基于數(shù)值模擬的地下立交通風(fēng)局部效應(yīng)精細(xì)化研究一、引言1.1研究背景與意義1.1.1研究背景隨著城市化進(jìn)程的加速，城市人口和車(chē)輛數(shù)量急劇增長(zhǎng)，地面交通擁堵問(wèn)題日益嚴(yán)重。為了緩解交通壓力，提高城市交通效率，地下互通式立交作為一種高效的交通設(shè)施應(yīng)運(yùn)而生。地下互通式立交通過(guò)將交通流引入地下，實(shí)現(xiàn)了不同方向道路的立體交叉，有效減少了地面交通沖突，提高了道路通行能力。同時(shí)，地下互通式立交還能節(jié)省土地資源，減少對(duì)城市景觀的影響，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。然而，地下互通式立交的特殊環(huán)境也帶來(lái)了一系列問(wèn)題，其中通風(fēng)問(wèn)題尤為突出。地下互通式立交內(nèi)部空間相對(duì)封閉，自然通風(fēng)條件差，車(chē)輛行駛過(guò)程中會(huì)排放大量的污染物，如一氧化碳（CO）、氮氧化物（NOx）、顆粒物等。這些污染物若不能及時(shí)排出，將在立交內(nèi)積聚，導(dǎo)致空氣質(zhì)量惡化，不僅會(huì)影響駕駛員和乘客的身體健康，還可能降低能見(jiàn)度，增加交通事故的風(fēng)險(xiǎn)。此外，地下互通式立交內(nèi)的通風(fēng)不暢還可能導(dǎo)致熱量積聚，影響設(shè)備的正常運(yùn)行和使用壽命。因此，合理設(shè)計(jì)通風(fēng)系統(tǒng)，確保地下互通式立交內(nèi)的空氣質(zhì)量和通風(fēng)效果，是地下互通式立交建設(shè)和運(yùn)營(yíng)中必須解決的關(guān)鍵問(wèn)題。1.1.2研究意義地下互通式立交的通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)直接關(guān)系到其運(yùn)營(yíng)的安全性、舒適性和可持續(xù)性。通過(guò)對(duì)地下立交通風(fēng)局部效應(yīng)進(jìn)行數(shù)值模擬分析，具有以下重要意義：優(yōu)化通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)：數(shù)值模擬可以深入研究地下互通式立交內(nèi)復(fù)雜的氣流流動(dòng)特性和污染物擴(kuò)散規(guī)律，全面分析不同通風(fēng)方案下的通風(fēng)效果。通過(guò)模擬結(jié)果，能夠準(zhǔn)確評(píng)估各種因素對(duì)通風(fēng)的影響，如立交的結(jié)構(gòu)形式、通風(fēng)口位置和大小、風(fēng)機(jī)的類型和布局等?；谶@些分析結(jié)果，可以對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行針對(duì)性的優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高通風(fēng)效率，確保立交內(nèi)各個(gè)區(qū)域都能得到良好的通風(fēng)，有效降低污染物濃度，改善空氣質(zhì)量。降低能耗：在保證通風(fēng)效果的前提下，通過(guò)數(shù)值模擬可以尋找最優(yōu)的通風(fēng)參數(shù)和運(yùn)行策略。例如，合理確定風(fēng)機(jī)的開(kāi)啟數(shù)量、轉(zhuǎn)速以及運(yùn)行時(shí)間，避免不必要的能源消耗。優(yōu)化后的通風(fēng)系統(tǒng)能夠在滿足通風(fēng)需求的同時(shí)，最大限度地降低風(fēng)機(jī)的能耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)，降低地下互通式立交的運(yùn)營(yíng)成本。保障運(yùn)營(yíng)安全：良好的通風(fēng)條件是保障地下互通式立交運(yùn)營(yíng)安全的重要基礎(chǔ)。通過(guò)數(shù)值模擬分析，可以預(yù)測(cè)在火災(zāi)等緊急情況下，煙氣的擴(kuò)散路徑和速度，為制定科學(xué)合理的應(yīng)急預(yù)案提供依據(jù)。同時(shí)，優(yōu)化后的通風(fēng)系統(tǒng)能夠在火災(zāi)發(fā)生時(shí)迅速排出煙氣，為人員疏散和消防救援創(chuàng)造有利條件，減少人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，提高地下互通式立交的防災(zāi)減災(zāi)能力。為工程實(shí)踐提供理論支持：目前，地下互通式立交的通風(fēng)設(shè)計(jì)在理論和實(shí)踐方面仍存在一些不足之處。