台湾雪山特长公路隧道通风系统分析_金文良

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公路隧道
2009 年第 4 期( 总第 68 期)
东线隧道 西线隧道
Q sh 1 70 175
Q sh2 262 385
Q sh3 240 287
Vr 7. 11 8. 2
图 4 下坡隧道塞车, 两隧道共用竖井 进行最经济 通风的浓度分布
第三种情况: 两隧道各自独立通风, 西向隧道上 坡且车流拥塞( 表 2) 。
小车排放 CO 基本量
0. 12m3 hr
大车排放烟雾基本量
0m3 hr
小车排放烟雾基本量
125m3 hr
CO 允许浓度
70 p pm
V I 允许浓度
0. 007m- 1
设计浓度比例
0. 8
污染物紊流扩散系数
0m 2 s- 1
隧道坡度
1. 26% - 1. 26%
车速
50km/ h 70km/ h
车速修正因子
度, 而 降 低 程 度 视 实 际 交 通 状 况 决 定。 本 文 以
Crank- Nicolson 有限差分法解式 ( 7) 来得到污染 物浓度分布。
3. 2 估算车辆排放污染物的速率
在道路行驶车辆所排放出的污染物浓度, 视行 车状况而定。一般以下式表示:
q = q0 # f i # f v # f h
公路隧道
2009 年第 4 期( 总第 68 期)
台湾雪山特长公路隧道通风系统分析
金文良 编译
( 广东省公路勘察规划设计院有限公司 广州 510507)
摘 要 本文通过空气动力学及污染物运动分析发展程 序模拟台湾雪山隧道内的污 染物浓度分 布。车行上坡 隧
道塞车是雪山隧道的最大通风需求工况, 雪山隧 道通风设计 最大的 特点是将 通风竖 井和空 气互换 管道整 合一体, 故隧 道塞车时的最大通风需求可由相邻隧道共同分担。通风竖井或空气互换处是 隧道内空气 最污浊的 地方, 通 风 设备运作使通风竖井或空气互换处的污染 物浓度 恰能 符合安 全标 准即 可; 通 风竖 井较 空气互 换耗 电但排 污最 有 效, 空气互换对平衡两隧道通风需求差都有优良效 果, 两者功 能类似。本 文模拟 雪山隧 道在数种 不同交 通流状 况 下的通风需求及隧道内的污染物分布。
( 2) 若调整时设定每座竖井流量相同, 则隧道内 大部份区域的污染物浓度低于安全标准。已知风机 功率与送风量的立方成正比, 通风超过实际所需太 多, 将造成不必要的能源消耗; 最经济的做法是调整 使每座竖井位置的烟雾浓度恰合安全标准即可。
( 3) 自隧道上游第一座竖井开始调整流量, 每座 竖井的流量只需使该通风区出口( 下游临近竖井处) 达到( 2) 所述的经济目标。
( 2)
( 1) 隧道两端大气压差所造成的自然风力
Fn =
2QA r ( E+
F+
f
L DH
)Vn
Vn
( 3)
( 2) 交通风力
Ft = 2QA eN + ( V t - V r ) 2 - Q2 A eN - ( V t + V r ) 2
( 4)
( 3) 通风竖井推力
Fs =
QQ b ( K b
雪山东、西隧道共用 3 座通风竖井及 3 座空气 互换 管 道, 通 风 竖 井 位 置 分 别 在 1. 85、5. 94、 9. 58km 处( 由西向 东) ; 空气 互换管道 位置分别 在 3. 88、7. 78、11. 20km 处( 由西向东) , 故每两座共同 通风竖井间有一座空气互换管道, 第三座空气互换 管道则位于第三座通风竖井与隧道东边出口间, 系 统如图 2 所示。外界新鲜的空气送风井送入后, 分 成两股气流流入两隧道内与隧道内的空气合并, 然
0. 96
1. 07
道路高度修正因子
1. 13
道路坡度修正因子
1
1. 1
车速- 坡度修正因子
0. 67
2. 04
在初次试验中, 以烟雾为通风对象, 因为雪山隧 道的最大通风需求由烟雾决定。设定每座竖井的流 量皆相等, 则隧道中烟雾浓度的最高点出现在最下 游的竖井处或隧道的出口, 经过数次迭代竖井流量 可得到隧道中最高浓度恰满足安全标准( 本文设为
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2009 年第 4 期( 总第 68 期)
示,
9C 9t
=-
Vr
9C 9x
+
D
9 9
2 2
C x
+
#
Q-
CQ b A r $x
( 8)
等号右边第一项代表污染物向下游传递, 第二
项代表污染物的紊流扩散速率, 第三项代表污染源 产生污染物速率, 第四项代表通风竖井抽出污染物
