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1、中文案例样本（作者：陶垚） 1 短距离连续公路隧道的污染物窜流 及隧道内汽车运动对污染物扩散的数值模拟 1. 案例介绍 由于公路隧道的封闭性， 汽车排放的废气难以有效排除， 使得隧道内污染物浓度高于开敞空间，严重影响环境和人体健康。为保证隧道内空气质量及行车安全，通常借由机械通风装置排除污染物。 隧道通风设计原则主要有两个方面： 将隧道内污染物浓度控制在允许范围内，同时使机械通风系统运行能耗最低。 当存在短距离连续公路隧道时（图 1） ，若隧道之间的露天段较短，上游隧道排出的污染物会随出口射流及汽车运动等因素进入下游隧道， 这将增加下游隧道为满足污染物控制要求所需的通风量。然而，目前较少文献研
2、究了上下游隧道之间污染物的窜流情况，因此难以确定当存在短距离连续公路隧道时， 应如何确定下游隧道通风量， 才能同时保证隧道内空气质量和通风系统运行的经济性。本案例通过 CFD 数值模拟，研究了短距离连续公路隧道的上下游污染物窜流情况。 结果显示了上游隧道机械通风对下游隧道进风的影响， 以及上游隧道出口污染物进入下游隧道的比例与露天段间距、 风速的关系， 为合理确定短距离连续公路隧道的下游隧道通风量提供了建议。 图 1 短距离连续公路隧道系统图 2. 问题描述 在自然风、射流风机以及车流作用下，隧道中气流十分复杂。为了简化问题的分析，本案例中假定流体不可压缩， 隧道内空气流动为稳态流动。 在上下
3、游隧道及露天段组成的系统中， 露天段应考虑远边界的设置， 以保证开敞空间的边界条件不影响隧道出口气流在露天段的发展。汽车尾气中主要污染物成分为有害气体，因此在数值模拟中将考虑采取 CO2代表汽车尾气，采用 Species transfer model 求解各气体组分含量的控制方程，本模型中将选取的气体组分包含 O2, CO2 和 N2，通过设置 CO2的质量分数代表气体的浓度。 汽车运动产生的气流也是影响隧道内污染物分布的重要因素。 为实现模型中的汽车运动，本模拟中将进一步采用动网格技术模拟汽车运动对隧道内气流的影响。 3. 模型设置 3.1. 无车模型 （a）几何模型 中文案例样本（作者：陶
4、垚） 2 数值模拟采用的模型依照一例 1/40 模型实验建立。参考该模型实验尺寸，计算域由上游隧道、下游隧道、露天段以及露天段开敞空间组成（图 2（a） ） 。其中，半圆形隧道半径为0.243m，路面与隧道直径同宽。露天段设计为半圆柱形开敞空间，其半径为隧道半径的 10倍，以保证开敞空间的边界条件不影响隧道出口气流在露天段的发展。 图 2 （a）计算域组成（b）计算域网格划分（c）隧道截面网格划分 在建立网格时， 考虑到非结构化网格更适用于几何条件更复杂的流动， 而对于较简单的流动问题，结构化网格的离散求解更稳定，结果通常更精确，计算效率也更高。本隧道模型几何条件较为简单，因此采用了结构化网格
5、，如图 2（b）所示。在采用 ANSYS ICEM 划分网格时，采用了 O-grid 对隧道及露天段的半圆形截面网格进行了均匀划分（图 2（c） ） 。通过网格独立性分析， 综合考虑计算的准确性及效率， 最终确定了网格数量为 130 万的模型进行计算。 (b) 边界条件 上游隧道入口 速度入口（v = 0.75m/s, 1.25 m/s，1.75 m/s） 下游隧道出口 压力出口（Gauge Pressure = 0 Pa） 隧道及路面 无滑移壁面 开敞空间边界 压力出口（Gauge Pressure = 0 Pa） 污染物浓度 速度及压力边界的 CO2质量分数 (开启 Species-tra
6、nsfer Model) 3.2. 有车模型 （a）几何模型 为了研究汽车运动对污染物在隧道内扩散的影响，建立了单隧道模型。其中，隧道长度为 120m，隧道半径为 5m。隧道上游和下游各有 120m 的延伸路面及开敞空间，其半径是隧道半径的 10 倍，如图 3 所示。 图 3 有车模型计算域 中文案例样本（作者：陶垚） 3 在考虑采用动网格技术模拟汽车运动时， 隧道内网格将划分为两部分： 包含汽车模型的动网格区域，以及隧道其余部分的静止网格，两部分网格由 interface 连接，如图 4（a）所示。动网格的更新采用 Dynamic Layering (动态层铺式)，即随着运动的移动，边界上的
