相对封闭的隧道中,机动车排放污染物会对司乘人员与道路养护人员的健康造成危害。隧道通风工程设计的主要目的是为了有效控制隧道内机动车行驶过程中排放污染物的浓度水平,确保隧道内人员健康及出口周围环境安全。多点进出城市地下道路机动车污染物综合排放和浓度扩散特性受交通特征、隧道结构特征、机动车单车排放特性等因素影响。课题组于2011年10月至2015年7月先后多次对北京、上海、长沙等地的城市地下道路污染物浓度水平和通风系统运行情况在交通高峰时段进行了大量的现场实测调查 ^[1,2,3]。结果表明,随着我国机动车排放标准的日趋严格,机动车排放量较2000年已有较大程度的下降,与欧美等发达国家的差距逐渐减小;推算得到机动车流综合平均CO和NO_x排放因子与世界道路协会(PIARC)2012年关于中国地区的研究结果相近。动态的污染物排放特性和多点进出隧道的匝道结构都直接影响主隧道污染物的浓度分布特性和通风控制方案。污染物对流传质扩散过程不仅包括机动车本身排放源项,还包括合流匝道和分流匝道的污染物源流与汇流源项,其预测和求解沿程污染物浓度分布非常复杂。如何定量预测多点进出隧道污染物浓度分布并合理进行通风控制成为重点研究的问题之一。

　　 实际交通特征和隧道结构对交通风速、污染物排放和浓度水平的影响都使污染物扩散规律存在很多不确定因素。需要通过模型实验台对污染物扩散特性的各种影响因素分别进行实验研究。国内鲜有针对多点进出城市地下道路的模型实验台,多为针对平直公路隧道的实验台。李永林建立了长度100 m的1∶1实验隧道 ^[4];孟伟通过模型实验验证了雪峰山隧道通风设计的合理性 ^[5];Staehlin等人的示踪气体SF6实验结果表明,机动车排入隧道内的污染物会在隧道的横截面上快速扩散均匀 ^[6];Cui等人通过实验验证了CO₂浓度衰减方法在隧道断面上通风的有效性 ^[7];于燕玲建立了污水隧道的缩尺模型实验台,以CO₂为示踪气体,研究风管内各断面空气流速和CO₂气体浓度分布规律,并结合数值模拟方法对实际工程的通风性能进行了分析 ^[8]。

　　 为了合理确定分岔隧道结构对污染物扩散的影响,基于研究团队关于长沙营盘路隧道的大量现场实测数据及相关理论模型研究成果,采用相似分析法进行了1∶8缩尺模型实验,重点分析交通风量、合流匝道及分流匝道结构对主隧道污染物浓度分布的影响规律,为城市地下道路内污染物浓度的通风控制与运行提供参考。

　　 以长沙隧道为原型搭建了1∶8缩尺模型实验台,通过缩尺模型实验研究方法,进一步分析分(合)流匝道对多点进出城市地下道路空气流动特性及污染物扩散特性的影响规律。

　　 根据流体力学流动相似理论,以长沙营盘路隧道为原型,基于雷诺相似准则和几何相似准则搭建了1∶8缩尺模型比例实验台,如图1所示。实验台主要由风机、软连接、整流段、格栅段、主隧道段、变径段、支遂道段等组成,其中变径段长5 m,风管材料采用镀锌板。示踪气体浓度、风速、风压测试仪器及通风机等的性能参数如表1所示。各测量断面位置与局部构件的距离按照上游大于隧道模型当量直径的2倍、下游大于隧道模型当量直径的3～5倍的原则确定。

　　 根据GB 50243—2016《通风与空调工程施工质量验收规范》要求,采用热线风速仪直接测量风管断面平均风速,然后求取风量。测量断面选择距上游局部阻力部件的距离不小于5倍矩形风管长边尺寸、距下游局部阻力构件的距离不小于2倍矩形风管长边尺寸的管段位置。风速测量断面测点布置如图2所示。测量结果显示,各点风速相差不大,虽然距离断面边缘距离相同,但是风道底面的风速比边缘大,说明气流的边界层很薄,绝大多数区域速度相同,满足充分湍流的特征。由于在实际处理中没有对风道底面加糙,此处的风速偏大一些,也和实际情况相符合。

　　 污染物扩散特性模型实验测试参数主要为示踪气体CO₂浓度和风速,采用室内空气品质监测仪TSI7575和微风速仪435-2。测量误差如下:

