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1、浙江大学硕士学位论文 l绪论1绪论11研究背景及意义近年来，随着城市化进程加快，城市人1：3超饱和，建筑空间拥挤，城市绿化减少，交通压力越来越大，交通拥挤已成为我国众多城市的突出问题。为了解决城市交通拥挤问题，立体使用空间成为一个发展趋势，城市隧道作为地面道路的延伸和补充，因具有易于规划、建设工期短、建设成本低、便于与现有地面交通系统衔接、有效改善城市环境等特点而被广泛应用J。国外已建有的大型城市隧道如美国波士顿中央大道隧道、日本东京中央环线隧道、法国地下道路系统等，以及马德里地下公路网等这些大型城市隧道已经作为城市道路重要的组成部分统一规划，并能与城市内有轨交通、城市地面公路、市区外公路等众
2、多交通系统相互协调工作，对舒缓交通压力，增强城市交通可靠度、改善交通环境等功效已初现。在国内近年来也涌现出大量城市隧道，如90年代早期建成连接浦东浦西横跨黄浦江的上海延安东路隧道，2004年建成作为连接西湖和钱塘江的主要交通通道杭州新城隧道，重庆嘉华大坪隧道，以及2007年建成的国内最长城市隧道苏州南环路隧道，全长35 km，中国已是世界上隧道和地下工程最多、最复杂、今后发展最快的国家【2】。隧道是一个相对封闭的特殊路段。一方面由于汽车行驶时排放的有害气体会污染空气，影响隧道内驾驶员的人体健康，另一方面由于柴油机车行驶时排放的烟尘和扬起的粉尘有吸收隧道光线的作用，会降低空气能见度，危及行车安全
3、。为了将废气和烟雾等控制在容许的浓度限度内，确保人体健康和行车安全，通常借助机械通风、除尘的方法，达到稀释污染物浓度的目的。此外，隧道通风不仅仅是要维持隧道内的空气质量，还要兼顾隧道外的区域环境。应当指出，隧道本身并不产生污染物，只有当车辆在隧道内行驶时，隧道成了一个收集汽车废气的“容器”，致使一氧化碳(CO)、氮氧化合物(NOx)及颗粒物等有害物浓度显著升高。废气被隧道“收集”后集中在一个小范围内(洞1：3、风塔或排风1：3等)排放，从而“额外”加重了该局部区域的污染。因此，如何通过高效、精确、合理的通风控制以减小排污口局部区域环境负担，使隧道废气排放满足大气环境要求，是城市隧道通风排污面临
4、的技术难题。201 1年8月，国务院印发了“十二五”工作方案中明确提出了节能减排目标。在我国大力推行节能减排政策的大环境下，城市隧道的污染物排放问题日益成为人们关注的焦点，研究城市隧道的通风控制也变得越来越重要和迫切。目前，隧道通风控制系统存在的问题一定程度上是缘于对于其机理的认识不够深入，大多数控制策略都是基于静态模型的时程控制，或是将该系统视为“黑匣子”，利用所谓智能控制方法加以应对。而若能对系统机理进行更为深浙江大学硕士学位论文 l绪论入的定量化分析，不但能提高传统控制方法的有效性，还可避免引入高成本、难实施的复杂的控制算法。因此本文通过理论推导及实测手段，定量化地分析了隧道通风系统的动
5、态特性，揭示了流动惯性效应的形成机理及影响因素，为合理的隧道通风设计提供了更为充分依据，且为使用传统通风控制设备的隧道提供了优化方案的新思路，有利于现有资源的合理利用。新建城市隧道的通风控制问题比传统隧道更为复杂。一方面，传统隧道内部污染物主要集中于竖井或隧道洞口集中排出的方式，而城市公路隧道一般建在城市中心车流量大，人流密度大，建筑密集地区，隧道具有车速低、车辆排出的污染物量大、污染物难扩散、环境要求高等特点，为解决好城市隧道废气排放与大气环境影响、周围区域规划之间的矛盾，其往往对隧道内污染物采用了分散排放的模式。例如国内部分城市隧道开始采用顶部通风口沿程排放的方式，从而达到减少洞口污染物排
