公路隧道的需风量是指及时稀释或排出有害气体、浮尘烟雾等，满足公路隧道内日常运营以及维修、养护人员洞内作业呼吸要求，创造良好的隧道环境条件，使隧道内空气品质达到所需要的安全卫生标准。根据现行《公路隧道通风设计细则》（JTG/T D70/2-02—2014）的相关规定，在计算需风量时，应分别对稀释烟尘与稀释CO，按隧道设计车速以下，各工况车速10 km/h为一档，分别进行风量计算，并计算交通阻滞时的需风量和换气需风量，取其较大值为设计需风量^［3］。

1）隧道内CO的排放量计算公式如下：

式中：QCO为隧道的CO排放量（m³/s）；qCO为车辆CO基准排放量（m³/辆∙km）；fm为CO的车型系数；fa为CO的车况系数；fiv为CO的纵坡-车速系数；fh为CO的海拔高度系数；n为各车型类别数；Nm为各车型的实际交通量（辆/h）。

2）稀释隧道CO所需的风量计算公式如下：

式中：Qreq(CO)为隧道的稀释CO的需风量（m³/s）；P0为标准大气压（kN/m²），取101.325 kN/m²；P为隧道所在地大气压（kN/m²）；δ为CO设计浓度（ppm）；T0为标准气温（K），取273 K；T为隧道所在地夏季通风室外计算气温（K）。

1）隧道内烟雾排放量计算公式如下：

式中：QVI为隧道全长烟雾排放量（m³/s）；qVI为烟雾基准排放量（m3/辆∙km）；fm(VI)为（柴油车）车型系数；fa(VI)为（柴油车）车况系数；fiv(VI)为（烟雾）纵坡-车速系数；fh(VI)为（烟雾）海拔高度系数；nD为柴油车车型类别数。

2）稀释隧道烟雾所需的风量计算公式如下：

式中：Qreq(VI)为隧道全长稀释烟雾的需风量（m³/s）；K为烟雾设计浓度（m^-1）。

在公路隧道通风计算时，通常把空气视为不可压缩理想流体，隧道中的空气流动视为不随时间变化的恒定气流，且汽车行驶也可视为恒定的。由此，计算在标准大气压状态下，隧道内空气的Re>5×104，故可将隧道内的空气流动视为完全紊流。

自然通风力引起的洞内风速根据隧道所在的气象资料、隧道长度、纵坡等因素确定，通常作为阻力考虑，取值2.5 m/s。

式中：∆pm为隧道自然通风力（N/m²）；vn为自然风作用引起的洞内风速（m/s）；εe为隧道入口局部阻力系数；λr为隧道沿程阻力系数；Dr为隧道断面当量直径（m）；L为隧道长度（m）；ρ为隧道内空气密度。

本文以双洞单向隧道为研究对象，交通通风力按照单向交通隧道计算。

式中：∆pt为交通通风力（N/m²）；vr为隧道设计风速（m/s）；nC为隧道内车辆数；vt为各工况车速（m/s）；Acs为小型车正面投影面积；Acl为大型车正面投影面积；εci为隧道内小型车或大型车的空气阻力系数。

式中：∆pr为隧道内交通阻力（N/m²）；∆pλ为隧道内沿程摩擦阻力（N/m²）；∆pεi为隧道内局部阻力（N/m²）；εi为隧道局部阻力系数。

对于纵向射流通风系统，射流风机的升压力需克服隧道通风阻力和隧道自然通风力，满足下式：

式中：∆pj—射流风机的总升压力（N/m²）。

本文研究对象以南方某双洞单向隧道为计算参考模型，隧道全长为600 m，宽15.36 m，净高7.7 m，隧道通风断面面积94.31 m²。隧道采用3台射流风机并排安装方式，分别在K0+150、K0+275、K0+400里程各设置1组风机，共计9台射流风机，做到两用一备，满足公路隧道各种工况下的使用需求。在模拟计算过程中，为确保计算的正确性，采用三维立体全尺寸模型，考虑到如果按实际情况模拟，不仅计算量大并且模型网格处理相对复杂，计算模型按照实际工程尺寸进行相应简化建模，忽略检修道、排水沟等次要因素，采用对称面法，即仅建立隧道右半侧模型，在后处理中通过镜像得到整个隧道的模拟数据。为了提高计算的精确度，对射流风机附近区域处的网格进行相应的加密，划分非结构化网格，网格数量约260万。如图所示1，分别表示，隧道横截面图、简化后隧道模型图以及隧道划分网格后横截面图。

图  1  隧道横截面图、简化后模型图以及网格图

Figure 1.  Tunnel cross-section diagram, simplified model diagram, and grid diagram

图  1  隧道横截面图、简化后模型图以及网格图

Figure 1.  Tunnel cross-section diagram, simplified model diagram, and grid diagram

图  1  隧道横截面图、简化后模型图以及网格图

Figure 1.  Tunnel cross-section diagram, simplified model diagram, and grid diagram

为了方便计算，进行模型实验时，在不影响计算结果精度的前提下，会对隧道内的气体进行适当的假设。在实际工程中，常常忽略气体的粘滞性，把气体视为理想气体。因此，对隧道内的气体通常做以下假设^［8］：