　　 1) CO₂浓度测量误差。

　　 室内空气品质监测仪TSI7575中,CO₂(IAQ 982探头)精度为读数的±3.0%或±50×10^-6,取较大值。所以CO₂浓度测量误差δ_CO2=1±3%测量值。

　　 除了采用以上方法修正浓度误差外,采用主隧道下游与上游示踪气体CO₂的浓度比值C₂/C₁的相对数值分析污染物扩散特性。

　　 2) 风速测量误差。

　　 由于风速不是微风速仪435-2的内置测量参数,微风速仪只具有显示记录读数的作用,所以风速测量的系统误差均来自热敏式风速探头。热敏式风速探头的精度为±(0.01 m/s+0.2%测量值),所以热敏式风速探头配合微风速仪测量风速的误差δ_vr=0.01±0.2%测量值。

　　 3) 本实验没有考虑机动车沿程排放量的累积,污染物排放量累积量由污染物浓度体现。不同浓度的CO₂示踪气体扩散特性能够反映不同污染物排放量累积量的影响。模型实验风机产生的空气流速代表交通风速,每一个实验工况对应一定风速,根据风量平衡和污染物质量守恒定律,可以获得合流或分流后隧道内污染物的浓度分布特性。

　　 4) 压力测量误差。

　　 根据文献[9],被测倾斜式微压计示值误差Δp为

　　 $\text{Δ}p=\overline{p}\frac{\rho }{\rho {}_1}-p{}_{\text{s}}+\text{Δ}p{}_{\text{g}}(1)$

　　 式中$\overline{p}$为被测倾斜式微压计在某一倾斜常数上的压力示值,即测量值,Pa;ρ为倾斜式微压计实际工作液体的密度,kg/m³,体积分数为95%的乙醇密度为789 kg/m³;ρ₁为倾斜式微压计铭牌上标示的工作液体密度,为810 kg/m³;p_s为标准补偿式微压计的压力值,为0.29 Pa;Δp_g为被检表估读值,为0.47 Pa。

　　 考虑到实际隧道交通风速可以满足自动模型区Re>5×10⁴的条件,因此只需满足几何相似和边界条件相似的条件,即可使模型与原型流动保持相似。此时,对应的模型实验最小风速为0.7 m/s,风速变化范围为0.7～7.0 m/s。

　　 根据实测调研结果,目前在运营的隧道以两车道为主,为了与实测数据对比分析,模型实验台确定为两车道。通过几条隧道的对比,选择两车道矩形截面作为实验台模型的标准截面,每个车道宽3.75 m,车道两边各留出0.5 m的富余宽度,故隧道典型宽度为8.5 m;可通行大货车、大客车的隧道,高度均在5 m左右,只允许小型车通行的隧道,高度在3～4 m之间,考虑到城市地下道路可通行公交车的情况,选择典型高度为5 m。

　　 隧道典型截面原型与模型断面几何尺寸分别如图3和图2所示。

　　 采用等效模拟法将隧道进行缩小。隧道长3 000 m,若按照1∶8的比尺缩小,利用阻力格栅减小模型的长度。直道模型长度取30 m,故需加入局部阻力系数为10.971的阻力格栅,即可满足原型与模型相似。

　　 扩散相似的条件是对于几何相似的流场,还必须浓度场相似。在动力相似的基础上,污染物浓度场相似准则关联式为

　　 $Sh=f(Re,Sc)(2)$

　　 式中 Sh为舍伍德数;Re为雷诺数;Sc为施密特数。

　　 在进行模型实验时,为保证模型实验中的现象与原型相似,必须保证模型与原型现象单值性条件相似,而且同名的已定准则相等,本实验即需要Re和Sc分别相等。

　　 本研究拟采用CO₂作为示踪气体进行污染物CO扩散特性实验研究 ^[10,11]。考虑到相同温度条件下干冰的升华速率可保持不变,Štávová探讨了示踪气体均匀性问题和数据处理的方法 ^[12]。实验过程中,使用干冰将CO₂释放到模型实验区域内,并保证测量区域内示踪气体浓度均匀,通过分析一定时间段内气体浓度沿程变化规律,获得气体扩散分布特性。图4显示了CO₂示踪气体释放实验的释放装置与实验结果,结果表明,106 s内干冰的释放速率通过分流段上下游相对稳定。齐美薇等人的实验证明,相同温度条件下干冰的升华速率保持不变 ^[13]。虽然CO₂分子量大于空气平均分子量,CO和NO分子量小于空气平均分子量,但是由于隧道模型内为湍流流动状况,CO₂在空气中扩散均匀。并且,根据查普曼-恩斯考格(Chapman-Enskog)公式 ^[14]计算得到机动车排放气体污染物(CO和NO)扩散系数(约为0.195 cm²/s)(在300 K,101 300 Pa条件下)与CO₂扩散系数(约为0.15 cm²/s)近似相等,平均偏差为4.5%。

