特长隧道汽车尾气流动规律研究_任涛.pdf

第 18 卷增刊 2地 下 空 间 与 工 程 学 报Vol.182022 年 12 月Chinese Journal of Underground Space and EngineeringDec.2022特长隧道汽车尾气流动规律研究任涛1,陈结2,3,刘戎2,3,周云1,刘丹1(1.重庆市交通工程质量检测有限公司,重庆 400067;2.重庆大学 煤矿灾害动力学与控制国家重点试验室,重庆 400044;3.重庆大学 资源与安全学院,重庆 400044)摘要:通过隧道的车辆会排放尾气污染物,影响隧道内环境和工作人员的身体健康。为了更好的掌握特长隧道中汽车尾气的流动运移规律,提高特长隧道通风系统的排污效率,改善特长隧道内环境,运用商业软件 Fluent,用 RNG k-模型,结合 Layering(动态层模型)的动网格技术,以 CO 作为尾气污染物,分析了特长隧道内瞬态汽车尾气的扩散特征,研究了不同车距及不同行驶速度下特长隧道内汽车尾气的流动规律。模拟结果表明:在车尾回流的作用下,CO 污染物分布都有形成旋涡的趋势,且长车距或者车后没有其他车辆以及车辆低速行驶时,更易形成旋涡状分布;行车速度越大湍流动能(TKE)和车辆周围气流速度也越大;在一种行驶速度下车后湍流动能大的位置由于气流扰动明显,气流速度会降低,高湍流强度还会稀释污染物使高湍流动能处的 CO 含量降低;短时间内 CO 主要分布范围在车辆高度 2 m 附近,长车距下不同车速的 CO 含量分布规律相似,但短车距下后方汽车的存在会则影响前方车辆排出的CO 分布,使其扩散速度减慢。本研究可以为特长隧道通风系统提供研究基础。关键词:数值模拟;汽车尾气;污染物分布;动网格中图分类号:U453.5文献标识码:A文章编号:1673-0836(2022)增 2-1008-07Study on the Flow Law of Automobile Exhaust Gas in Extra-Long TunnelRen Tao1,Cen Jie2,3,liu Rong2,3,Zhou Yun1,Liu Dan1(1.Chongqing Traffic Engineering Quality Inspection Co.,Ltd.,Chongqing 400067,P.R.China;2.State Key Laboratory of Coal Mine Disaster Dynamics and Control,Chongqing University,Chongqing 400044,P.R.China;3.School of Resources and Safety,Chongqing University,Chongqing 400044,P.R.China)Abstract:Vehicles passing through the tunnel will emit exhaust pollutants,which will affect the environment in the tunnel and the health of the staff.In order to better grasp the flow and movement of automobile exhaust gas in the extra-long tunnel,improve the blowdown efficiency of the extra-long tunnel ventilation system,and improve the environment in the tunnel,this study using the commercial software Fluent,adopting the RNG k-model,and combining the dynamic grid technology that Layering(dynamic layer model),uses CO as the exhaust pollutant to analyze the diffusion characteristics of transient automobile exhaust in the extra-long tunnel.The flow law of automobile exhaust in the extra-long tunnel in different vehicle distances and different driving speeds