1）隧道内流体是连续介质。

2）隧道内流体具有不可压缩性。

3）隧道内的车流为恒定，汽车对流场的扰动简化为壁面阻力。

4）隧道内流体温度不变。

5）隧道壁面绝热。

6）隧道内流体是稳定湍流，且湍流粘性各向同性。

7）隧道内流体满足基本的守恒原理。

8）考虑隧道壁面粗糙度对气流的影响为恒定值。

对于隧道内的气流模拟计算，选用标准K-ζ湍流模型，标准壁面函数，开启重力影响，所有离散项均采用默认设置。设置边界条件时，壁面均按默认设置为无滑移壁面边界条件，隧道地面的壁面粗糙度设置为0.5 m，隧道壁面的壁面粗糙度设置为0.05 m；隧道的进出口分别设置为压力入口边界条件和压力出口边界条件，由于缺少隧道所在地相关气象资料，进行模拟计算时，暂不考虑进出口风压的影响，隧道进出口的相对压强均设置为0 Pa。隧道射流风机入口和出口设置为速度入口边界，其风速根据设备选型确定，风速分别设置为-30 m/s，30 m/s。求解器采用基于压力的耦合求解，Simplec算法格式，以提高收敛性。通过近万次迭代计算，各物理变量均达到收敛标准，残差值低于10^-4，隧道进出口的质量流量误差小于0.1%，满足守恒定律，整个计算达到收敛。按照上述标准，本文分别对开启一组（3台）射流风机工况，开启二组（6台）射流风机工况，开启三组（9台）射流风机工况进行模拟研究，得到在三种工况下隧道内空气的压力、速度的分布情况，并分析其流场特性。

如图2~图3所示，当3台射流风机的射流风速离开风机后，由于卷吸作用，射流边界与周围空气不断进行动量、质量交换，周围空气不断被卷入，射流流量不断增加断面不断扩大，至距风机出口60 m处时，3股射流曲线基本融合为一股。而且，在高速射流离开风机后，卷吸并没有立刻影响至整个断面，因此在射流风机下方一定范围内，风速很小，产生了类似死区区域，此处区域的存在对于稀释有害气体、浮尘烟雾以及排除烟气是极为不利，可以通过调整射流风机出口方向，使其存在一个微小的向下倾角，或者适当降低射流风机的安装高度，以减小死区影响。

图  2  隧道中心剖面速度分布云图

Figure 2.  The velocity distribution nephogram on the central longitudinalsection of tunnel

图  3  隧道平剖面速度分布云图

Figure 3.  The velocity distribution nephogram on the plane section of tunnel section

如图4~图9可知，当K0+150里程处的射流风机开启时，距离风机出口0 m、1 m、6 m、26 m、76 m、106 m的隧道断面上的速度分布云图。可以发现，当射流气体离开风机后，射流风速峰值迅速衰减，至距风机出口6 m处，射流风速峰值衰减至24 m/s；由于射流的卷吸作用，射流边界与周围空气不断进行动量、质量交换，周围空气不断被卷入，射流流量不断增加断面不断扩大，至距风机出口60 m处时，三股射流曲线基本融合为一股；至距风机出口约80 m处时，射流已扩大整个断面；至距风机出口约110 m处时，射流效果基本消失，断面平均风速趋近于4~5 m/s。射流风机所产生射流约130 m，因此当两组射流风机设置间距大于150 m时，前后射流风机相互间的影响可以忽略。

图  4  K0+154里程截面速度分布云图

Figure 4.  The velocity distribution nephogram on the K0+154 mileage

图  5  K0+155里程截面速度分布云图

Figure 5.  The velocity distribution nephogramon the K0+155 mileage section

图  6  K0+160里程截面速度分布云图

Figure 6.  The velocity distribution nephogram on the K0+160 mileage section

图  7  K0+180里程截面速度分布云图

Figure 7.  The velocity distribution nephogram on the K0+180 mileage section

图  8  K0+230里程截面速度分布云图

Figure 8.  The velocity distribution nephogram on the K0+230 mileage section

图  9  K0+260里程截面速度分布云图

Figure 9.  The velocity distribution nephogram on the K0+260 mileage section

如图10所示，根据模拟计算结果可知：当开启1组（3台）射流风机时，隧道进出口平均风速为4.005 1 m/s，3.994 8 m/s，进出口的平均质量流量为219.531 57 kg/s，-219.530 94 kg/s，（由于未开启第2组射流风机，射流风机对气流有阻挡作用，导致风速在此处降低）；当开启2组（6台）射流风机时，隧道进出口平均风速为5.474 83 m/s，5.463 74 m/s，进出口的平均质量流量为300.051 61 kg/s，-300.050 14 kg/s，风量较只开启1组射流风机时提升了将近37%左右；当开启3组（9台）射流风机时，隧道进出口平均风速为6.459 7 m/s，6.447 3 m/s，进出口的平均质量流量为354.057 83 kg/s，-354.058 32 kg/s，风量较只开启2组射流风机时提升了将近18%左右。各工况下的对比数据如表1所示。可知，增加射流风机数量，可以增大隧道内风速，但是随着隧道内风速的增加，射流风机的升压效果对风速的提升作用越来越小。

图  10  射流风机中心线上速度沿隧道里程的分布曲线

Figure 10.  Distribution curve of velocity on centerline of jet fan along tunnel mileage

从技术上分析，当隧道布置多组射流风机时，为了提高隧道通风效果，前后两组射流风机之间的间距不应小于150 m。射流风机距离隧道出入口距离不超过200 m，不小于100 m，以便在利用射流风机升压效果的同时引入足够的新鲜空气。同时，射流风机的出口方向宜向下偏移，与水平面形成一个微小夹角，以形成稳定的气流，或者适当的减小射流风机的安装，可以减小射流风机后下方的气流低速区域。增加隧道射流风机台数，必然可以提高隧道风速，提高隧道内的空气品质，但是随着风机数量的增多，风速和空气品质的提升效果越来越不明显。从节能角度看，在满足规范要求的前提下，射流风机的不宜过多。