速率。污染物在隧道中紊流扩散可降低局部最高浓
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公路隧道
用就如同是通风需求大的隧道的额外通风管道, 即 交换空气可分担单孔通风所需的庞大通风负荷。
2 汽车隧道内的空气动力学分析
对隧道内气流进行空气动力学分析之前, 进行
假设: ¹ 一维不可压缩流; º隧道断面积不变; »通
风竖井的排气与进气流量相同。
考虑隧道内壁所围成的区域为控制体积, 流经 隧道内的空气有如一条空气柱, 在连续、不可压缩的
条件下, 流入隧道的空气质量等于流出去的空气质
量, 则隧道中纵向风速只是时间的函数, 任一时刻的
风速在每一横切面都一样; 引用牛顿第二定律來分 析空气柱的运动, 加速度为:
EF =
M
dV r dt
( 1)
由分析知隧道内的风速受 5 种作用力的影响:
E F = Fn + Ft + Fs + Fj + Ff
0. 0056m- 1) 时的竖井流量, 见图 3。例如第一个通 风竖井 Q sh1 的送风量为 605m3 / s, 其中 240m3 / s 提 供给东向隧道, 365m3/ s 提供给西向隧道, 而排风量 则假设与送风量相同。东向代表由台北到宜兰, 西 向代表由宜兰到台北。另外, 在迭代竖井流量的过 程中, 隧道风速的变化很小, 故可知隧道通风在正常 运作状况下主要是由车行效应所提供的交通风力占
( 10)
#
在( 8) 中提到的 Q 为单位控制体积内的污染物
产生率( ppms- 1 ) , 以下式计算:
车流密度:
D pc
=
交通流量率( 车辆数/ 交通速率( km / h)
h)
单位距离 $x 所含车数 N = D pc @ $x ( km)
Q=
q # N # 106 A r # $x # 3600
3 隧道污染物分析
3. 1 污染物运动 污染物被排放到空气中, 主要是借着空气的流
动而传递, 另外通风设备( 射流风机、竖井) 及车辆行 驶都将造成周围空气迅速地均匀混合, 程度依状况 而不同。取隧道内壁所围成的一段控制体积分析其 中污染物浓度变化, 以体积百分率来表示污染物浓 度, 空气的进出及内部污染源产生污染物, 都会改变 污染物的浓度。污染物的运动 方程式可以下 式表
Vr 7. 75 8. 12
图 5 上坡隧道塞车, 竖井无法对该隧道进行充分 通风, 浓度超过安全标准
这是一个非常极端的现象, 西向隧道的通风需 求非常庞大而东向隧道的需求很小。首先, 依前述 的方法迭代调整西向隧道的竖井流量, 发现在上游 第一座竖井位置的烟雾浓度就已经超过了安全标准 ( 0. 0056m- 1, 图 5) , 显示该段通风区间的通风不足, 此时若加强通风设备运转, 所耗去的电量将非常可 观; 若不控制进入该隧道的交通量以减轻负荷( 每条 隧道皆有其最大交通负荷量) , 则必须有其它措施以 维持空气质量, 例如静电集尘可降低烟雾浓度, 或与 通风需求较低 的隧道交换空气以降低 污染物浓度 等。当欲依前述的方法调整出第一座竖井所需流量 时, 发现即使竖井将上游的污浊空气完全排出并打 入等量的新鲜空气, 仍然无法使第二座竖井位置的 烟雾浓度合于安全标准。
第一种情况: 两隧道各自独立通风, 西向隧道上 坡, 东向隧道车流拥塞, 设定每座竖井 的流量皆相 等, 详见表 1。
金文良 台湾雪山特长公路隧道通风系统分析
表 1 雪山隧道竖井通风模拟参数
项
目
东向隧道 西向隧道
( 下坡)
( 上坡)
空气密度
1. 2kg m- 3
自然风速
0ms- 1
隧道全长
12 93 0m
( 9)
式中, q0 ) ) ) 每部车的基本排放量, 随车而异;
f i ) ) ) 道路坡度修正因子, 无坡度时值为 1;
f v ) ) ) 车速修正因子, 车速在 60km/ h 时值为
1;
f h ) ) ) 道路高度修正因子, 在海平面时值为 1。
若污染物是烟雾, 则:
q = q0 # f iv # f h # m
Q A
b b
cos
B-
K eV r)
( 5)
( 4) 射流风机升压力
Fj =
nGm QQ
j
(
Qj Aj
-
Vr )
( 6)
( 5) 隧道壁的摩阻损失
Ff =
Q2 A r ( E+
F+
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f
L DH
)
V
r
Vr
( 7)
故式( 2) 为 Vr 的函数, 而式( 1) 为一常微分方
程式, 以 4 阶的 Runge- Kut t a 方法可求解。