were studied.The simulation results show that the distribution of CO has a tendency to form a vortex influenced by backflow.Besides,the vortex-like distribution is more likely to form when the vehicle distance is long,there are no other vehicles behind the vehicle,and the vehicle is driving at a low speed;the greater the driving speed,the Turbulent 收稿日期:2022-07-05(修改稿)作者简介:任涛(1983),男,河南荥阳人,博士生,主要从事岩土工程检测设计方面的研究。E-mail:57662097 通讯作者:陈结(1984),男,湖南邵阳人,博士,教授、博士生导师,主要从事岩土工程方向研究。E-mail:jiechen023 基金项目:重庆市自然科学基金(cstc2020jcyj-msxmX1076);国家自然科学基金(51774057)Kinetic Energy and the air velocity around the vehicle are also greater.At the same driving speed,a position where the Turbulent Kinetic Energy is large will be reduced air velocity due to the obvious airflow disturbance.The high Turbulent Kinetic Energy will also dilute the pollutants and reduce the CO concentration;the main CO distribution range in the vehicle height of 2 m during short time nearly,the distribution of CO at different speeds under long distances is similar,but the existence of rear cars under short distances will affect the distribution of CO emitted by the vehicles in front and slow down the diffusion speed.This research can provide a study foundation for extra-long tunnel ventilation system and better guide the layout of extra-long tunnel ventilation system.Keywords:numerical simulation;automobile exhaust;pollutant distribution;dynamic grid0引言近年来,我国机动车数量持续增加,导致道路车流量也不断增加。车行压力一方面导致道路拥堵,一方面也增加了尾气的排放量,尤其在长大隧道中,半封闭的空间极容易造成尾气的集聚。汽车的 尾 气 主 要 有 燃 料 不 完 全 燃 烧 产 物 一 氧 化 碳(CO)、碳氢化合物(HC)、氮氧化合物(NOx)、光化学污染(PS)、颗粒物(PM)等污染物,其中汽车尾气中绝大部分为 CO 1。汽车尾气等污染物在隧道中的聚集,对隧道内驾乘人员、管理维修人员的危害已经不容忽视,不同运行状态下隧道中尾气的分布情况更是直接影响着隧道环境。此外,隧道中的射流风机也应该根据尾气的分布情况进行有的放矢开启或者关闭,然后目前对这方面的研究却较少,使得隧道中通风系统和环境脱离严重。目前国内学者对于汽车尾气污染物的排放问题,做了大量研究。金晨阳等2总结了 MOVES、COPERT、MOBILE、IVE、CEME 五种常见的机动车尾气排放模型,从地域性、成熟度、不确定性 3 个方面进行评价和对比。部分学者通过空气和汽车的相对运动,模拟汽车运动时的尾气运动规律。如张金贵等3应用数值模拟的方法研究公路隧道内运动状态下汽车的尾气扩散情况,且结果与实验测量值吻合较好;卢银彬等4运用 FLUENT 软件模拟了公路隧道内不同车型在不同速度工况下的尾气污染排放状况,研究了汽车尾气污染范围与车辆和空气的相对速度之间的关系。