，以及对基础通风方式排烟效果的影响，为狭长空间内通风方案优化设计提供参考。

1 气流组织仿真方案

1.1 狭长空间纵向通风方案的确定

综合比选了各常见通风形式，并结合计算狭长空间内需风量、实际工程条件与各方案的特点，提出了三种不同的狭长空间通风设计方案，三种通风方案的详细设计信息见表1。方案2 狭长空间内形成以排风为主体的半横向通风，与纵向通风相结合，在狭长空间内形成了独特的气流组织；方案3 则在两侧壁面反向风口的作用下形成横向通风，并以纵向通风为基础，形成了纵向、横向通向相结合的气流组织形式；方案1 则单纯以纵向通风为主体，实现排烟效果。三种通风方案模拟仿真模型以及送排风口示意图如图1～图3 所示。

图1 通风方案1 模型与送排风口示意图

图2 通风方案2 模型与送排风口示意图

图3 通风方案3 模型与送排风口示意图

表1 三种通风方案的详细信息

一般情况下，狭长空间内最多有1/3 的车辆同时备车，即3 台车辆同时备车，然后依次驶出。当首部区域前三台车辆首先进行备车时，狭长空间内车辆数最大，空间最为逼仄，备车过程中所形成的气体环境最为不利，所以本文主要分析首部区域1～3#车辆备车时在不同通风方式下所形成的气流组织特性。

1.2 评价指标的确定

车辆备车启动过程中会排放大量有害气体，由于狭长空间结构的特殊性，其通风状况相对较差，车辆所产生的烟气由于燃料燃烧不补充，其所含有害污染物成分中，一氧化碳（CO）含量与其浓度限值之比最高，因此选用CO 浓度作为评价指标，同时选定烟气浓度作为人员所能承受烟气污染量的评价指标[3]。可以通过对比不同方案局部CO、烟气平均浓度折线图，定量分析其在狭长空间内各区域的污染物分布情况，也可通过备车工况下狭长空间内气流组织与污染物浓度分布云图分析污染物在空间内的整体扩散情况。

在狭长空间内中，各车辆的烟气射流方向朝向右侧，通风系统的设计目标为尽快排除产生的烟气、减少烟气向周边区域的扩散，即需要营造不均匀的空气环境，使污染物在右侧的浓度分布高于左侧，以利于污染物的及时排除。因此，将狭长空间的各排车辆的左侧区域（1.5m 高）作为地面人员活动区（左侧人行区）、各排车辆的右侧区域（1.5m 高）作为右侧排烟区、各车辆驾驶员所处区域作为驾驶员呼吸区（2.15m 高），以减小左侧人行区、车辆驾驶员呼吸区的污染物浓度为目标。

2 结果与分析

2.1 复杂通风方式下狭长空间内气流组织特性

当狭长空间内首部区域的三台车辆备车时，三种方案均以纵向通风为基础，排除车辆启动时所产生的有害烟气，方案2 狭长空间左右壁面开启了12 个排风口，从而形成了以排风为主体的半横向通风，与纵向通风相结合，在狭长空间内形成了独特的气流组织；方案3 则在左侧壁面开启了7 个送风口，同时在右侧壁面开启了7 个排风口，横向通风在两侧壁面反向风口的作用下形成，并以纵向通风为基础，形成了纵向、横向通向相结合的气流组织形式。方案1 则单纯以纵向通风为主体，实现排烟效果，后续将会针对三种方案进行综合分析，探究复杂通风方式所产生的独特气流组织，以及对基础通风方式排烟效果的影响，得出其中可在狭长空间内产生最佳气体环境的方案。

由于纵向通风的特点，在送风气流的影响下，狭长空间内车辆启动时产生的烟气会沿着尾部区域向首部区域的方向流动，导致首部区域污染物浓度较高，因此从图4、图5 中可以看出当首部1～3#车辆备车时，三种方案在尾部车辆附近的污染物浓度均会维持较低水平，大量有害烟气会聚集在首部区域。