车速 车速修正因子 道路高度修正因子 道路坡度修正因子 车速- 坡度修正因子
东向隧道 ( 下坡) 1. 2kg m- 3 0ms- 1 12 93 0m 56. 6m2 1 25 m 7. 8m 509 辆/ h 1703 辆/ h 2 车道
23 % 5. 9m2 1. 0m2 0m 3 s- 1 0. 08m3 hr 0. 12m3 hr 0m3 hr 125m3 hr 75 p pm 0. 007m- 1
第二种情况: 两隧道各自独立通风, 西向隧道上 坡, 东向隧道车流拥塞, 每座竖井流量不需相等( 表 1) 。
依据上述结论重新进行调整, 结果显示在各竖 井位置的烟雾浓度都非常接近安全标准, 图 4 显示 了上述的结果及竖井流量。例如第一 个通风竖井 Q sh1 的送风量降为 245m3 / s, 其中 70m 3 / s 提供给东 向隧道, 175m3/ s 提供给西向隧道, 而排风量则假设 与送风量相同。比较东向与西向隧道所需的竖井流 量发现, 虽然东向隧道塞车, 西向隧道的竖井流量却 大于东向隧道, 可见西向隧道的上坡坡度对车辆排 放烟雾的影响仍强于东向隧道车流拥塞的影响。以 上所提出的方法, 是一个相当简单且能迅速找出某 交通状况下隧道中各座竖井最经济流量的途径。
关键词 雪山 隧道 通风 竖井
1 引言
我国 台 湾 地 区 建 成 的 北 宜 高 速 公 路, 全 长 31km 路程约有 20km 是 隧道, 其中 最长的公路 隧 道 ) ) ) 雪山隧道长 12. 9km。雪山隧道采用双洞单
向行驶、3 竖井送排式纵向通风( 图 1) 。系统中除了 包含射流风机外, 共用的通风竖井及空气互换管道 的应用将两隧道通风结合为一体, 无论在设计或施 工上都有创新的地方, 受到世界瞩目。
0. 8 0m 2 s- 1 1. 26% 70km/ h
1. 07 1. 13
1 1. 59
西向隧道 ( 上坡)
692 辆/ h 2316 辆/ h
- 1. 26% 50km/ h
0. 96 1. 1 0. 7
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东线隧道 西线隧道
Q sh1 16 332
Q sh2 16 458
Qs h3 16 458
隧道所需的新鲜空气量可如下估算:
Q co =
q co# Dpc 3 600
@
L
@
1 06 CO limit
QVI =
qVI # Dpc 360 0
@
L V I limit
4 雪山公路隧道通风模拟
本节描述雪山隧道通风模拟, 隧道资料详见表 1。文中将先模拟两隧道尚未进行空气互换, 只使用 3 通风竖井通风时的污染物浓度分布情形, 接着模 拟改变竖井流量时的污染物浓度分布。
隧道断面积
56. 6m2
隧道海拔
1 25 m
隧道当量直径
7. 8m
大车流量
763 辆/ h 461 辆/ h
小车流量
2555 辆/ h 1545 辆/ h
车道数目
2 车道
大型车比例
23 %
大车阻力等效面积
5. 9m2
汽车阻力等效面积
1. 0m2
射流风机流量
0m 3 s- 1
大车排放 CO 基本量
0. 08m3 hr
大部份, 隧道内风速主要由交通状况决定。由这些 结果可做出下列结论:
Q sh1 Q sh2 Q s h3 V r
东线隧道 240
240
240
7. 2
西线隧道 365
365
365
8. 6
图 3 下坡隧道塞车, 两隧道共用竖井充分通风的浓度分布
( 1) 改变竖井流量几乎不影响烟雾浓度梯度( 即 斜率) , 但对竖井的排污效果却有相当影响。
后沿着所进入的隧道顺流行进。当经过空气互换管 道( Int erchange duct ) 时, 则被抽出部份空气流到另 一隧道反向行进, 最后在原先的通风竖井被排出隧 道。当隧道具有坡度时, 车行上坡隧道中的烟雾浓 度较车行下坡隧道高得多, 故在与车行下坡隧道交 换空气时是以较污浊的空气交换到污染较低、较新 鲜的空气, 而车行下坡隧道则正好相反。简单地说, 在两隧道进行空气互换时, 通风需求小的隧道其作
表 2 雪山隧道以空气互换辅助竖井通风模拟参数
项
目
空气密度 自然风速 隧道全长 隧道断面积 隧道海拔 隧道当量直径 大车流量 小车流量 车道数目 大型车比例 大车阻力等效面积 汽车阻力等效面积 射流风机流量 大车排放 CO 基本量 小车排放 CO 基本量 大车排放烟雾基本量 小车排放烟雾基本量 CO 允许浓度 V I 允许浓度 设计浓度比例 污染物紊流扩散系数 隧道坡度