數(shù)值模擬研究可以深入探討通風(fēng)局部效應(yīng)的內(nèi)在機(jī)理，為通風(fēng)設(shè)計(jì)提供更堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。研究成果能夠?yàn)楣こ碳夹g(shù)人員在通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、設(shè)備選型和運(yùn)行管理等方面提供科學(xué)的參考依據(jù)，推動(dòng)地下互通式立交通風(fēng)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，提高我國(guó)地下交通設(shè)施的建設(shè)水平。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀隨著地下互通式立交的廣泛建設(shè)，其通風(fēng)問(wèn)題受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的高度關(guān)注，相關(guān)研究也取得了一定的成果。在國(guó)外，早期的研究主要集中在公路隧道通風(fēng)領(lǐng)域，隨著地下立交的發(fā)展，逐漸將相關(guān)理論和方法應(yīng)用于地下立交通風(fēng)研究。Kennedy對(duì)隧道縱向通風(fēng)進(jìn)行分析，研究了不同通風(fēng)參數(shù)對(duì)隧道內(nèi)氣流的影響。Oka和Atkinson探討了隧道火災(zāi)時(shí)的煙氣流動(dòng)控制方法，為地下立交火災(zāi)通風(fēng)提供了理論基礎(chǔ)。Ingason和Li通過(guò)模型試驗(yàn)研究了點(diǎn)式排煙通風(fēng)在隧道火災(zāi)中的應(yīng)用，分析了排煙口位置和排煙量對(duì)煙氣控制的影響。國(guó)內(nèi)在地下立交通風(fēng)方面的研究起步相對(duì)較晚，但發(fā)展迅速。近年來(lái)，許多學(xué)者運(yùn)用理論分析、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究等方法，對(duì)地下立交通風(fēng)系統(tǒng)展開(kāi)了深入研究。在理論研究方面，有學(xué)者以網(wǎng)絡(luò)通風(fēng)理論為基礎(chǔ)，結(jié)合公路隧道通風(fēng)的特點(diǎn)，建立了大型地下互通式立交隧道通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算模型，為通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和計(jì)算提供了理論支持。在數(shù)值模擬方面，利用CFD（計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)）軟件如FLUENT、CFX等對(duì)地下立交內(nèi)的氣流組織和污染物擴(kuò)散進(jìn)行模擬分析，研究通風(fēng)口位置、風(fēng)機(jī)布置、立交結(jié)構(gòu)形式等因素對(duì)通風(fēng)效果的影響。例如，陳虎成等人基于CFD流體動(dòng)力學(xué)分析軟件對(duì)立交隧道分岔部通風(fēng)特點(diǎn)展開(kāi)數(shù)值模擬研究，分析了“卜”形和“Y”形兩種分岔部支洞在不同交角和不同風(fēng)壓工況下的氣流場(chǎng)變化規(guī)律。在實(shí)驗(yàn)研究方面，一些學(xué)者通過(guò)搭建物理模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)量隧道內(nèi)的風(fēng)速、溫度、污染物濃度等參數(shù)，驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，并為通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化提供依據(jù)。然而，現(xiàn)有研究仍存在一些不足之處：局部效應(yīng)研究不夠深入：雖然對(duì)地下立交整體通風(fēng)效果的研究較多，但對(duì)于通風(fēng)系統(tǒng)中一些關(guān)鍵局部結(jié)構(gòu)（如彎道、分叉口、縮徑與擴(kuò)徑段等）的局部效應(yīng)研究還不夠細(xì)致，對(duì)這些局部結(jié)構(gòu)對(duì)通風(fēng)的具體影響機(jī)制和量化關(guān)系尚未完全明確。多因素耦合作用考慮不足：地下立交通風(fēng)受到多種因素的綜合影響，如交通流量、車(chē)輛類型、氣象條件、通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)等。目前的研究往往側(cè)重于單一因素或少數(shù)幾個(gè)因素的分析，對(duì)于多因素耦合作用下的通風(fēng)特性研究較少，難以全面準(zhǔn)確地反映地下立交實(shí)際通風(fēng)情況。