6、放量的目的，如成都红星路隧道、南京城东干道隧道、上海的过江隧道和新华路隧道、无锡的太湖隧道【引、杭州的紫金港隧道等。但如何使得污染物按照预期的指标定点定量地从这些通风口中排出，并达到相应的环境指标是一个亟待解决的问题，目前国内外对这种通风方式下的通风控制研究较少。另一方面，城市隧道以缓解城市中心局部节点交通拥挤为主要目的，通过地面交叉口实现交通立体分流。因此往往带有设置独立的射流风机较长的汇、分流匝道，如南京的九华山隧道、杭州的紫金港隧道等。这些匝道的存在使得原本的纵向通风串联系统变成了串并联系统，使得流场的简单叠加变为了流场的相互耦合及叠加，同时，新增了匝道的出口的排污点，则合理控制并联段内
7、的流场变得尤为重要。然而对此类串并联隧道内流动特性及污染物控制方法的研究更少。因此本文在一维动态运动方程框架下，对此类隧道内流动的联动耦合机理进行数学建模和量化分析，揭示了此系统的物理规律，并基于这些分析结果，重点探讨和设计这类带匝道分段通风城市隧道内的定点定量污染物优化控制方法。从物理机理的描述、建模到现场实验以及优化方法的运用，文章力求建立起可靠、有效、节能的城市隧道污染物控制方法。此研究在科学及工程上都具有重要的意义，其成果可为已有类似隧道的运营以及新建隧道的数学建模，通风控制方案设计及实施提供有益的参考，也有利于相关人员加深对城市隧道通风机理的认识，从而提高隧道运营安全性和可靠性。12
8、国内外研究现状及发展动态分析早在1973年成立的空气动力学和隧道通风国际研讨会AVVT(Intemational Symposium ontheAerodynamics andVentilation ofVehicle Tunnels)每三年召开一次，此外国际隧道协会(ITA)和国际道路协会公路隧道营运技术委员会(PIARC)每年都会召开各自的年会，这些研讨会浙江大学硕士学位论文 1绪论反映了世界各国隧道通风技术的最新研究成果。隧道通风研究主要是通过理论计算、模型试验、实地测量、数值模拟等方法获得隧道内速度场、压力场、浓度场及温度场的分布，制定出隧道内控制污染物及烟气(火灾时)的最佳方式和控制
9、策略。近年来对公路隧道内卫生标准的不断提高，特别是城市地下道路的不断增加，针对公路隧道通风排污控制的研究也越来越活跃。121城市地下道路通风排污方面隧道通风方式主要有自然、全横向、半横向、纵向和后三种机械方式组合等五种方式。国际上规定，一般对于长度超过300m的隧道，都需要进行机械通风【4】。自然通风方式是由行驶车辆在隧道内产生的活塞风进行通风的方式(如图11(a)所示)，不需借助机械设备。其没有可操控性，安全性很差，一般应用于极短的且开敞性较好的城市交通隧道，对与长度超过240m的隧道一般不建议采用自然通风5,61。纵向通风方式大多利用射流风机推动风流沿着隧道轴向流动，洞1：1集中送入或排出
10、(如图11(b)所示)，这种射流式的纵向通风形式已被广泛的地铁和公路隧道所采用5】由于纵向通风方式建造及运营成本低，较受欢迎【61。对于单向交通流隧道，纵向通风方式是最有效的【4，51。且当隧道较长时可以灵活地设置排风口或竖井，所以在实际应用较为广泛【4，71。全横向通风是通过隧道内设置的上排下送或者侧向排补的两组风道，通过压、抽方式使通风气流在隧道横断面流动(如图11(c)所示)，能在横截面范围内有效地控制污染物及烟气，不受隧道长度的制约，但其对隧道地理环境、结构布局、土建工程成本和运行管理成本上的要求都是最高的，目前国内采用较少。半横向通风则是利用风道，在入口或出口压入或抽出气流的方式。可
11、分为压入式、抽出式(如图11(m所示)、入口抽出出口压入和出口抽出人口压入半横向通风四种，其成本也较高。叠：鲤蛰(a)自然通风(C)侧向排补式全横向通风CI： ：i3 益苎立一一笪邑 (b)射流纵向通风盐避硷(d)压入式半横向通风浙江大学硕士学位论文 l绪论图11几种常见隧道通风方式国内城市隧道近几年开始采用顶部设通风口的分段式纵向通风，如新建成的无锡太湖隧道，还未竣工的杭州紫金港隧道等。这种通风方式是针对城市环境的特殊性及城市面貌的要求，将隧道内的污染物收集起来，在隧道沿程设置排放点进行排放，每个排放点之间采用纵向射流通风形式，并需要时配合中间补风口确保隧道内风速的均匀(如图12所示)。这种