部分学者通过现场监测的方式,模拟汽车运动时的尾气运动规律。如肖翠翠等5对北京 5 个交通污染监控点的污染物排放数据进行分析,得出交通污染排放和行驶速度之间的相关关系,并运用 MOVEs 模型验证了提高车速所产生的减排效果。崔晨等6用高斯模型建立了天津市机动车尾气扩散模型,该模型对于车外PM2.5 颗粒物以及排放的气体污染物的模拟值误差范围较小,且该模型对天津市机动车尾气污染扩散的模拟效果较好。彭鹏铭7通过聚类分析的方法分析汽车排放污染物中挥发性有机物的污染,结果表明公路隧道进、出口空气中共有 90 种挥发性有机物,出口污染浓度较高;隧道中空气受热产生浮升力推动气体流向隧道出入口,从而使隧道内部的VOCs气 体 向 隧 道 外 的 扩 散。Utkarsh Bhautmage8等采用三维计算流体动力学的相对速度方法,研究了在车辆尾迹存在的情况下,不同形状、速度、混合车流情况下公路隧道内污染物的扩散。Song 等9采用可实现的 k-模型,结合动网格技术,分析了隧道内瞬态交通活塞效应的特征。El-Fadel 等10分析了车辆通过公路隧道时不同尺寸超细颗粒的非稳态湍流、沉积以及扩散特性。从以上文献可以看出,特长隧道内动态汽车尾气的扩散分布研究较少,考虑不同汽车行驶速度和车辆间距的综合影响方面的研究更不常见,严重影响了隧道通风系统的发展。本文以重庆渝蓉高速巴岳山隧道为研究对象,通过数值模拟的方式探究在不同车型、不同排放速率的工况下,以 CO 为例的汽车尾气在特长隧道内的扩散规律。从而为检测和控制隧道内尾气污染物浓度,保障隧道内维护作业人员身心健康提供理论依据。1计算模型及边界条件设置1.1工程背景重庆成都高速公路(渝蓉高速公路)是连接重庆市和四川省成都市的第三条高速公路,其中巴岳山隧道位于重庆渝蓉高速,洞总长 3 335 m,总长超过 3 km,属于特长隧道范畴。洞内为半封闭环境,汽车尾气排放困难,污染物逐渐积累造成隧道内环境质量下降,隧道内工作人员健康遭受威胁,90012022 年增刊 2任涛,等:特长隧道汽车尾气流动规律研究基于此背景,展开研究。1.2流动控制方程特长隧道内不论是空气还是尾气污染物,都需受到物理守恒定律的支配,包括:质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律。该模拟中涉及到多组分的混合,故还要遵守组分守恒定律。隧道内气体流动处于湍流状态系统还需遵守湍流控制方程。(1)质量守恒方程t+xi(ui)=Sm(1)(2)动量守恒方程t(ui)+xi(uiuj)=-pxi+ijxi+gi+Fi(2)(3)能量守恒方程(T)t+div(uT)=divkcpgradT()+St(3)1.3模型参数1.3.1几何模型与划分网格研究中,主要关注隧道内沿程方向污染物的分布情况,为了提高计算效率将巴岳山隧道简化为长200 m,高 6.5 m 的二维模型,分别模拟长车距和短车距两种情况。隧道内设置三辆车前后同向行驶,第一辆和第三辆汽车为小轿车,第二辆汽车为大货车;长 车 距 下 三 辆 车 之 间 的 间 隔 分 别 为 30 m、45 m;短车距下三辆车之间的间隔分别为 5 m、10 m。汽车模型简化为两个长方形组合的形状,几何模型如图 1 所示。隧道中从右到左分别是小车1、大货车、小车 2。图 1隧道几何模型Fig.1Tunnel geometry隧道内计算域全部采用二维四边形结构网格,并在汽车尾气管道和汽车车身等敏感区域通过划分线网格进行网格加密,如图 2 所示。长、短车距下的总网格数都在 70 000 左右,如上图 3 所示。计算中运用动网格技术实现汽车的运动,更新方法选择 Layering(动态层模型),应用网格合并和分裂的方法实现网格更新。汽车及周边加密区设置相同速度。动态层模型是依据相邻运动边界网格层高度的变化来合并或分裂网格。即网格运动过程中,相邻网格层的高度增大到一定程度时,则网格会分裂成两个网格层;若相邻网格层的高度减小到一定程度时,相邻边界的网格将合并为一层。图 2汽车周围网格加密Fig.2Mesh encryption around the car图 3隧道内结构网格划分Fig.3Mesh generation of structure in tunnel1.3.2边界条件湍流模型中,RNG k-模型在形式上和标准 k-模型类似,但由于方程中增加了使计算精度更高的附加项,包含了计算湍流 Prandtl 数的解析公式等,其计算功能要强于标准 k-模型。故湍流模型选择 RNG k-模型。