缺乏統(tǒng)一的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和方法：由于地下立交形式多樣，通風(fēng)系統(tǒng)復(fù)雜，目前還沒(méi)有形成一套統(tǒng)一、完善的通風(fēng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和方法。不同地區(qū)、不同工程在通風(fēng)設(shè)計(jì)時(shí)往往缺乏明確的指導(dǎo)依據(jù)，導(dǎo)致通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性和可靠性存在差異。實(shí)驗(yàn)研究相對(duì)較少：數(shù)值模擬雖然在地下立交通風(fēng)研究中得到了廣泛應(yīng)用，但實(shí)驗(yàn)研究作為驗(yàn)證和補(bǔ)充手段同樣重要。目前實(shí)驗(yàn)研究的規(guī)模和數(shù)量相對(duì)有限，部分研究成果缺乏實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，其可靠性和實(shí)用性有待進(jìn)一步提高。綜上所述，地下立交通風(fēng)研究雖然取得了一定進(jìn)展，但仍存在許多亟待解決的問(wèn)題。深入研究地下立交通風(fēng)局部效應(yīng)，考慮多因素耦合作用，建立統(tǒng)一的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和方法，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)值模擬的結(jié)合，將是未來(lái)地下立交通風(fēng)研究的重要方向。1.3研究?jī)?nèi)容與方法1.3.1研究?jī)?nèi)容地下立交幾何模型構(gòu)建：以某實(shí)際地下互通式立交為案例，運(yùn)用專業(yè)建模軟件（如SolidWorks、AutoCAD等），根據(jù)立交的設(shè)計(jì)圖紙和實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)，精確構(gòu)建其三維幾何模型。模型涵蓋立交的主線隧道、匝道、通風(fēng)豎井、通風(fēng)口等各個(gè)組成部分，確保模型的幾何形狀和尺寸與實(shí)際情況高度一致。同時(shí)，對(duì)模型進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，去除一些對(duì)通風(fēng)局部效應(yīng)影響較小的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)，以提高計(jì)算效率，但又要保證模型能夠準(zhǔn)確反映地下立交的主要通風(fēng)特征。數(shù)值模擬工況設(shè)定：綜合考慮地下立交的實(shí)際運(yùn)行情況和各種可能影響通風(fēng)效果的因素，設(shè)定多組數(shù)值模擬工況。主要包括不同的交通流量工況，模擬高峰時(shí)段、平峰時(shí)段和低峰時(shí)段的車(chē)輛通行情況，分析交通流量對(duì)通風(fēng)的影響；不同的通風(fēng)方式工況，如縱向通風(fēng)、橫向通風(fēng)、半橫向通風(fēng)以及混合通風(fēng)等，研究各種通風(fēng)方式下的氣流組織和污染物擴(kuò)散規(guī)律；不同的通風(fēng)參數(shù)工況，改變通風(fēng)口的大小、數(shù)量、位置，風(fēng)機(jī)的類型、功率、開(kāi)啟數(shù)量等參數(shù)，探討這些參數(shù)對(duì)通風(fēng)局部效應(yīng)的影響。通風(fēng)局部效應(yīng)分析：借助CFD軟件（如FLUENT、CFX等）強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算功能，對(duì)設(shè)定的各種工況進(jìn)行模擬計(jì)算。重點(diǎn)分析地下立交通風(fēng)系統(tǒng)中彎道、分叉口、縮徑與擴(kuò)徑段等關(guān)鍵局部結(jié)構(gòu)的局部效應(yīng)。在彎道部分，研究彎道半徑、彎道角度、彎道長(zhǎng)度等因素對(duì)氣流速度分布、壓力損失、污染物濃度分布的影響，分析彎道處可能出現(xiàn)的氣流分離、漩渦等現(xiàn)象及其對(duì)通風(fēng)效果的不利影響；對(duì)于分叉口，探討分叉角度、分支流量分配、分支長(zhǎng)度等因素對(duì)氣流分配、污染物擴(kuò)散的影響，研究分叉口處的氣流交匯和干擾情況；在縮徑與擴(kuò)徑段，分析縮徑比、擴(kuò)徑比、過(guò)渡段長(zhǎng)度等因素對(duì)氣流加速、減速以及壓力變化的影響，考察縮徑與擴(kuò)徑段對(duì)通風(fēng)阻力和通風(fēng)效率的影響。