图4 各通风方案下各人行区呼吸高度、排烟区及车辆驾驶员呼吸区局部CO 平均浓度

图5 各通风方案下各人行区呼吸高度、排烟区及车辆驾驶员呼吸区局部烟气平均浓度

方案2、3 在纵向通风的基础上分别实现了半横向通风和横向通风，通风方式的综合效果会带动气流组织产生复杂变化。狭长空间内以纵向分析，从图中可以看出在方案1 只有纵向通风条件下，首部区域车辆备车时中部、尾部区域的污染物浓度基本为0，而方案2、3 所产生的复杂气流组织会使得车辆启动所产生的有害烟气向中部、尾部区域蔓延，相比于方案1 其污染物浓度会有所升高；从狭长空间的横向分析，方案2、3 所产生的复杂气流组织也会带动车辆在右侧排烟区所产生的烟气向人员活动区和车辆驾驶区蔓延，从图中可以看出当位于人员活动区和驾驶员区时，方案1、2、3 在首部区域所形成的污染物浓度依次增高，人员活动区内此现象尤为明显。

从分布图6 可以看出，对于方案1，送风气流在尾部区域流向首部区域的过程中变得较为均匀，对于烟气射流的直接排除起到了导流作用，减少了烟气的扩散，同时由于排风口均设在顶部，带动从狭长空间尾部流向首部的气流较早地向高处排风口位置流动，减少了烟气向首部区域的蔓延，因此狭长空间右侧排烟区偏向1#车辆首部区域的污染物浓度较低。

图6 通风方案1 首部区域三台备车时气流组织与污染物浓度分布图

2.2 半横向通风方式对狭长空间内气流组织特性的影响

综合分析图7 气流组织和污染物浓度分布云图，并结合前文分析发现，对于方案2，狭长空间左右壁面上的排风口，在发挥作用之时会扰乱纵向通风所产生的均匀纵向气流，无法及时从排风口排出时又会与壁面相碰撞，形成不稳定的气流组织，同时中部区域的顶部送风气流向下遇到车辆障碍后向四周扩散，带动车辆启动所排放的烟气向人员活动区或驾驶员区扩散，进而影响到车辆左侧的人员活动以及车辆驾驶；而且前三台车辆排放的污染物亦有少量扩散到了狭长空间内的尾部区域。

图7 通风方案2 首部区域三台备车时气流组织与污染物浓度分布图

对于方案1 纵向通风而言，由于通风气流在纵向流动过程中没有风量排出，污染物逐步被送入狭长空间内的新风稀释，所以污染物浓度的峰值较低，且首部区域的污染物浓度相对于排风型半横向通风更低。相比之下，方案1的通风方式更佳，可以形成更加良好的气流组织，便于人员活动和驾驶车辆。

2.3 横向通风方式对狭长空间内气流组织特性的影响

综合分析图8 气流组织和污染物浓度分布云图，并结合前文分析发现，方案3 与方案1 相比，横向送风射流产生了送风口高度横向上较大的向右风速，冲击车辆备车时所产生的有害烟气，使得污染物气体无法及时从右侧壁面排风口排出，被冲击的烟气撞击右边排风口两侧的壁面，并在复杂气流组织的卷吸下向左侧人员活动区和驾驶员区扩散，同时纵向通风产生的纵向气流带动扩散而来的烟气更多地聚集在狭长空间的首部区域，而方案1 纵向通风过程中没有风量排出，污染物逐步被送入狭长空间内的新风稀释，所以污染物浓度的峰值较低，相较于方案1，方案3 首部区域的污染物浓度会更高。相比之下，方案1 的通风方式更佳，可以形成更加良好的气流组织，便于人员活动和驾驶车辆。

图8 通风方案3 首部区域三台备车时气流组织与污染物浓度分布图

3 结论

通过对三种通风方式下狭长空间内车辆启动时气流组织模拟仿真结果进行对比和分析可以得出以下结论。

①狭长空间内以纵向分析，方案2、3 所产生的复杂气流组织会使得车辆启动所产生的有害烟气向中部、尾部区域蔓延，相比于方案1 其污染物浓度会有所升高；从狭长空间的横向分析，当位于人员活动区和驾驶员区时，方案1、2、3 在首部区域所形成的污染物浓度依次增高，人员活动区内此现象尤为明显。②对于纵向通风而言，由于通风气流在纵向流动过程中没有风量排出，污染物逐步被送入狭长空间内的新风稀释，所以污染物浓度的峰值较低，且首部区域的污染物浓度相对于横向通风和排风型半横向通风更低。③在纵向通风的基础上实现的半横向通风和横向通风会产生不稳定的气流组织，带动车辆启动所产生的烟气向周围扩散，而对于方案1 只要纵向通风时，送风气流在尾部区域流向首部区域的过程中变得较为均匀，对于烟气射流的直接排除起到了导流作用，可以减少烟气的扩散，所以相比之下，方案1 的通风方式更佳，可以形成更加良好的气流组织，便于人员活动和驾驶车辆。