李奇 LI Qi;崔永龍 CUI Yong-long;魏帥舉 WEI Shuai-ju;李坤 LI Kun
(中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院,上海 200011)
在狹長空間內(nèi),由于存在縱橫比大、橫截面小的特點,空間內(nèi)氣流組織難以直接排出[1]。當(dāng)在空間內(nèi)排布多臺車輛,啟動備車時會產(chǎn)生大量有害煙氣,污染整個空間的氣體環(huán)境,如果沒有采取合理有效的通風(fēng)方式,則會在狹長空間內(nèi)形成較差的空氣狀況,影響空間內(nèi)活動人員和車輛駕駛?cè)藛T的運行操作,長時間則會危害各人員健康安全,送風(fēng)、排風(fēng)的通風(fēng)設(shè)計是有效抑制煙氣危險,為人員營造良好空氣環(huán)境的重要手段[2]。狹長空間的常見通風(fēng)形式,包括縱向通風(fēng)、橫向通風(fēng)、送風(fēng)型半橫向通風(fēng)、排風(fēng)型半橫向通風(fēng),其中,縱向通風(fēng)由于建設(shè)費用以及運行費用少、通風(fēng)開口易布置等優(yōu)點,逐漸成為公路隧道或鐵路隧道等狹長空間內(nèi)常見的通風(fēng)形式,此類通風(fēng)形式的示意圖如圖1 所示[3]。狹長空間內(nèi),縱向通風(fēng)是通過所設(shè)置的通風(fēng)設(shè)備使氣流沿空間縱向方向流動,所產(chǎn)生的氣流運動形式較為簡單,其他較為復(fù)雜的通風(fēng)方式可以在縱向通風(fēng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行組合變化,由此可見,縱向通風(fēng)方式的研究是狹長空間內(nèi)各類通風(fēng)方式研究的基礎(chǔ),研究縱向通風(fēng)所產(chǎn)生的基本氣流規(guī)律,分析不同縱向通風(fēng)方式對污染物擴散的抑制作用和空間內(nèi)空氣質(zhì)量的改善效果具有重要意義,可以為其余復(fù)雜通風(fēng)方式氣流組織研究提供技術(shù)支持,為狹長空間內(nèi)通風(fēng)方案優(yōu)化提供設(shè)計參考。本文基于狹長空間通風(fēng)設(shè)計理論,主要針對縱向通風(fēng)模式,模擬仿真了三種不同縱向通風(fēng)方式下狹長空間內(nèi)車輛備車時氣體環(huán)境變化,分析此類通風(fēng)方式下狹長空間內(nèi)氣流組織和污染物濃度分布規(guī)律,為狹長空間內(nèi)通風(fēng)方案設(shè)計提供參考。
圖1 狹長空間縱向通風(fēng)形式示意圖
綜合比選了各常見通風(fēng)形式,并結(jié)合計算狹長空間內(nèi)需風(fēng)量、實際工程條件與各方案的特點,提出三種基于縱向通風(fēng)方式的狹長空間通風(fēng)設(shè)計方案,三種通風(fēng)方案的詳細(xì)設(shè)計信息見表1。通風(fēng)口設(shè)置差異,方案1 中、尾部區(qū)域的送、排風(fēng)口均設(shè)置在狹長空間的頂部,而方案2 中、尾部區(qū)域的送、排風(fēng)口則設(shè)置在狹長空間的左右壁面;自然補風(fēng)的差異,方案3 補風(fēng)口設(shè)置在首部區(qū)域,而方案2 則設(shè)置在狹長空間的尾部區(qū)域。三種通風(fēng)方案模擬仿真模型以及送排風(fēng)口示意圖如圖2~圖4 所示。
表1 三種通風(fēng)方案的詳細(xì)信息
圖2 通風(fēng)方案1 模型與送排風(fēng)口示意圖
圖3 通風(fēng)方案2 模型與送排風(fēng)口示意圖
圖4 通風(fēng)方案3 模型與送排風(fēng)口示意圖
狹長空間內(nèi)通風(fēng)量需保證通行人員能承受的煙氣污染量和有害氣體衛(wèi)生極限。對于有害氣體衛(wèi)生極限,由于所排放煙氣的各有害污染物成分中,一氧化碳(CO)含量與其濃度限值之比最高,認(rèn)為CO 危害最大,因此選用CO濃度作為評價指標(biāo)。對于人員所能承受的煙氣污染量選取煙氣濃度作為評價指標(biāo)。