　　 机动车行驶过程中产生的交通风速直接受车速、交通流量、隧道结构特征(长度、断面积)与机动车几何形状所导致的空气动力特性等因素的影响,其中车速的影响最为显著。图5显示了交通风速与交通流量、车速的关系。由图5可以看出:在实测交通流量变化情况下,车速越高,产生的交通风速也越大;早高峰期间(07:10—9:15),主隧道两车道交通流量平均值为3 006辆/h(标准车车流量),08:40前后交通流量和平均车速都较低,交通处于阻塞状况;07:10之前和09:15之后交通流量较低且平均车速较高,交通处于正常状况;交通状况大部分处于中低速工况(平均车速为20～40 km/h),主隧道产生的交通活塞风速平均值约为3.0 m/s。所以模型实验台风机风速模拟可以反映交通活塞风的影响。实验台风速测量范围为1.0～7.0 m/s。

　　 根据电学中的基尔霍夫定律,节点各个方向流进节点的通量之和等于0。例如,对于合流匝道段(见图1b),即有下式成立:

　　 $A{}_{\text{r}3}v{}_{\text{r}3}C{}_3+A{}_{\text{r}2}v{}_{\text{r}2}C{}_2=A{}_{\text{r}1}v{}_{\text{r}1}C{}_1(3)$

　　 式中 A_ri(i=1,2,3)为测点i所在隧道的断面积,m²;v_ri为测点i所在隧道内的平均风速,m/s;C_i为测点i所在隧道x方向污染物质量浓度,mg/m³。

　　 为了客观反映支隧道段与主隧道上下游段污染物浓度变化规律,应用式(4)进行分析。

　　 $C{}_{1-3}=\frac{v{}_{\text{r}3}\frac{C{}_3}{C{}_1}}{v{}_{\text{r}3}\frac{C{}_3}{C{}_1}+v{}_{\text{r}2}\frac{C{}_2}{C{}_1}}=\frac{v{}_{\text{r}3}}{v{}_{\text{r}3}+v{}_{\text{r}2}}=\frac{Q{}_{1-3}}{Q{}_{1-3}+Q{}_{1-2}}(4)$

　　 式中 C_1-3为支隧道与主隧道污染物浓度分配比例;Q_1-3为测点3风量与测点1风量之比,即支隧道与主隧道的风量比;Q_1-2为测点2风量与测点1风量之比。

　　 对于合流匝道段,重点关注主隧道下游与上游示踪气体CO₂的浓度比值C₂/C₁(简称浓度衰减率);对于分流匝道段,重点分析支隧道与主隧道示踪气体CO₂浓度分配比例C_1-3(简称污染物扩散率)。根据分流节点风量守恒,分流节点前后各点污染物浓度相等,即C₃=C₂=C₁,所以1—3段分配比例只与隧道各段风量比例相关。

　　 为了定量把握分(合)流匝道段对隧道内空气流动特性的影响规律,结合1∶8缩尺模型实验方法,重点研究分(合)流匝道主支流夹角分别为0°和30°时其对空气流动阻力特性的影响。实验过程中,实测各采样点的风速和风压。风速每20 s采集1次,连续采集30 min;风压每5 min采集1次,采集30 min,共6组数据。根据大量实测结果,主隧道风速变化范围实验设定为2～7 m/s,支隧道风速变化范围实验设定为1～4 m/s,限于实验条件,更多流动阻力特性数据课题组通过模拟计算获得,文献[15]分析了模型实验与模拟方法的一致性。

　　 图6显示了支隧道局部阻力系数与风量比、夹角的关系。由图6可以看出:无论是分流匝道还是合流匝道,支隧道的局部阻力系数均与支隧道与主隧道的风量比Q_1-3密切关联;对于分流匝道,支隧道的局部阻力系数随风量比的增大呈减小趋势,且受夹角变化的影响较小;对于合流匝道,支隧道的局部阻力系数随风量比的增大呈增大的趋势,同样受夹角变化的影响较小;另外,随着夹角的增大,支隧道局部阻力系数亦增大,风量比和支隧道的风量也增大,表明支隧道有稀释通风的能力;分流匝道的这种影响规律相对更明显一些。