通過(guò)對(duì)這些局部效應(yīng)的深入分析，揭示地下立交通風(fēng)局部效應(yīng)的內(nèi)在機(jī)制和規(guī)律。模擬結(jié)果驗(yàn)證與分析：將數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)或相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，評(píng)估數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性和可靠性。如果模擬結(jié)果與實(shí)際情況存在偏差，深入分析偏差產(chǎn)生的原因，如模型簡(jiǎn)化不合理、邊界條件設(shè)定不準(zhǔn)確、計(jì)算方法選擇不當(dāng)?shù)?，并?duì)模型和模擬參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整和優(yōu)化，直到模擬結(jié)果與實(shí)際情況吻合較好。對(duì)驗(yàn)證后的模擬結(jié)果進(jìn)行全面、深入的分析，繪制氣流速度矢量圖、壓力云圖、污染物濃度分布圖等，直觀展示地下立交內(nèi)的氣流流動(dòng)特性和污染物擴(kuò)散規(guī)律。通過(guò)數(shù)據(jù)分析，總結(jié)不同工況下通風(fēng)局部效應(yīng)的特點(diǎn)和變化趨勢(shì)，找出影響通風(fēng)效果的關(guān)鍵因素和敏感參數(shù)，為通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。1.3.2研究方法文獻(xiàn)研究法：廣泛查閱國(guó)內(nèi)外關(guān)于地下立交通風(fēng)、CFD數(shù)值模擬、隧道通風(fēng)等方面的文獻(xiàn)資料，包括學(xué)術(shù)期刊論文、學(xué)位論文、研究報(bào)告、工程標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等。全面了解該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢(shì)、已有的研究成果和研究方法，分析現(xiàn)有研究中存在的問(wèn)題和不足，為本研究提供理論基礎(chǔ)和研究思路。通過(guò)對(duì)文獻(xiàn)的梳理和總結(jié)，確定本研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)，明確研究方向和目標(biāo)。數(shù)值模擬法：利用CFD軟件進(jìn)行數(shù)值模擬是本研究的核心方法。在CFD模擬過(guò)程中，首先將構(gòu)建好的地下立交三維幾何模型導(dǎo)入到CFD軟件中，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。根據(jù)模型的復(fù)雜程度和計(jì)算精度要求，選擇合適的網(wǎng)格類型（如結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格、非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格）和網(wǎng)格尺寸，確保網(wǎng)格質(zhì)量滿足計(jì)算要求。然后，根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定邊界條件，包括入口邊界條件（如風(fēng)速、溫度、污染物濃度等）、出口邊界條件（如壓力出口、自由出流等）、壁面邊界條件（如無(wú)滑移壁面、絕熱壁面等）以及通風(fēng)口和風(fēng)機(jī)的邊界條件等。選擇合適的湍流模型（如k-ε模型、k-ω模型、SST模型等）來(lái)模擬地下立交內(nèi)的湍流流動(dòng)，選擇合適的污染物擴(kuò)散模型（如組分輸運(yùn)模型、多相流模型等）來(lái)模擬污染物的擴(kuò)散過(guò)程。設(shè)置好計(jì)算參數(shù)后，進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，求解控制方程，得到地下立交內(nèi)的氣流速度、壓力、溫度、污染物濃度等物理量的分布情況。對(duì)比分析法：對(duì)不同工況下的數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，研究通風(fēng)局部效應(yīng)隨各種因素的變化規(guī)律。對(duì)比不同交通流量工況下的通風(fēng)效果，分析交通流量對(duì)污染物濃度分布和通風(fēng)阻力的影響；對(duì)比不同通風(fēng)方式工況下的氣流組織和污染物擴(kuò)散情況，評(píng)估各種通風(fēng)方式的優(yōu)缺點(diǎn)；對(duì)比不同通風(fēng)參數(shù)工況下的模擬結(jié)果，找出最優(yōu)的通風(fēng)參數(shù)組合。