一种分析隧道内汽车尾气流动与浓度分布规律的方法
【技术领域】
[0001]本发明是一种利用数值模拟软件分析隧道内汽车尾气流动及浓度分布规律的方法，属于隧道污染监测技术领域。
【背景技术】
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[0002]公路隧道作为地面道路的延伸和补充被广泛使用。但由于公路隧道在结构上作为一个相对封闭的人造空间，在隧道中，运行的机动车要排放出大量对人体有害的污染物，包括一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化物、碳烟颗粒物等；同时，机动车在行驶过程中还会造成大量的二次扬尘，各类有害气体以及颗粒物被局限到半封闭的有限空间。当隧道内机动车较多时，行驶过程中产生的废气容易在隧道内累积，污染物浓度迅速增加，当浓度累积到一定程度，所排放的尾气就会严重污染整个隧道，危害隧道内司乘人员的健康，降低司乘人员的生理反应能力，增加发生交通事故的风险。且气体污染物和其它有机物污染源通过光化学反应，直接污染隧道内的设施，由于隧道通风较差，逐渐积累的尾气在路面形成油渍，使路面变得光滑，影响行车安全的同时也严重影响生态环境。
[0003]如何对隧道进行通风设计以达到高效、节能、环保的效果是隧道设计者面临的最大的难题之一。因此有必要在隧道通风系统设计过程中对隧道内气态污染物流动规律和浓度分布进行分析研究，指导工程实践。而在隧道交通中，汽车尾气作为隧道内气态污染物的主体，对隧道内汽车尾气流动及浓度分布规律显得尤为重要。此外，随着光催化材料的普及，越来越多的研究者考虑将光催化材料应用到道路工程中，而隧道作为路网交通的咽喉要道，通过对隧道公路机动车在近路面层汽车尾气的排放状态及扩散规律的研究可以为隧道路面及附属设施光催化降解材料降解效能测试系统提供理论依据，也可为隧道道路用机动车排放污染物光催化降解材料的研制和有效应用提供参考，具有重要的现实意义。
[0004]国内外对隧道内汽车尾气流动分布及污染问题，取得了一些有益的积极研究成果。目前，隧道内汽车尾气流动及浓度分布主要通过对隧道汽车排放的尾气进行实验模拟和流体动力学数值模拟两种方法来进行研究分析。由于对隧道尾气流动及浓度分布规律没有形成系统的理论分析，采用的方法主要借助于实验模拟技术。然而，由于汽车尾气在隧道中的扩散运动十分复杂，它不仅取决于污染物和空气的物理性质，且与隧道内空气流动状态、车辆运行速度、车辆数量等密切相关。在实验模拟过程中，隧道尾气浓度检测、试验费用高，试验周期长，测试手段受到周围环境的影响，难以取得较好的相似条件等原因，使得试验研究工作受到限制，所得试验数据没有普适性。因此，缩小比例的模型试验只可作定性分析，很难作定量研究。
[0005]随着计算机技术及计算数学的快速发展，越来越多的人开始致力于隧道内汽车中尾气流动的数值模拟研究，该方法具有再现性好、费用低、周期短、信息完整等特点。考虑到公路机动车尾气流场动态实验模拟的困难，本发明应用数值仿真技术进行研究。利用流体动力学数值分析软件，基于有限体积法对隧道内汽车尾气流动及浓度分布规律进行研究，为隧道工程中的通风设备设计、尾气测试技术、光催化降解路面及附属设施光催化降解材料降解效能测试系统提供理论依据，也可为隧道路面用机动车排放污染物光催化降解材料的研制和有效应用提供参考。
[0006]由于隧道机动车尾气流场实验模拟以及动态检测的困难，本发明作为一种利用数值模拟软件分析隧道内汽车尾气流动及浓度分布规律的方法，根据隧道污染物运移、扩散理论，建立更加符合实际情况的气体污染物扩散数学模型，得出气体污染物运动扩散、分布规律。为隧道通风设备设计以及隧道光催化环保路面铺设前期准备工作提供理论依据，对研究隧道内汽车尾气净化技术具有重要的现实意义。
【发明内容】
[0007](I)技术问题
[0008]本发明是一种利用数值模拟软件分析隧道内汽车尾气流动及浓度分布规律的方法，解决目前隧道内汽车尾气流动及浓度分布检测难度大、费用高、周期长、准确性差、隧道通风设备设计及光催化环保材料应用缺乏科学依据的问题。
[0009](2)技术方案
[0010]隧道内汽车尾气流动受交通量、交通组成、行驶速度、通风速度等因素影响，尾气流动和浓度分布非常复杂。本发明先采用流体动力学软件建立隧道内汽车尾气流动分析模型，动网格技术划分网格后，做出基本假设确定计算域，定义边界条件、初始条件，选定对应的数学模型，利用流体动力学软件分析射流风机和风塔排风机分别在开启和关闭状态下，不同风速、车流量、车流速度下主隧道与匝道中心轴向断面汽车尾气流动及其各成分的浓度分布规律，为隧道内通风设备的设计提供理论依据；最后，考察隧道路面表面附近汽车尾气流动状况、尾气成分、浓度梯度随时间变化的分布规律，得到短时间内汽车尾气在近路面层的湍流强度和尾气浓度云图，为在隧道路面和附属设施上应用光催化材料提供参考。