在不同的氣流組織下,污染物在狹長空間內(nèi)會表現(xiàn)出不同的縱向、橫向、高度方向的分布。由于設(shè)計通風(fēng)系統(tǒng)的目的為保障人員呼吸的安全,因此在高度方向上主要考慮地面人員呼吸高度(1.5m 高)、駕駛員呼吸高度(2.15m 高)的污染物濃度分布。
在分析污染物濃度的橫向分布時,考慮到狹長空間內(nèi)的車輛啟動時會產(chǎn)生向右的高速煙氣射流,導(dǎo)致右側(cè)的污染物濃度明顯高于左側(cè)。因此,將車輛左側(cè)區(qū)域(1.5m 高)劃為地面人員活動區(qū)(左側(cè)人行區(qū)),車輛備車狀態(tài)時建議地面人員在車輛左側(cè)區(qū)域活動。在對比各通風(fēng)設(shè)計方案的污染物濃度大小時,主要考慮車輛左側(cè)人行區(qū)(1.5m 高)、車輛右側(cè)排煙區(qū)(1.5m 高)、車輛駕駛員呼吸區(qū)(2.15m 高)的污染物濃度。亦可分析污染物濃度的左、右分布不均勻性,認(rèn)為左、右側(cè)污染物濃度差異較大(右側(cè)高于左側(cè))的通風(fēng)設(shè)計方案更好。
在分析污染物濃度的縱向分布時,可以根據(jù)各排車輛的位置劃分出若干區(qū)域,計算各區(qū)域內(nèi)的局部污染物平均濃度,進(jìn)行對比。
對于方案1 和方案2,由于縱向通風(fēng)的特點,在送風(fēng)氣流的影響下,狹長空間內(nèi)車輛啟動時產(chǎn)生的煙氣向首部區(qū)域方向流動,導(dǎo)致首部區(qū)域污染物濃度較高。當(dāng)首部1~3#車輛備車時,由于逆空氣流向,所以基本不會存在向尾部流動的煙氣,因此從圖5~圖6 中可以看出此工況下尾部車輛附近的污染物濃度基本為0。
圖5 各通風(fēng)方案下各人行區(qū)呼吸高度、排煙區(qū)及車輛駕駛員呼吸區(qū)局部CO 平均濃度
圖6 各通風(fēng)方案下各人行區(qū)呼吸高度、排煙區(qū)及車輛駕駛員呼吸區(qū)局部煙氣平均濃度
方案1 中、尾部區(qū)域的送、排風(fēng)口均設(shè)置在狹長空間的頂部,而方案2 中、尾部區(qū)域的送、排風(fēng)口則設(shè)置在狹長空間的左右壁面;針對自然補風(fēng),方案3 補風(fēng)口設(shè)置在首部區(qū)域,而方案2 則設(shè)置在狹長空間的尾部區(qū)域,從圖5~圖6 中進(jìn)行初步分析可以發(fā)現(xiàn),縱向通風(fēng)方式和自然補風(fēng)方式的差異使得方案2 的通風(fēng)設(shè)計優(yōu)于方案1 和3,在各種工況下可以獲得最佳效果,人員活動區(qū)和車輛駕駛員區(qū)可以保持最小的污染物濃度。
在2.1 節(jié)中展示了不同通風(fēng)方式下局部CO 平均濃度和煙氣平均濃度分布情況,分析了CO 和煙氣兩者濃度的分布規(guī)律,發(fā)現(xiàn)其趨勢基本保持一致,故本節(jié)主要針對不同工況下CO 平均濃度的分布情況,分析方案1、方案2 兩種不同縱向通風(fēng)方式下氣流組織特性。將方案1、2 兩種通風(fēng)設(shè)計方案下的各左側(cè)人行區(qū)(呼吸高度h=1.5m)、右側(cè)排煙區(qū)(1.5m 高)、各車輛駕駛員呼吸區(qū)(2.15m 高)的局部CO 平均濃度分布情況依次通過圖7 至圖9 進(jìn)行展現(xiàn),后續(xù)將會分別分析1~3#車輛備車、4~6#車輛備車、6~8#車輛備車三種備車工況下氣流組織特性。
圖7 方案1 和2 各工況下各人行區(qū)呼吸高度局部CO 平均濃度
圖8 方案1 和2 各工況下各排煙區(qū)局部CO 平均濃度
圖9 方案1 和2 各工況下各車輛駕駛員呼吸區(qū)局部CO 平均濃度
對于方案1 和方案2,由于縱向通風(fēng)的特點,尾部區(qū)域產(chǎn)生的煙氣隨送風(fēng)氣流向首部區(qū)域方向流動,導(dǎo)致首部區(qū)域污染物濃度較高。
