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1、第42卷第4期现代隧道技术Vol.42No.42005年8月ModernTunnellingTechnologyAug.2005文章编号:1009-6582(2005)04-0068-04运营公路隧道空气污染物纵向分布的数值模拟李祖伟何川方勇王明年(西南交通大学地下工程系,成都610031)摘要文章通过建立单向行驶隧道空气污染物浓度分布的对流-扩散一维有限差分方程,并利用隧道内交通流仿真的结果,得出了污染源项的离散形式。在进行交通流仿真的同时,实时地求解该差分方程,从而确定隧道内污染物浓度沿纵向的分布规律。对仿真
2、结果的分析表明,交通流对隧道内空气污染物浓度分布有极大影响,其结果可为研究隧道空气污染的扩散提供重要依据。关键词公路隧道空气污染物有限差分仿真动态分布中图分类号:U453.5文献标识码:A过程,即污染物在隧道空气中的扩散运动或衰减转1前言化。污染物在隧道风流中的扩散运动十分复杂,它车辆在隧道内行驶时排出的废气和卷起的尘埃不仅决定于污染物和空气的物理力学性质,而且与会妨碍行车安全和对人体造成危害,为保证车辆在隧道内空气流动状态、车辆运行速度、车辆数量等密隧道内的安全行驶和良好的行车环境,需对隧道进切相关。隧道通风过
3、程同时也是污染物在风流中的行运营通风。另一方面,由于能源危机等原因,在保运移过程,污染物在风流中的运移主要包括分子扩证安全的同时需尽可能多地减少耗电量,这就需要散、对流运移、紊流扩散、衰减转化四种形式。在分对隧道内污染物浓度的大小及分布情况进行计算,析公路隧道风流中污染物浓度分布时,污染物在风进而评价通风效果,为风机的开启和关闭提供依据。流中的分子扩散和衰减转化相对于其它两项来说可车辆对隧道内空气的污染主要包括汽车扬起的灰以忽略,即污染物在风流中的运移主要通过对流运[2]尘、发动机排放的烟雾、碳氧化合物(主要是C
4、O)、移和紊流扩散两种形式。碳氢化合物(HC),在通风计算中主要考虑的是CO、对于不设中间竖井的公路隧道,在一维条件下,[4]烟雾浓度。《公路隧道通风照明设计规范》给出的隧道内污染物浓度的扩散方程为计算式中假定隧道内污染物浓度分布是稳态的,这5C(x,t)55C5C与实际情况有很大出入,因为隧道内车辆是离散的,=K-v+q-qs(1)5t5x5x5x且不断地有车入洞和出洞,它们的位置、速度、车型3式中C———污染物的质量浓度(kg/m);等都是瞬时变化的,这必然导致隧道内污染物浓度2K———扩散系数(m/s);的
5、分布是时时刻刻变化着的。本文将仿真技术与数3q———污染物产生率(kg/m·s);值计算相结合,对实际情况下隧道内空气污染物浓3qs———由于风机引起的污染物运移率(kg/m·s);度的分布进行研究。v———隧道内风速(m/s)。2数学模型等式右边第一项为紊流扩散项,第二项为对流扩散项,第三项为源项。而风机引起的污染物运移2.1污染物扩散方程及边界条件一般只在风机附近产生影响,故在数值计算中不考车辆通过隧道时所排放的污染物首先与空气相虑,即认为qs=0。混合,污染物在与空气混合和运移过程中不断扩散(1)初值条件运
6、移。污染物运移过程是指污染物在风流中运动的假定在t=0时刻,隧道内污染物浓度沿长度方修改稿返回日期:2005-01-19作者简介:李祖伟,男,教授级高级工程师,在职博士研究生.·68·©1994-2006ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.net运营公路隧道空气污染物纵向分布的数值模拟0向的分布是已知的,即式中,h=L/N,t=T/M,其CN为已知值。结点C(x,t)
7、t=0=f(x)(2)
8、N+1代表的是多添加的那段隧道,该结点本身无实(2)边值条件际意义,只是为了方便求出结点N在长度方向的二由于隧道入口处的污染物浓度为大气背景浓阶差商,因为采用的向后差分,故求二阶差商时只需度,为已知值,通常假定等于0,即添加一个结点。C(x,t)
9、x=0=0(3)当在时间方向上只有一个步长时,其网格如图在隧道出口处,为了创造边界条件,便于差分方2所示。程的求解,人为地多添加一段虚拟的隧道,该虚拟的隧道内没有源项,且污染物浓度与隧道实际出口段的污染物浓度相同,即污染物浓度对位置的偏导数在该处为0,数学表达式为5C(
10、x,t)
11、x=L=0(4)图2一个时间步的差分网格5xFig.2Finitedifferencemeshforonetimestep2.2扩散方程的差分格式从方程(1)中可以看出,污染物浓度分布式是由差分方程(5)可以写出该条件下的如下矩阵一个变源项的对流-扩散方程,对于隧道通风来说,表达式:源项就是行驶的车辆,它们的位置、大小、个数是随1bcC1d1时间不断变化的,故一