为实现尾气排放污染物扩散,使用多组分运输模型,以 CO 代表尾气,模型中共包含两种组分,即空气和一氧化碳。尾气管道在排放气体污染物时,可假设为固定类型的汽车质量流量保持不变,且汽车排气管道在隧道中横向放置,对计算稳定性的影响较小,所以三辆汽车的尾气管道均采用质量流入口边界条件。通过查阅数据可知,大货车和小轿车排放尾气的质量流不同,在该模拟中,小轿车尾气 CO 排放质量流 mass fraction 设为 0.0 138 kg/s,大货车 mass fraction 设为 0.02 kg/s。11-12两种排气管排放气体以 CO 代替。隧道内汽车正向行驶,将隧道出口的边界条件设置为速度入口。隧道内车辆行驶最高速度不能超过 80 km/h(约为 22 m/s),且巴岳山隧道中没有最具体低时速要求,本研究中汽车行驶速度选取22 m/s、16 m/s、5.5 m/s 3 个工况。巴岳山隧道内设有通风装置,用风速计测量了巴岳山隧道内不同点无车辆通过时的风速,风速值0101地 下 空 间 与 工 程 学 报第 18 卷如表 1 所示。表 1巴岳山隧道风速测量结果Table 1Wind speed measurement results of Bayue Mountain Tunnel据隧道入口距离/m2506009501 3001 650风速/m/s5.8111.6993.6653.4425.141据隧道入口距离/m2 0002 3502 7003 050风速/m/s3.8453.3085.4993.666由上表可知,隧道内无车辆通过时的平均风速为 3.9 m/s。最大风速为约为 6 m/s,最小风速约为 2 m/s。模拟中参考测试的平均风速,隧道入口边界条件风速取 4 m/s。出口设置为压力出口边界条件(pressure outlet),无需定义其他参数。其他车身、隧道顶、隧道地面设为 wall。求解器采用压强-速度关联算法的 SIMPLE 算法。2模拟结果与分析2.1隧道中汽车尾气分布情况研究在短车距情况下,车速行驶速度 22 m/s(约80 km/h),汽车尾气排放情况如图 4、5 所示。除了 1 s 时的汽车 1 和 2 s 时的汽车 2 在汽车尾部形成了尾气气流旋涡,其余分布浓度规律基本呈自地面逐渐向上扩散。随着行驶时间的增加,在计算时间的 5 s 之内尾气 CO 主要分布在尾气管的高度上,少 部 分 扩 散 到 尾 气 管 上 方。车 速 行 驶 速 度16 m/s(约 58 km/h),汽车尾气排放情况如图 6、7所示,除了 1 s 时的汽车 1 在尾部形成了尾气气流旋涡,其余分布浓度规律基本呈自地面逐渐向上扩散。分析有两点原因:CO 密度在一个标准大气压下密度为 1.25 kg/m3,空气为 1.29 kg/m3,故一氧化碳密度略小于空气。CO 自车辆底部的尾气管排放后,逐渐向地面上部运移。在汽车行驶过程中会产生尾流,上方的气流向行驶的反方流动;汽车后方由于车辆快速驶离产生的负压强差,使上方、后方的气体都向汽车车身后面流动,因此在汽车后方形成了回流旋涡。在 CO 密布的区域,该回流使其分布也向旋涡状发展。随着车辆的不断行驶与尾气排放,CO 浓度积累逐渐增大,横向污染范围也逐渐增大,总纵向分布有所增加,但基本保持在车辆自身高度。如图 8 所示,短车距工况下车辆行驶速度为5.5 m/s 时,从 0 s 到 15 s 尾气污染物逐渐扩散并且在尾部逐渐成旋涡状分布,且分布范围较大。而速度变大至 16 m/s 和 22 m/s 时却很少形成旋涡,且分布规律基本一致,CO 自汽车尾气管排放,近地面处浓度最大,并向地面上部运移,由于中间大货车的 CO 排放量是两辆小车的两倍左右,故大货车尾部的 CO 浓度最高、分布范围最大。该工况下的 TKE 分布见图 9,呈逐渐扩大的趋势,随着汽车的移动,TKE 大小分布形状逐渐规律,分布范围逐渐扩大。3 个车速下 TKE 分布如图 5、图 7、9,车速为 22 m/s 情况下,汽车行驶 1 s 时 TKE 分布范围到汽车后 20 m 处。行驶过程中最大的 TKE 集中在最后一辆车车头处,即大货车后 10m 处,而后方由车尾开始动能从小到大且呈椭圆状发散,2 s 后一直延伸至汽车尾部后方 40 m 左右。