纵向通风隧道内污染物浓度分布及控制策略研究

摘要

隧道内来自汽车行驶时排出的有害气体和卷起的粉尘，在长大隧道的特殊结构和环境条件下会影响行车安全以及对人体产生伤害，同时也是造成隧道交通堵塞和产生重大交通事故的诱发因素。因此长大隧道必须进行通风，以及以通风控制为核心的多系统集成化的计算机中心控制管理，如此才能为车辆在隧道内的快速安全行驶和良好的环境提供保证。先进的通风控制系统的采用不仅仅是增进了通风效果以及行车的安全性和舒适性，在耗电量的降低方面也有巨大作用，此外同样是促进高等级公路达成速度高、效率快、安全性强、舒适性好的一个关键技术，在节能、防灾和行车安全和舒适性提高方面均有十分重要的意义。
　　论文以某公路隧道为例，对其进行了全射流纵向通风的污染物扩散的研究。依据《公路隧道通风照明设计规范》(JTJ026.1-1999)的规定，结合隧道参数得到其通风卫生标准，进而计算出射流风机的配置数量;然后依据实际状况假设了射流风机的几种分布情况;最后通过CFD计算流体力学软件进行了仿真模拟，其中规范中的烟雾浓度和NO2与粗、细颗粒物之间有着直接的关系，可通过对后三者的分布模拟，得到前者的分布状态。模拟结果表明:(1)射流风机均匀分布的隧道内的烟雾浓度，沿着隧道气流运动的方向，风机的稀释效果逐渐降低，而烟雾浓度的增加速率也在降低，同时风机下方会有较高的烟雾浓度区域存在;(2)前后两组风机组间距不一致时，对隧道两侧烟雾稀释效果好，但同时会减弱对隧道中部烟雾的稀释力度，并会增大风机下方的烟雾浓度值和范围，但随着风机组数的增加，这种效果或逐渐消失;(3)前后两组风机高度不一致时，风机位置相对较高的区域其下方的烟雾浓度值更高，其对隧道两侧的烟雾浓度有良好的稀释效果。高度间距一致均匀分布的风机形式更有利于隧道烟雾浓度的稀释。
　　此后对同样的污染物浓度条件下，风机整体的功率之和一定时，风机运行功率低而数量多，和风机运行功率高而数量少时对隧道内污染物的稀释效果进行了对比，前者明显优于者。因而在此基础上结合变频技术提出了隧道变频通风的模糊控制方法，设计了一个模糊控制系统，借助CFD的仿真模拟功能，建立了一个模糊控制规则库，并结合实际状况对其进行校正，获得更佳的控制能力。然后以某隧道为例，对其中的CO模糊控制，进行了分析，并对比传统控制法，得出其在通风方面的优势，以及非常好的节能降耗优势。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 公路隧道通风方式的发展历程

1．3 公路隧道通风控制方式及发展趋势

1．3．1 公路隧道通风控制方式

1．3．2 公路隧道通风控制系统的现状及发展趋势

1．4 论文主要研究内容

第二章 公路隧道纵向通风研究的计算基础

2．1 隧道通风计算中的假设

2．2 流体动力学控制方程

2．3 隧道基本作用力计算

2．3．1 自然通风力

2．3．2 交通通风力

2．3．3 射流风机的增压

2．3．4 摩擦阻力

2．3．5 力学平衡方程

2．4 需风量的计算方法

2．4．1 稀释CO所需的新鲜风量

2．4．2 稀释烟雾VI所需的新鲜风量

2．4．3 稀释异昧所需的新鲜风量

2．4．4 设计需风量

2．5 交通模型

2．5．1 交通流预测分析

2．5．2 基于权重的预测模型

2．5．3 基于BP神经网络的权重预测模型

2．6 污染物扩散形式

2．6．1 污染物稳态扩散模型

2．6．2 污染物动态扩散模型

2．7 隧道射流风机

第三章 公路隧道纵向通风系统数值模拟

3．1 CFD理论简介

3．1．1 CFD发展简介

3．1．2 CFD基本理论及应用特点

3．1．3 湍流模型

3．2 物理模型的建立

3．2．1 物理模型的简化假设

3．2．2 求解器的选取

3．3 主要设计标准

3．3．1 隧道内通风卫生标准

3．3．2 尾气排放标准

3．4 隧道需风量

3．4．1 隧道通风的基本参数

3．4．2 设计交通量

3．4．3 计算需风量

3．5 隧道射流风机纵向通风计算

3．5．1 计算条件

3．5．2 隧道内所需升压力

3．5．3 隧道所需射流风机台数

3．6 模拟结果及分析

3．6．1 隧道烟雾浓度的转换

3．6．2 边界条件

3．6．3 隧道内无风机启动时

3．6．4 风机均匀分布在隧道内

3．6．5 前后组风机内间距不同

3．6．6 前后组风机高度不一致

3．7 风机总功率相同时状况分析

第四章 公路隧道变频通风及模糊控制系统的研究

4．1 公路隧道变频通风控制技术

4．1．1 变频通风控制的原理

4．1．2 变频通风控制的方式

4．2 变频调速在隧道通风中的应用

4．2．1 隧道变频调速的系统结构

4．2．2 隧道变频通风的节能分析

4．3 隧道模糊控制系统的理论

4．3．1 隧道模糊控制的必要性

4．3．2 模糊控制系统的结构

4．3．3 模糊控制器的结构

4．3．4 模糊控制器的设计方法

4．4 变频通风模糊控制系统的设计

4．4．1 MATLAB神经网络工具箱

4．4．2 模糊控制系统的建立流程

4．4．3 输入和输出变量

4．4．4 确定隶属函数

4．4．5 制定模糊控制规则

4．4．6 模糊推理及反模糊化

4．4．7 隧道变频通风模糊控制系统仿真性能分析

4．5 能耗分析

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 不足之处及展望

致谢

参考文献

攻读硕士研究生期间发表的论文及参加科研情况