清华大学建筑技术科学系 王 欢 林炎顷 李先庭
北京科技大学土木与资源学院 刘雨薇
摘 要：随着国内城市化进程不断深化，城市公路隧道的应用越来越广泛，而隧道口的污染排放问题日益受到关注。设置旁通隧道内，并在其中布置净化站对污染进行处理是解决方案之一，而旁通隧道的运行风量设置对主隧道的流量与流动形态的影响情况尚不明确，并且使用常规手段较难测量。为此本文搭建了隧道净化站缩尺模型，并利用彩色时序粒子轨迹测速方法（CSPSV）对不同工况下主隧道内流场进行了测量，结果表明：旁通净化站的气流会影响到隧道内通风气流的运动；在两者风量相当时，隧道内出现明显乱流；而当循环风量达到隧道来流风量的2倍时，隧道内会形成明显的涡流。本实测研究为隧道旁通净化站的设计与运行及优化提供部分参考。
关键词：公路隧道；旁通净化站；模型试验；CSPSV；流场测量
基金项目：自然科学基金委创新群体基金资助（51521005）。
0 引言
随着我国城市化进程的推进，城乡路网尤其是公路隧道得到快速发展，中国已经是世界上隧道和地下工程数量最多、发展速度最快的国家 [1-2]。尽管隧道的建设极大缓解了交通运输的压力，但是也带来了一系列的问题。随着人们环保意识的增强，人民群众对于自身健康密切相关的隧道口污染物排放问题非常关注。针对隧道污染排放尤其是隧道口在居民区附近排放时引起的大气环境污染问题，采用机械通风结合净化过滤技术是其中一种重要的解决办法 [3-8]。在实际隧道安装上有三种主要的应用形式，分别是旁通式、吊顶式以及竖井式，如图1所示。实际工程中，综合考虑降低对大气环境的污染和改善隧道能见度一般采用的是旁通式或者吊顶式的安装形式，而旁通式安装由于设备安装空间大，滤材更换方便成为常见的系统安装形式。
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| （a）旁通式 | （b）吊顶式 | （c）竖井式 |
图1 隧道空气净化站的主要形式
但在旁通式的系统中，净化系统的进出口风向与主隧道的来流方向有一定夹角，使得净化系统的运行可能会对主隧道的通风风量产生影响；而这种特殊结构，以及有关不同主隧道来流与旁通净化风量比例条件下的流动形态研究还很少见诸报道。
本文首先根据某跨海隧道旁通隧道的实际尺寸，搭建了1:30的缩尺模型实验台。配合两台带有变频器的离心风机，该实验台可以模拟不同来流风量和净化风量下隧道内流动情况。考虑到模型隧道内空间较小，而内部湍流度大，流动特征复杂，传统测量方法如热线风速仪很难测量准确速度大小，尤其是判断流动方向，本研究采用彩色时序粒子轨迹测速方法（CSPSV）进行隧道内流场的测量。为保证实验精度，利用隧道内稳定流动状态下的CSPSV与热线风速仪的结果对比证实了CSPSV在隧道内流场的精度和适用性。在此基础上，开展了不同来流风量与净化风量对比的研究。
1 缩尺模型实验台介绍
1.1 模型参数计算
由于实际隧道的尺寸较大，边界条件控制比较困难，隧道通风的很多研究使用缩尺模型进行试验。缩尺实验模型的设计，需要依据相似原理和相似准则确定几何物理参数。然而受限于各方面的原因，实际上难以保证实验模型和原型在所有相似准则数上均相等，所以只要保证对流体运动其决定性作用相似准则数相等即可。一般情况下，隧道空气流动可以认为是稳态的，所以谐时准则可以不考虑；另外本文不研究火灾相关问题，隧道空气流动几乎不受温差影响，因此也不考虑重力相似准则；而压力相似准则不是独立的，只要雷诺准则得到满足，压力相似必然得到满足。因此，在本文模型实验研究中，几何相似和雷诺数准则是两个最重要的参考依据。
实际上，当空气流动进入自模区（阻力平方区）后，可不再要求雷诺数严格相等，只需要保证两者均大于一定的数值，就能够保证流动相似。另外，本文设计的实验模型主要研究旁通式净化站的气流组织，并不考虑全长隧道的流动情况，而旁通分支的阻力远远大于主隧道，所以需要保证两流动系统均处于旺盛湍流区即可，经过验算，主要实验工况均处于旺盛湍流区。
1.2 缩尺模型介绍
