城市隧道口机动车污染物扩散特性的数值模拟研究

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本文运用在国际上较流行的计算流体动力学(CFD)软件中的Fluent来模拟城市隧道口机动车污染物的扩散特性。本文首先通过引用其他参考文献中已知南京鼓楼隧道口的实测数据来验证Fluent计算结果的可信性。然后通过计算不需借助外界通风就可满足隧道内部通风要求的临界隧道长度,分析了隧道需风量与车速、坡度、车流量的关系,并根据所求需风量的大小确定了隧道内废气排放方案及其在不同方案下的污染物排放浓度。然后又分析了不同风向、风速、隧道长度、隧道出口方式等条件下污染物的扩散特征及超标范围。最后通过比较分析在隧道口直接排放、通过竖井排放及设置挡壁墙三种不同方式下对隧道口周边环境的影响情况,并分析了排风竖井在随竖井高度及外界不同风速的影响下的特征、挡壁墙在不同长度与高度的组合下污染物扩散特性对周边环境的影响。通过上述分析本文得出以下主要结论:1隧道通风方式确定隧道通风方式:当隧道长度小于1500m,自然通风即可满足隧道内各项环保要求;1500~3000m时,可采用纵向通风方式和全射流通风,但全射流通风对防火救灾不利,因此应采用纵向通风方案;3000~6000m时,纵向通风的同时宜设置1个通风竖井;大于6000m时,应在采用纵向通风的同时设置2个通风竖井。2不同风向、风速、隧道长度等对隧道口机动车污染物扩散的影响1)当隧道出口风向与外界自然风风向一致时,沿隧道出口方向超标范围增大,但增大范围较小;隧道出口风向与外界自然风(2.5m/s)风向相对时,沿隧道出口方向超标范围缩小,道路两侧超标范围增大;通过比较CO、NO2超标范围可以发现,NO2超标范围较CO超标范围大,因此关注隧道内NO2污染应引起重视。2)在风向为侧向风(本文文西风)时,当风速小于2.0m/s时,风速每增加0.5m/s,CO、NO2侧向最大超标距离均增加5m;当风速从2.0m/s增至2.5m/s时,CO、NO2侧向最大超标距离均增加10m;当风速从2.5m/s增至3.0m/s时,CO、NO2侧向最大超标距离基本不变,主要影响其轴向超标范围;当风速从3.0m/s增至3.5m/s时,CO、NO2侧向最大超标距离增加约18m。3)当隧道长度小于1500m时,CO、NO2侧向最大超标距离、沿隧道轴线方向超标范围均随着隧道长度的增加而增加;隧道长度大于1500m时,CO、NO2侧向最大超标距离随着隧道长度的增加略有减小。3不同排放方式对周边环境的影响1)隧道内机动车污染物从隧道口直接排放时对周边环境不利,需采取一定的措施减小污染。通过本文计算的污染物排放情况来看,NO2对环境的影响较CO稍大,因此NO2在隧道问题上应引起足够的重视。2)竖井高度为20m时,侧向风速每增加1m/s,CO沿竖井轴线方向超标距离减小18m,侧向最大超标距离增大7m;NO2侧向最大超标距离增大7m。竖井高度为50m时,侧向风速每增加1m/s,CO沿竖井轴线方向超标距离减小18m,侧向最大超标距离增大7m;NO2沿竖井轴线方向超标距离减小18m,侧向最大超标距离增大5m。竖井高度为100m,侧向风速每增加1m/s,CO沿竖井轴线方向超标距离减小14m,侧向最大超标距离增大5m;NO2沿竖井轴线方向超标距离减小19m,侧向最大超标距离增大6m。3)隧道口污染物经竖井排放或设置挡壁墙均能减小对周边环境的影响,采取何种措施时应根据所处地理位置条件选取,道路两边无高大建筑物时采用竖井排风;当隧道口处设置挡壁墙时,挡壁墙的高度应高于隧道口高度,且挡壁墙长度尽可能加长。
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