图 4车速 22 ms-1时 CO 质量分数/%分布情况(短车距)Fig.4 CO mass fraction/%distribution at 22 ms-1(short distance)图 5车速 22 ms-1时 TKE/m2s-2分布情况(短车距)Fig.5TKE/m2s-2 distribution at 22 ms-1(short distance)图 6车速 16 ms-1时 CO 质量分数/%分布情况(短车距)Fig.6 CO mass fraction/%distribution at 16 ms-1(short distance)11012022 年增刊 2任涛,等:特长隧道汽车尾气流动规律研究图 7车速 16 ms-1时 TEK/m2s-2分布情况(短车距)Fig.7TKE/m2s-2 distribution at 16 ms-1(short distance)图 8车速 5.5 ms-1时 CO 质量分数/%分布情况(短车距)Fig.8CO mass fraction/%distribution at 5.5 ms-1(short distance)图 9车速 5.5 ms-1时 TKE/m2s-2分布情况(短车距)Fig.9TKE/m2s-2 distribution at 5.5 ms-1(short distance)在长车距的 3 个速度工况下如图 1015,分析图 10、图 12、图 14 中 CO 的分布,汽车行驶开始阶段0.02 s 时 CO 首先向上扩散,速度达到 22 m/s 和16 m/s 时,行驶的第 1 s 两辆小车车尾部会形成 CO浓度旋涡。而速度低至 5.5 m/s 时,小车 2 尾部在行驶的整个行驶时间阶段会形成 CO 浓度旋涡。说明行驶速度低时,更容易形成旋涡状的 CO 分布。观察长车距情况下 TKE 情况,即图 11、图 13、图 15,发现 TKE 同短车距一样,聚集在大货车后10 m 左右,但短车距因为大货车车尾后 9 m 处为小车 2,行驶过程中会影响到湍流的能量,使 TKE大小的云图形状随小车 2 的形状而改变。随着汽车行驶,湍流逐渐规律扩散,行驶 2 s 之后图中还可看出相比于小车,大的车型会产生更大的湍流动能,使气流扰动更加明显。图 10车速 22 ms-1时 CO 质量分数/%分布情况(长车距)Fig.10CO mass fraction/%distribution at 22 ms-1(long distance)图 11车速 22 ms-1时 TKE/m2s-2分布情况(长车距)Fig.11TKE/m2s-2 distribution at 22 ms-1(long distance)图 12车速 16 ms-1时 CO 质量分数/%分布情况(长车距)Fig.12CO mass fraction/%distribution at 16 ms-1(long distance)图 13车速 16 ms-1时 TKE/m2s-2分布情况(长车距)Fig.13TKE/m2s-2 distribution at 16 ms-1(long distance)图 14车速 5.5 ms-1时 CO 质量分数/%分布情况(长车距)Fig.14CO mass fraction/%distribution at 5.5 ms-1(long distance)图 15车速 5.5 ms-1时 TKE/m2s-2分布情况(长车距)Fig.15TKE/m2s-2 distribution at 5.5 ms-1(long distance)2101地 下 空 间 与 工 程 学 报第 18 卷2.2隧道中汽车尾气变化规律研究图 16 显示了不同工况下汽车行驶最末时间大货车后 1 m 的空气流体情况。图 16(a)、(b)、(c)分别描述了长车距下不同汽车行驶速度情况的 CO相对含量、空气流速 TKE 大小。可以看出不同车速下的流体分布趋势是一致的。近地面位置 CO的相对含量最高,随着高度的增加,CO 值迅速下降至 50%左右,在 0.5 m 和 1.5 m 的大致范围内保持基本不变,后又快速下降,在 2.25 m 的位置处几乎含量为 0。不同工况下 CO 的纵向污染范围变化不大。当汽车行驶的速度越大时,货车身后的气流速度也相应越大,在 1 m 至 2 m 的高度内,气流速度先从 0 增大后减小至 0,且其中最大值都超过了汽车行驶的本身速度,后又快速增大至 50 m/s、45 m/s、25 m/s。流场的 TKE 在高度 2 m 前呈缓慢增长趋势,在 2 m 左右快速增大并达到最高,最后快速下降至几乎为 0。分析原因,虽然有自隧道入口速度为 5 m/s 的图 16大货车后 1 m 不同车速下的流体规律Fig.16Fluid law at 1 m behind large truck at different speeds来流,但是由于汽车的遮挡作用,使货车后形成了一个速度为零的死角。