模型隧道主体如图2 所示，实验段全长4.5m，包括静压箱、主隧道以及旁通风道进出口段，其中旁通风道吸入口、出口和典型净化站形状保持一致，旁通风道的入口角度为30°，出口角度为41°。在左侧静压箱安装有主隧道送风机，旁通风道上安装有循环风机，两风机均配置变频器进行风量调节。为方便测量，主隧道和旁通风道进出口段采用透明有机玻璃制作，并在主隧道的进出口、中间位置以及旁通风道的进出口设置一系列测孔方便使用热线风速仪进行风量的测量。图中黄色线框标记的区域为CSPSV测量范围，中间的圆点为热线风速仪的测量位置，风速传感器距离模型上表面8.9cm。热线风速仪来自KANOMAX，传感器型号0963-00，其在0.1~4.9m/s速度范围内精度为±0.1m/s。
图2 缩尺模型实验台尺寸与现场照片
2 CSPSV系统介绍
2.1 彩色时序粒子轨迹测速系统基本构成与原理
彩色时序粒子轨迹测速系统使用氦气填充的浮力中性气泡作为示踪粒子，是一种基于计算机视觉与三维重构的非接触式测速系统，可以用于房间尺度空间的内流场测量。CSPSV系统由彩色时序光源（CSIS）、气泡机、两台相机以及控制器和后期处理软件构成，系统布置如图3所示，CSIS位于测试区域的一侧，其发光范围覆盖测试区域，为测试区域提供彩色时序照明。气泡机用于产生浮力中性的氦气填充气泡，从而示踪空气运动。两台相机距离测试空间一段距离，保证两者的视角重叠部分覆盖整个测试空间，即从不同角度记录示踪气泡的运动信息。相机拍摄的照片再利用图像处理算法软件进行轨迹提取和三维重构。
图3 CSPSV系统布置图与实验台现场安装图（橙色框内是相机，红色框内是彩色时序光源）
其基本原理是使用氦气填充的气泡对气流运动进行示踪，然后利用布置于不同方向的相机捕捉并记录气泡运动的轨迹，配合彩色时序照明系统，得到气泡运动的彩色时序图像；结合相机的标定信息，可以重构出气泡的三维运动轨迹。所使用的示踪气泡直径为1~3mm，采用氦气填充。经过密度与跟随性筛选后，实际使用的示踪气泡本身的密度与空气几乎一样，加之颗粒又较小，其斯托克斯数远小于0.1，能够很好的跟随空气流动。
图4 彩色时序照明系统（CSIS）在CSPSV系统下典型运行方式
2.2 彩色时序闪光与彩色时序图像
根据摄影学原理，相机所得到的图像会受到多种因素的影响包括，光源特性、物体表面的反射特性、相机镜头特性等等[9]。鉴于示踪气泡本身透明并且折射、反射性能较好，改变光源的颜色就可以改变气泡在照片上的颜色，从而可以在单张照片上加入更多的信息。研究人员[10–12]根据该特征，使用彩色光线层对空间进行标记用于区分深度方向的运动信息，从而实现深度信息的获取。在CSPSV中测试区域的光照颜色按照时间序列进行组织，用以标记时间序列[13]，如图4所示，得到的典型图像如图5所示。
图5 CSPSV系统典型图像
从图5一张图像中可以得到气泡在该段时间内的运动方向与距离信息，不再需要进行轨迹的追踪计算。而且由于可以同时得到一个气泡三个时间节点的位置信息，一张照片得到两次测量结果。在三维配对中三个连续时间节点位置信息可以显著提高气泡轨迹之间的区分度，从而显著提高配对成功率和整体测量精度。
2.3 系统运行方式
CSPSV系统的典型运行方式如图6所示，其中相机标定是三维重构的基础，也可以评估光学系统精度情况。待被测流场稳定后可以释放示踪气泡，并开始图像获取记录过程。CSPSV图像获取的典型过程如下：白色光源首先打开使得相机能够获得清晰的气泡轨迹。在相机快门打开的时间段内，彩色闪光灯按给定的顺序以设定的时间间隔闪烁比如从红到绿再到蓝，如图4所示。在本研究中，闪光频率为40Hz，闪光宽度为2ms，而相机的曝光时长为50ms。然后针对记录到的图像提取气泡运动信息，再根据相机的标定信息进行轨迹的配对计算，根据合适的配对结果三维重构， 最后是数据的后处理。
图6 CSPSV系统运行方式
3 平行流动工况实验与结果分析
3.1 平行流动工况设计
CSPSV的设计之初的目标是用于房间尺度空间的流场测量，为验证其在缩尺模型隧道内流场测量中的适用性和准确性，首先进行平行流动工况实验。该工况下，只开启了主隧道的送风机，通过频率调整能在主隧道内形成不同速度的平行稳定流动，此时热线风速仪能够获得较好的测量结果，并用作与CSPSV的对照。工况设置如下表1所示。
表1 平行流动工况设计
3.2 平行流动实验结果分析
图7给出了在主送风机运行在10Hz频率下时，测量区域内由CSPSV所测得的风速矢量分布图。可以看出测量区域内的风速大小非常均匀，而气流运动方向大部分处于平行方向，仅有少量矢量出现交叉，说明区域内流动稳定，但由于仍处于湍流状态，部分流动呈现出复杂状态。
图7 10Hz工况下CSPSV测量结果矢量分布图