12、模式也即新型的分散型机械送排风的通风方式31，可避免设置高风塔这一隧道建设难题。 图12分段式纵向通风示意图然而，这种通风模式主要的问题在于如何将污染物按照一定的比例在特定的排污口进行排放，同时满足各排污口污染物浓度的环境控制要求。对于这个问题的研究并不多。本质上，此类通风模式是竖井送排式通风的简化(取消了竖井，美观，但竖井提供的烟囱效应消失)，长安大学利用模型实验分析了短道段的气流状态81，这也为研究分段纵向通风隧道内气流状态提供了借鉴。又如西南交大的研究通过一维理论计算对市政公路隧道顶部开孔自然通风下排风口的风量进行的分析9】，但此研究的隧道长度较短、交通量较小(故可采用自然通风)，这与城
13、市隧道交通量大的特点相违背。此外，由于是自然通风，风1：3的风量及方向不可控，受到交通风、射流推力及其相对位置的影响【1 01，因此若对排补风口加以机械通风，才可将通风量加以控制，进而控制污染物分布情况。如无锡太湖隧道的中间通风口设计成既能补风又能排风(送州结合)3】，这种处理可以保证定点排污的基础上满足隧道内换气次数的要求，且避免风机设备过高的开启强度，具有一定经济性。更重要的是，在这种分散通风模式下，城市隧道通常还带有汇流或分流匝道，这些匝道往往较长，且带有独立的射流风机，如南京的九华山隧道、杭州的紫金港隧道等。这些匝道使得原本流场的简单叠加变为了流场的相互耦合，而匝道的出1：3成为了另一
14、个可能的污染物排放点，则合理控制并联段内的流场变得尤为重要。文献【12,13对于环形分段通风隧道进行了研究，虽属于分段通风隧道，但未考虑分支段匝道的并联作用。因此研究带匝道分段通风系统的特性并实施具有针对性的控制方法符合当下城市隧道建造及运营需求，是十分必要的。122隧道通风系统分析方面隧道通风系统作为一个复杂的系统，主要可分解为交通流模型、空气动力学模型和污染4P浙江大学硕士学位论文 l绪论物输运模型三个子系统【l 21。其中，前面两者是研究的重点，污染物输运所表现出来的特征和规律是前面两者综合作用下的必然结果。各研究采用的方法主要是实验和数值模拟。(1)对于交通流模型方面，已有研究可分为两
15、部分：一是交通流特性对污染物生成总量及分布的影响；二是交通活塞效应下的空气动力学模型。第一部分的研究集中在隧道交通流特性(如流密速及日变特性等)及车辆的排放预测，前者的研究主要基于实测统计数据对隧道内的交通流特性进行了描述14,1 5,16,17】，如长安大学根据交通流参数分布特征将长大隧道路段划分为正常段、集结段、稳定段、疏散段【1416，车辆在隧道中行驶基本上是一个起步加速，然后逐渐减速的过程，基本为匀速行驶状态”】，隧道进出口车速会略微降低16】，总的来看，隧道内的车流状态满足交通流密速的基本关系【15,18。在交通排放方面，主要是对车辆排放因子及隧道内交通污染物浓度与交通参数关系的研究
16、，车辆各种排放模型都有一定的适用性19】；而隧道内污染物分布与交通流密切相关，如早期瑞士的研究就通过隧道实测来推算车辆在一定车速下CO、NO。等多种碳水化合物的平均排放因子【201，台湾的研究对长达129km的雪山隧道内污染物进行了测试21,22，发现CO、S02及NO。浓度与交通量的相关性达到o8左右211，高车流量、低车速下浓度较高，且上坡车道排放因子比下坡车道高221。但要精确预测隧道内排污量及分布还是比较难的，最近的有研究将交通仿真用到隧道排放里”3，这方法已在普通城市道路排放估测中有近十年的研究和应用243。交通活塞效应方面的研究也不少，如西南交大学采用CFD动网格技术研究了曲线隧道内车辆活塞效应下的流场变化，发现曲线隧道内活塞效应强于直线隧道，断面风速分布极不对称25】，并关注车辆进入和驶出隧道过程中的流场动态变化及行车间距的影响26】；吉林大学对队列形式车辆的空气动力学特性进行了数值分析，发现车间距减