從圖7~圖9 中可以看出,當(dāng)處于備車工況1 即首部區(qū)域1~3#車輛備車時,對于方案1,由于排風(fēng)口均設(shè)在頂部,帶動從尾部區(qū)域流向首部區(qū)域的氣流較早地向高處排風(fēng)口位置流動,減少了煙氣向狹長空間首部區(qū)域的蔓延,因此首部的污染物濃度較低;同時因為排風(fēng)口均設(shè)在頂部,煙氣射流沖擊右側(cè)壁面后在排風(fēng)氣流的帶動下向左側(cè)蔓延,造成左側(cè)2#車輛附近的污染物濃度高于方案2??紤]到實際運行中車輛位置變動等因素,將1~3#車輛的人員呼吸區(qū)綜合考慮,認(rèn)為方案2 在備車工況1 下的表現(xiàn)略優(yōu)于方案1。
當(dāng)中部區(qū)域車輛備車時,首部區(qū)域車輛已經(jīng)駛離,因此優(yōu)先考慮靠近尾部區(qū)域的人員活動區(qū);同理,備車工況2 即尾部區(qū)域車輛備車時亦優(yōu)先考慮靠近尾部的人員活動區(qū)。因此,對于備車工況2~3,從圖中可以看出,尾部區(qū)域方案2 的污染物濃度普遍低于方案1,污染物在縱向通風(fēng)的作用下向首部區(qū)域流動,壁面開口進(jìn)行送排風(fēng)的通風(fēng)方式可以更有效率地幫助煙氣流動,首部區(qū)域的污染物濃度會普遍高于頂部開口通風(fēng)的方案1,使得尾部區(qū)域可以獲得更加良好的空氣狀況,因此得出方案2 的通風(fēng)效果更佳。
針對方案2、3 采取相同的送排風(fēng)布局,形成類似的縱向通風(fēng)條件,但改變了兩個方案的補風(fēng)設(shè)置,以此來分析不同補風(fēng)方式對狹長空間內(nèi)氣流組織特性的影響。從分布圖10、圖11 看出,對于方案2 和3,送風(fēng)氣流在尾部區(qū)域流向首部區(qū)域的過程中變得較為均勻,對于煙氣射流的直接排除起到了導(dǎo)流作用,減少了煙氣的擴散;狹長空間內(nèi)靠近首部的頂部排風(fēng)氣流帶動部分煙氣向首部方向流動,并蔓延至車輛左側(cè)的人員活動區(qū)。
圖10 通風(fēng)方案2 首部三臺備車時氣流組織與污染物濃度分布圖
圖11 通風(fēng)方案3 首部三臺備車時氣流組織與污染物濃度分布圖
方案3 與方案2 相比,首部區(qū)域開啟的兩側(cè)的門補風(fēng)氣流加劇了煙氣從首部區(qū)域往車輛左側(cè)人員活動區(qū)的蔓延,導(dǎo)致人行區(qū)、車輛駕駛員呼吸區(qū)的污染物濃度更高。所以按照方案2 將補風(fēng)口設(shè)置在狹長空間的尾部區(qū)域,在整個通風(fēng)過程中可以獲得更加良好的氣流狀況。
通過對基于縱向通風(fēng)方式的三種通風(fēng)設(shè)計方案下狹長空間內(nèi)車輛啟動時氣流組織模擬仿真結(jié)果進(jìn)行對比和分析可以得出以下結(jié)論。
①由于縱向通風(fēng)的特點,在送風(fēng)氣流的影響下,狹長空間內(nèi)車輛啟動時產(chǎn)生的煙氣向首部區(qū)域方向流動,導(dǎo)致首部區(qū)域污染物濃度較高,且送風(fēng)氣流在尾部區(qū)域流向首部區(qū)域的過程中變得較為均勻,對于煙氣射流的直接排除起到了導(dǎo)流作用,減少了煙氣的擴散。
②不同備車工況下相比于方案1,方案2 的壁面開口進(jìn)行送排風(fēng)的通風(fēng)方式可以更有效率地幫助煙氣流動,以獲得更加良好的空氣狀況,方案1 則會形成不穩(wěn)定氣流,造成部分煙氣向左側(cè)人員活動區(qū)或者車輛駕駛區(qū)蔓延,因此相比之下方案2 可以形成更加良好的氣流組織形式。
③方案3 與方案2 相比,首部區(qū)域開啟的兩側(cè)的門補風(fēng)氣流加劇了煙氣從首部區(qū)域往車輛左側(cè)人員活動區(qū)的蔓延,導(dǎo)致人行區(qū)、車輛駕駛員呼吸區(qū)的污染物濃度更高。所以按照方案2 將補風(fēng)口設(shè)置在狹長空間的尾部區(qū)域,在整個通風(fēng)過程中可以獲得更加良好的氣流狀況。