7、单元层根据设定的网格尺寸参数被生成或合并， 此种动网格更新方式适用于边界的线性或旋转运动。在设计汽车间距时，按照跟车安全距离即预留 2s 停车时间，如车速为 10km/h 时车辆前后安全距离约为 2.7 m。每部汽车尾部均设置有直径为 0.06 m 的排气孔。隧道内风机安装在隧道顶部距墙 0.5 m，如图 4（b）所示。 图 4 （a）动网格与静网格划分； （b）汽车尾部及隧道内风机网格划分 (b) 边界条件 开敞空间边界 压力出口（Gauge Pressure = 0 Pa） 汽车速度 Dynamic mesh Rigid Body Velocity Profile 汽车尾气出口 速度入口
8、(v = 3m/s) 风机 风扇（Pressure Jump = 150 Pa） 汽车，隧道及山壁 无滑移壁面 污染物浓度 速度及压力边界的 CO2质量分数 3.3. 求解计算 模拟采用 Ansys Fluent 16.0 软件。 隧道内湍流达到充分发展， 湍流模型选择为 Standard k- Model，结合标准壁面函数（Standard Wall Function）计算壁面与充分发展湍流之间的粘性影响区域。控制方程的离散格式采用二阶精度，压力与速度耦合采用 SIMPLE 格式。 4. 结果分析 4.1. 无车情况 图（a）显示了露天段的污染物分布，其中污染物浓度被上游污染物浓度无量纲化。
9、当上下游速度相同 （v2/v1 = 1） 时， 污染物在垂直方向 （侧视 X=0m） 和水平方向 （俯视 Z=0.12m）均有扩散。当下游通风量增加一倍，即 v2/v1 = 2 时，污染空气被下游吸入的程度明显增加。流场的流线图进一步说明了这种情况， 在下游隧道的入口处， 更多污染物被卷吸进入下游隧道。上下游隧道的风速比对下游污染物排除效率的关系可以通过更多的模拟结果得到。 中文案例样本（作者：陶垚） 4 图 5 露天段污染物浓度及流线分布 4.2. 有车情况 有车情况是在连续运行的非稳态模拟中得到的近似稳态情况，即车流每通过一次隧道（120m） ，其计算结果会被导出（Interpolate
10、Data - Write） ，再重新导入（Interpolate Data - Read）到原模型作为初始条件进行计算。通过监测出口的污染物浓度，在连续运行了 5 次之后出口污染物浓度基本达到稳态。以下结果是第 5 次汽车运行周期后的结果。 图 6 显示了汽车运行速度为 10km/h 时， 分别在在风机开启和关闭状态下隧道内的气流速度分布。风机关闭时，由汽车运动推动隧道内空气向出口流动，汽车附近气流速度高而隧道顶端气流速度较低；当风机开启后，机械通风使隧道上部气流速度明显升高，并在隧道出口形成射流。 图 6 汽车运行时在风机开启和关闭状态下隧道内气流速度分布 图 7 显示了汽车运行速度为 10
11、km/h 时，分别在在风机开启和关闭状态下隧道内的 CO2浓度分布。风机关闭时，污染物的排除仅靠汽车运动产生的气流，此时由于车身周围气流速度高而中文案例样本（作者：陶垚） 5 隧道其他部位气流速度低，导致尾气排放的污染物向下游流动并由于热浮升力聚集在下游出口难以有效排除；当风机开启增加了隧道上部气流速度后，隧道内部聚集的污染物得到有效排除，隧道出口及下游环境污染物浓度被有效控制在较低范围内。 图 6 汽车运行时在风机开启和关闭状态下隧道内 CO2浓度分布 5. 问题讨论 壁面函数的作用，以及当其他情况需要采用不同壁面函数时，对 y+的要求有何不同？ 动网格除了采用 Dynamic Layering，还可以采用何种更新方式，其对于网格更新方式的差别在哪里？ 拓展问题：由隧道内外压差和温度差产生的自然通风对污染物排除的影响在模型中应如何考虑？
