公路隧道洞口废气扩散形态与窜流影响研究

摘要

随着我国公路建设的快速发展，隧道越来越多地出现在公路交通工程领域里，其洞口废气扩散与窜流问题因其对隧道营运通风及对周围环境密切相关，亦越来越多地受到关注，本论文依托交通部西部交通建设科技项目“公路隧道智能联动控制技术研究”与国家杰出青年基金项目“长大交通隧道建设与营运关键科学问题”等科研项目，采用广泛调研、现场测试、理论分析、综合分析以及系统性数值分析等多种研究手段、结合北碚隧道与中梁山隧道等具体工程，就公路隧道洞口废气扩散形态与窜流影响等相关问题开展了研究，主要研究工作与取得的主要成果如下:
　　1、依据非恒定多因素综合作用下洞口废气浓度分布特点，提出了基于极值的浓度场测试分析方案，依托北碚隧道、中梁山隧道，开展了公路隧道洞口废气浓度扩散的全场现场实测研究，并将全自动烟气分析仪成功应用于中梁山隧道不同测点的同步实测中，获得了多种运营工况、不同洞口地形条件下公路隧道实际运营废气最大浓度影响分布曲线簇以及一系列洞口废气多种成份的同步实测的浓度-时刻曲线簇，并以此为基础，分析了公路隧道洞口废气扩散规律，其扩散特征符合流体流动扩散传输规律、且两种测试方案其测试结果的一致性，印证了基于极值的浓度场测试分析方法具有合理性与可行性。
　　2、根据公路隧道洞口废气扩散进入环境大气的出流特点，结合相关领域的研究分析，率先引入射流理论，并依据气体自由射流自保持状态的相关研究、结合有效模拟复杂地形的网格生成技术，建立了适应于公路隧道洞口废气湍射流扩散数值分析的区域模型;推导选择了相应的多组分气体扩散传输的三维微分数学模型组与适宜的求解方法。
　　3、将基于极值的浓度场测试分析的现场测试与湍射流模拟理论相结合，探讨了一种适应于洞口废气非恒定扩散特点的综合分析方法，提出测试条件下一系列多因素组合影响下的工况组模拟方案，从而将模拟数据与测试数据进行了恰当的比较分析，并针对测试模式下不同自然风速、洞内外不同温差、两洞口不同出口与入口风速等影响因素，系统地探讨了相应工况组的洞口废气的扩散与窜流影响规律，依据现场测试数据，还推导预测了远期不同运营状况下相应洞口处实际废气的最大浓度范围，最后模拟了相应洞口废气窜流状况及出口隧道侧增设挡风壁后废气窜流改善的情况。
　　4、针对洞口结构因素对废气窜流程度的影响开展了系统性的数值分析，首先针对开阔地形的平行隧道洞口从不同横向洞口间距、不同自然风速以及中间设置不同尺寸的挡壁等三个角度开展了影响研究，然后探讨了平行隧道洞口废气窜流影响的相关性研究，并针对特定横向洞口净距，考虑诸如两洞口位置是否纵向错开、在洞口段出口隧道侧、入口隧道侧以及两洞口之间是否有挡壁、以及各挡壁不同的长度与高度等洞口结构因素，采用六因素异水平的正交实验方案系统性地开展了废气窜流影响的模拟研究，最后得出减弱这类隧道废气窜流的有利与不利的洞口段土建结构类型建议。
　　相关的实测数据曲线族，为公路隧道洞口废气扩散影响研究积累了最直接可靠的资料，其测试分析方案与手段亦为非恒定多因素作用下某物理量的测试与评价提供了切实可行的新思路与新途径;适宜的洞口废气湍射流扩散分析区域与求解方法为系统性探讨提供了有效的平台与手段;实测数据与湍射流扩散模拟理论相结合的综合分析研究，为扩散分析提供了相当程度上的可靠性证明;基于实测数据的洞口废气浓度的远期预测以及所探究的减弱平行隧道洞口端废气窜流状况的有利与不利的洞口土建结构类型等，从工程角度方面提出了可供参考的建议。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．1．1 我国公路隧道建设的发展状况

1．1．2 问题的提出

1．2 国内外研究现状分析

1．2．1 公路隧道洞口废气扩散进入环境大气领域的研究

1．2．2 相关领域的研究分析

1．2．3 公路隧道及隧道群洞口废气扩散研究现状分析及存在的问题

1．3 主要研究工作及研究技术路线

1．3．1 主要研究工作

1．3．2 技术路线

第2章 公路隧道洞口废气扩散影响的现场实测研究

2．1 相关性因素调研

2．1．1 公路隧道交通废气成份

2．1．2 影响公路隧道洞口废气浓度扩散的相关性因素调研

2．2 主要测试仪器的选择

2．3 基于极值的浓度场测试分析方案

2．4 北碚隧道洞口废气扩散的现场实测

2．4．1 隧道测试工况及测试分析方案

2．4．2 测试项目及具体实施方案

2．4．3 测试结果整理

2．4．4 分析与结论

2．5 中梁山隧道洞口废气扩散的现场实测

2．5．1 测试方案及测试方法

2．5．2 测试结果整理

2．5．3 测试分析与结论

本章小结

第3章 公路隧道洞口废气扩散数值分析理论研究

3．1 公路隧道洞口废气扩散分析的湍射流控制体的建立

3．1．1 气体射流理论自保持状态的相关研究

3．1．2 公路隧道洞口废气扩散特征分析的湍射流控制体

3．2 公路隧道多组份洞口废气湍射流扩散传输的三维数学模型

3．2．1 湍流流动基本问题

3．2．2 湍流数值模拟研究现状

3．2．3 公路隧道洞口废气湍射流扩散流动的控制方程组

3．2．4 公路隧道洞口废气湍射流扩散流动计算模型的边界条件

3．3 微分方程离散化方法及网格生成技术概述

3．3．1 微分方程离散化方法概述

3．3．2 网格生成技术概述

3．4 离散控制方程组的迭代求解及N-S方程求解算法概述

3．5 数值计算软件平台

本章小结

第4章 公路隧道洞口废气扩散影响的综合分析研究

4．1 北碚隧道洞口废气扩散的综合分析研究

4．1．1 两洞口端地形场景模拟及湍射流分析域模型

4．1．2 模拟分析方案

4．1．3 测试模式2正交因素模拟结果显示与整理

4．1．4 正交数值模拟数据分析与结论

4．1．5 现场测试与数值模拟数据的对比与分析

4．1．6 基于测试的北碚隧道近、远期洞口废气窜流程度分析与预测

4．2 中梁山隧道洞口废气扩散的综合分析研究

4．2．1 模拟分析方案

4．2．2 计算结果整理与分析

4．2．3 模拟结论

4．2．4 现场实测值与模拟值的对比分析

本章小结

第5章 公路隧道洞口废气窜流影响的系统性数值分析

5．1 开阔地形的平行隧道洞口废气窜流影响研究

5．1．1 模拟对象

5．1．2 模拟工况及计算结果

5．1．3 模拟分析与结论

5．2 公路隧道洞口结构因素对废气窜流影响的数值模拟研究

5．2．1 公路隧道洞口废气窜流显著影响因素相关性研究

5．2．2 数值正交实验方案

5．2．3 分析

5．2．4 结论

本章小结

结论与展望

本文结论

今后工作展望

致谢

参考文献

攻读博士期间发表论文情况

攻读博士期间参加科研项目及获得的成果与奖励