在车辆行驶的过程中车后方形成一个负压区,后面上面的空气纷纷涌向车辆后方使车后 1 m 处高度在 2 m 之间的流速增加。且正如图 16(b)中显示的那样,车速越大,压强的作用就越明显。而当高度到达 2 m 左右,刚好是货车的高度值时,进入了车后流场的回流区,流体速度骤降。再往上离开回流区后进入货车上方的高速流动区,此时由于汽车上空前方压强沿着汽车行驶的反方向逐渐减小,使汽车上空为空气流动的高速区,并且汽车行驶的速度越大,所带动的空气速度流速 也 就 越 大。观 察 三 者 之 间 的 关 系,因 为TKE 区域气流的扰动明显,故气流的速度降低,并且高 TKE 将会稀释更多的污染物,所以在 TKE 大的区域,尾气污染物 CO 的相对含量小,在 TKE 几乎为 0 的区域,CO 的相对含量最高接近为 1。在云图中此规律也非常明显。在以上分析中,不同工况下汽车外流场的速度、TKE 虽然有所不同,但是 CO 的分布却大同小异。因 此 下 文 只 着 重 研 究 正 常 行 驶 速 度 60 km/h(16 m/s)下水平距离的污染物分布。图 17(a)、(b)反应的是不同工况下 CO 的相对含量在水平距离的分布情况。无论车距大小,不同车型的 CO 在距尾气管不同距离分布的趋势大体相似。图 a 中长车距下两个小车与大货车的曲线高度相似,在尾气管处 CO 的含量接近 100%,到0.5 m 的距离是一个小低峰,含量在 60%左右。距离达到 2.5 m 时,由 80%快速下降到 10%。分析原因有以下两点:尾气管口刚排出 CO 时浓度最大,后逐渐减小。之后由于 CO 的密度小于空气,CO 气体会逐渐向上空扩散,故一段时间后其含量再次上升。由于回流作用,CO 即使没有完全形成旋涡,也有转化成旋涡的趋势,故在远离排气管的一段距离后,CO 的含量再次增大,然后快速减小,31012022 年增刊 2任涛,等:特长隧道汽车尾气流动规律研究最终缓慢扩散到隧道的其他区域当中。图 b 短车距的情况下三辆车的差距较大,但整体趋势和长车距是相同的,发展原因也相同。但由于车辆之间距离相近,相互影响,使小车 1、大货车后 CO 含量回升的距离延长,而小车 2 后面因为没有其他汽车的影响,分布规律同长车距相比变化并不大。说明车辆距离相近时,污染物的扩散范围更小,更加不利于尾气污染物的扩散。图 17车速 16 ms-1时 CO 含量随距尾气管距离的变化Fig.17The change of CO content with the distance from the exhaust pipe when the vehicle speed is 16 ms-13结论(1)CO 的密度虽然小于空气,但是在汽车行驶的短时间内还是主要分布在隧道的近地面出,随后逐渐缓慢向高处扩散,且主要范围在车辆高度附近。在长车距或者车后没有其他车辆的影响以及车辆低速行驶时,CO 由于气流回流作用更容易在车后形成旋涡状分布。而其他工况下虽然没有形成旋涡,但也有形成旋涡的趋势。(2)行车速度越大湍流动能和气流速度也就越大。在一种行驶速度下车后同一位置的 CO 相对含量、气流速度、湍流动能三者之间关系如下:湍流动能大的位置由于气流扰动明显,气流速度会降低,高湍流强度还会会稀释污染物使高 TKE 处的CO 浓度降低。高湍流强度主要集中在大货车后10m 左右。(3)长车距下不同车速的 CO 含量分布规律大体相似,但是短车距情况下后方汽车的存在会则影响前方车辆产生的 CO 分布,使 CO 的的扩散速度减慢,不利于尾气污染物的快速分散。参考文献(References)1徐金贵.汽车尾气排放的危害及治理措施分析J.内燃机与配件,2021(21):225-226.2金晨阳,陈军辉,范武波,李媛,马冬,张懿,唐斌雁,王杰,钱骏,刘政.机动车尾气排放模型应用及研究进展J.环境科学导刊,2020,39(2):42-48.3张金贵,贾德生,张东省,王博.公路隧道内运动汽车尾气污染扩散数值仿真研究J.环境监测管理与技术,2017,29(1):11-15.4卢银彬,刘宁,张孙孝.隧道内机动车尾气排放污染范围的数值模拟J.科学技术与工程,2020,20(4):1697-1703.5肖翠翠,贾蕾,许志华.车辆行驶速度对机动车污染排放影响的实证研究J.干旱区资源与环境,2017,31(10):131-137.6崔晨,刘伟,毛洪钧等.基于高斯模式的天津机动车尾气扩散模拟研究J.哈尔滨商业大学学报(自然科学版),2018,34(1):54-60.7彭鹏铭.基于聚类分析的公路隧道 VOCs 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