为了进一步对比两者测量结果的差距，将热线风速仪测量区域周围2cm区域内的CSPSV测量结果与热线风速仪的测量结果绘制到一起，得到图8。
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| （a）CASE-P1 | （b）CASE-P2 | （c）CASE-P3 |
图8 热像风速仪结果与CSPSV结果对比
图中黄色三角形表示的平均速度，误差线是热线风速仪对应的测量精度，蓝色点表示CSPSV得到的和速度大小。从热线风速仪与CSPSV在对应位置的测量结果对比来看，两种仪器的测量结果非常接近，证明CSPSV的测量结果能够很好的与传统测量仪器进行对照。而CSPSV的整体结果较热线风速仪略微偏高，这可能是由于隧道内流动虽然以平行流动为主，但仍然存在部分湍流特征，而热线风速仪对非垂直热线的流动敏感性较差，因此测量结果稍低。
4 旁通风道变风量工况实验与结果分析
4.1 旁通风道变风量工况设计
根据背景分析，旁通风道内的流量对主隧道的流动可能产生较大影响，因此选择固定送风机频率，构建了旁通风道三种不同风量下的实验工况，其中旁通风道的风量依次是主风道风量的近1倍，1.5倍和2倍。
表2 旁通风道变风量工况设计
4.2 结果分析
图9给出了不同旁通风道风量下主隧道内流动形态与速度的测量结果。
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| （a）旁通风道与主风道风量相近（CASE-V1） | （ b）旁通风道风量是主隧道的1.5倍（CASE-V2） | （c）旁通风道风量是主隧道的2倍（CASE-V3） |
图9 不同旁通风道风量下主隧道内流动情况对比
从结果上看，当旁通风道与主风道的风量相近时主隧道内的来流会出现向旁通风道侧偏移的情况，同时风速增大，如图7a所示，说明在旁通风量与主风量相近时主隧道内的流动分布会受到显著影响，但未出现明显的反向流动。当旁通风道风量增到主风量的1.5倍时，测量结果如图7b所示，隧道内部已经出现明显的反向流动而风向变化较大，流动呈现较强的湍流特征，对主隧道的来流形成明显的阻塞作用。而随着旁通风道的风量进一步加大，增大到主风量的2倍时测量结果如图7c所示。测试的主隧道内存在非常明显的涡旋，涡旋边缘的风速较快，靠近旁通风道的一侧风速慢于对侧。针对CASE-V3，采用50×50×50mm的网格对测量结果进行统计，求得平均速度和湍流度，其中间截面的平均风速如图10所示，可以看出此时主隧道上游的来流会被完全阻断，隧道内流动复杂，局部区域的风速比不开循环风机时提升了一倍以上，这对系统安全运行可能产生较大影响。湍流度分布如图11所示，可见湍流度在空间内差异也较大，尤其在涡旋的边缘区域，较大的湍流度可能对行车安全产生不利影响。
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| 图10 CASE-V3中间平面平均速度分布 | 图11 CASE-V3中间平面湍流强度分布 |
5 总结
本研究首先根据旁通隧道净化站的具体形式搭建了缩尺模型实验台，利用CSPSV对隧道内部流场进行了非接触式的测量；通过风道内平行流情况下CSPSV与传统热线风速仪的对比实验证明CSPSV测量精度后，利用CSPSV测试了三种不同来流风量与旁通风量的比例下的内流场情况，得到如下结论：
（1）通过与热线风速仪在稳定流场下的测量结果对比，证明CSPSV的测量精度较高，并能够为缩尺模型这类狭小空间内提供较高精度的三维运动测量。
（2）旁通风道的风量对主隧道内流场产生明显影响，当两者风量相近时，主隧道来流会偏向旁通隧道；当旁通风量达到主隧道来流风量1.5倍时，主隧道内出现明显反向流动；当旁通风量达到主隧道来流风量2倍时，主隧道内出现明显涡流，并且流速较快。
（3）在进行旁通隧道结构和运行方式设计时，需要仔细考虑和评估其风量对主隧道的影响，以确定合理的隧道旁通净化站设计与运行方案。
参考文献
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备注：本文收录于《建筑环境与能源》2017年5月刊总第5期。
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