　　 研究不同风速条件下,分(合)流匝道主、支隧道夹角变化(0°,10°,20°)对支隧道污染物扩散特性的影响规律。取400 g干冰在1 500 g常温水域中释放CO₂作为污染源。合流匝道实验时,支隧道风速保持为1.2 m/s,主隧道下游风速v_r为3.5～6.9 m/s,夹角分别按10°和20°考虑;分流匝道实验时,上游主隧道风机频率分别控制在20 Hz和30 Hz,夹角分别按0°和10°考虑,对应工况采集支隧道风速数据。

　　 图7显示了合(分)流匝道段各个工况污染物分配规律。由图7a可以看出:对于合流匝道,支隧道夹角为10°时,主隧道下游CO₂平均浓度衰减率从67.3%减小到62.6%;支隧道夹角为20°时,主隧道下游CO₂平均浓度衰减率从56.1%减小到44.2%,其变化规律与单点进出直隧道类似,合流匝道段对主隧道CO₂浓度增加的贡献作用不明显;另外,随着支隧道夹角的增大,主隧道下游CO₂平均浓度衰减率呈减小趋势,这是因为支隧道夹角增大的同时,支隧道的风量也增大,起到了稀释污染物浓度的作用。

　　 由图7b可以看出:对于分流匝道,在主隧道上游风机频率变化(20,30 Hz)、支隧道夹角变化(0°,10°)条件下,支隧道夹角为0°且风速从2.0 m/s增大至3.0 m/s时,污染物浓度比减小了2.3%;支隧道夹角为10°且风速从1.7 m/s增大至2.6 m/s时,污染物浓度比减小了10.2%,分流匝道对主隧道污染物浓度减小作用凸显;另外,支隧道夹角增大,污染物浓度比亦随之增大,说明支隧道局部阻力增大对降低隧道污染物浓度水平不利。

　　 当已知隧道结构参数、交通风速、主隧道和支隧道入口污染物浓度,且通过缩尺寸模型实验获得支隧道与主隧道浓度分配比例C_1-3,由多点进出隧道污染物扩散理论模型 ^[16]可得多点进出隧道污染物浓度分布。结合长沙隧道实测结果与缩尺寸模型实验,进一步分析分流匝道汇项和合流匝道源项等因素对主隧道污染物浓度分布的影响。

　　 合流匝道虽然带入主隧道污染物,但同时还带入主隧道交通风量,对主隧道污染物浓度有稀释作用。忽略合流匝道对主隧道污染物浓度分布的影响,采用直隧道浓度扩散理论模型计算式 ^[15]计算合流段前后主隧道污染物的浓度分布,计算结果与实测结果的比较如图8所示,平均误差为5.36%。因此,合流匝道带入主隧道污染物的同时带入的空气流对主隧道污染物有稀释作用,合流匝道源项对主隧道污染物浓度分布影响不大,可忽略合流匝道源项对主隧道污染物浓度分布的影响。

　　 分流支隧道对减小下游主隧道污染物浓度水平同样起到了积极作用。2.2节通过分流段模型实验可以获得支隧道与主隧道浓度分配比例C_1-3。图9显示了分流支隧道对主隧道污染物浓度分布的影响。由图9可以看出:合流段前后主隧道污染物浓度与直隧道模型计算结果一致;通过分流支隧道后,当风速为1.7 m/s(20 Hz)时,支隧道分流作用使得污染物浓度与直隧道相比平均降低了20.6%;当风速增大为2.6 m/s(30 Hz)时,支隧道分流作用使得污染物浓度与直隧道相比平均降低了29.9%。主隧道交通风速越大,支隧道分流作用越显著。

　　 1) 主隧道与匝道风量比、主隧道与匝道的夹角是影响分(合)流匝道局部阻力系数的关键因素。随着夹角的增大,支隧道局部阻力系数亦增大,风量比也增大,不过分流匝道的这种影响规律相对更明显一些。

　　 2) 合流匝道段对主隧道CO₂浓度增大的贡献作用不明显。随着支隧道夹角的增大,主隧道下游CO₂平均浓度衰减率呈下降趋势,起到了稀释污染物浓度的作用。

　　 3) 分流匝道对主隧道污染物浓度减小作用凸显。支隧道夹角越大,污染物浓度比也越大,说明支隧道局部阻力增大对降低隧道污染物浓度水平不利。

　　 4) 分流匝道对减小下游主隧道污染物浓度水平同样起到了积极作用。当风速增大为2.6 m/s(30 Hz)时,支隧道分流作用使得污染物浓度与直隧道相比平均降低了29.9%。主隧道交通风速越大,支隧道分流作用越显著。