[0011](3)有益效果
[0012]公路隧道在结构上是一个相对封闭的人造空间，车辆在行驶过程中产生的废气容易在隧道内累积，并达到较高的浓度，从而危害隧道内司乘人员的健康，污染隧道生态环境。考虑到汽车尾气的排放受各种环境因素影响表现出在空气中流动的复杂性。本发明提供的利用数值分析软件模拟分析隧道内汽车尾气流动及浓度分布规律的方法，具有再现性好、费用低、周期短、信息完整等特点，为隧道通风设备的建造提供设计依据，也为隧道道路用机动车排放污染物光催化降解材料的研制和有效应用提供参考。本发明对降低隧道内汽车尾气污染对司乘人员的健康危害，提高生理反应能力，减少隧道交通事故，保护隧道内的生态环境具有十分重要的现实意义。
【具体实施方式】
[0013]本发明是一种利用数值模拟软件分析隧道内汽车尾气流动及浓度分布规律的方法，具体实施步骤如下:
[0014](I)利用流体动力学数值模拟软件建立隧道内汽车尾气流动分析物理模型，选择正六面体单元划分网格，并加密车身周围网格，以便采用动网格技术模拟车辆轮廓在隧道内流场中运动状态；
[0015](2)为了模拟计算的需要，假设隧道壁面为壁面无滑移边界，不考虑壁面温度和路表温度对气流的影响，车速恒定且机动车的恒速运动由自定义函数控制；
[0016](3)确定合理的初始条件和边界条件，选取隧道端口的一个断面设置为空气速度进口，选取机动车尾部一个断面设置为尾气速度进口，隧道端口的另一断面设置为自由出口，分别在不同工况下运行该软件，分别保存运算结果；
[0017](4)基于运算结果分析射流风机和风塔排风机分别在开启和关闭时不同风速、车流量、车行速度条件下汽车尾气在隧道内不同断面上的尾气浓度分布，获得隧道及其匝道整个空间中心轴向断面汽车尾气流动及其各种成分的浓度梯度分布云图；
[0018](5)分析隧道路表附近处汽车尾气流动、尾气成分及其浓度梯度分布随时间变化的规律，获得短时间内隧道内汽车尾气在近路表处的湍流强度和尾气各成分浓度梯度分布云图、扩散情况，明确隧道内汽车尾气流动与浓度分布规律。
【主权项】
1.本发明是一种利用数值模拟软件分析隧道内汽车尾气流动及浓度分布规律的方法，其特征在于该方法的具体步骤如下: (1)利用流体动力学数值模拟软件建立隧道内汽车尾气流动分析物理模型，选择正六面体单元划分网格，并加密车身周围网格，以便采用动网格技术模拟车辆轮廓在隧道内流场中运动状态； (2)为了模拟计算的需要，假设隧道壁面为壁面无滑移边界，不考虑壁面温度和路表温度对气流的影响，车速恒定且机动车的恒速运动由自定义函数控制； (3)确定合理的初始条件和边界条件，选取隧道端口的一个断面设置为空气速度进口，选取机动车尾部一个断面设置为尾气速度进口，隧道端口的另一断面设置为自由出口，分别在不同工况下运行该软件，分别保存运算结果； (4)基于运算结果分析射流风机和风塔排风机分别在开启和关闭时不同风速、车流量、车行速度条件下汽车尾气在隧道内不同断面上的尾气浓度分布，获得隧道及其匝道整个空间中心轴向断面汽车尾气流动及其各种成分的浓度梯度分布云图； (5)分析隧道路表附近处汽车尾气流动、尾气成分及其浓度梯度分布随时间变化的规律，获得短时间内隧道内汽车尾气在近路表处的湍流强度和尾气各成分浓度梯度分布云图、扩散情况，明确隧道内汽车尾气流动与浓度分布规律。
【专利摘要】本发明是一种利用数值模拟软件分析隧道内汽车尾气流动及浓度分布规律的方法，属于隧道尾气监测领域，解决目前隧道内汽车尾气流动及浓度分布检测难度大、费用高、周期长、准确性差的问题。本发明先建立隧道内汽车尾气流动分析模型，动网格技术划分网格后，做出基本假设确定计算域，定义边界条件、初始条件，选定对应数学模型，利用流体动力学软件分析不同工况下整个隧道与匝道空间中心轴向断面汽车尾气流动及其各成分浓度分布规律，为隧道内通风设备的设计提供理论依据；考察隧道路表附近尾气流动状况、成分、浓度梯度随时间分布规律，得到短时间内汽车尾气在近路表处湍流强度和尾气浓度云图，为在隧道路面和附属设施上应用光催化材料提供参考。
【IPC分类】G06F17/50
【公开号】CN105243191
【申请号】CN201510589044
【发明人】许涛, 方博文, 李国芬, 袁峻
【申请人】南京林业大学
【公开日】2016年1月13日
【申请日】2015年9月14日