通過(guò)對(duì)比分析，明確各因素對(duì)通風(fēng)局部效應(yīng)的影響程度和相互關(guān)系，為通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支持和決策依據(jù)。案例分析法：以具體的地下互通式立交工程為案例，將研究成果應(yīng)用于實(shí)際工程中，驗(yàn)證研究成果的可行性和實(shí)用性。通過(guò)對(duì)實(shí)際工程的分析和研究，了解地下立交在實(shí)際運(yùn)營(yíng)過(guò)程中存在的通風(fēng)問(wèn)題，結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果和理論分析，提出針對(duì)性的解決方案和優(yōu)化建議。同時(shí)，從實(shí)際工程中獲取反饋信息，進(jìn)一步完善和改進(jìn)研究成果，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合。二、地下立交通風(fēng)理論基礎(chǔ)2.1地下立交概述地下立交作為一種現(xiàn)代化的交通設(shè)施，在城市交通中發(fā)揮著重要作用。它通過(guò)將不同方向的交通流在地下空間進(jìn)行立體交叉，有效緩解了地面交通擁堵，提高了道路通行能力。地下立交的形式和類型豐富多樣，每種都有其獨(dú)特的特點(diǎn)和適用場(chǎng)景。2.1.1地下立交的形式與類型根據(jù)不同的分類標(biāo)準(zhǔn)，地下立交可以分為多種形式和類型。按照結(jié)構(gòu)形式，常見(jiàn)的有單洞式、雙洞式和多洞式地下立交。單洞式地下立交結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，施工難度較小，適用于交通流量較小的區(qū)域；雙洞式地下立交可實(shí)現(xiàn)雙向交通分離，提高了交通安全性和通行效率，常用于交通流量適中的路段；多洞式地下立交則能夠滿足更復(fù)雜的交通需求，可設(shè)置多個(gè)匝道和轉(zhuǎn)向車(chē)道，適用于交通樞紐等交通流量大且流向復(fù)雜的區(qū)域。從交通功能上劃分，地下立交又可分為苜蓿葉式、喇叭式、環(huán)形等類型。苜蓿葉式地下立交通過(guò)環(huán)形匝道實(shí)現(xiàn)各方向交通的轉(zhuǎn)換，交通組織較為清晰，但占地面積較大；喇叭式地下立交適用于T形或Y形路口，通過(guò)喇叭狀的匝道連接不同方向的道路，具有較好的交通適應(yīng)性；環(huán)形地下立交則圍繞中心環(huán)島設(shè)置匝道，車(chē)輛在環(huán)道上行駛實(shí)現(xiàn)交通轉(zhuǎn)換，其優(yōu)點(diǎn)是布局緊湊，可有效利用空間，但環(huán)道上的交通流可能相互干擾，對(duì)交通管理要求較高。此外，隨著城市交通需求的不斷增長(zhǎng)和工程技術(shù)的發(fā)展，還出現(xiàn)了一些新型的地下立交形式，如組合式地下立交，它將多種傳統(tǒng)形式的立交特點(diǎn)相結(jié)合，以適應(yīng)更加復(fù)雜的交通條件；還有全互通式地下立交，能夠?qū)崿F(xiàn)各個(gè)方向車(chē)輛的無(wú)沖突通行，交通功能最為完善，但建設(shè)成本也相對(duì)較高。2.1.2地下立交的設(shè)計(jì)參數(shù)地下立交的設(shè)計(jì)參數(shù)眾多，這些參數(shù)直接影響著立交的使用性能和通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。其中，幾何參數(shù)是重要的設(shè)計(jì)依據(jù)，包括隧道的長(zhǎng)度、寬度、高度、坡度等。隧道長(zhǎng)度決定了通風(fēng)系統(tǒng)的作用范圍，較長(zhǎng)的隧道需要更強(qiáng)的通風(fēng)能力來(lái)保證空氣質(zhì)量；寬度和高度則影響車(chē)輛的通行空間和氣流的流通面積，合理的尺寸設(shè)計(jì)能夠減少車(chē)輛行駛阻力和氣流阻力。坡度不僅影響車(chē)輛的行駛能耗和安全性，還會(huì)對(duì)通風(fēng)效果產(chǎn)生影響，較大的坡度可能導(dǎo)致氣流分布不均勻，增加通風(fēng)難度。交通流量參數(shù)也是設(shè)計(jì)地下立交時(shí)必須考慮的重要因素，包括設(shè)計(jì)年限內(nèi)的高峰小時(shí)交通量、平均日交通量等。準(zhǔn)確預(yù)測(cè)交通流量對(duì)于確定立交的規(guī)模和通風(fēng)系統(tǒng)的容量至關(guān)重要。如果交通流量預(yù)測(cè)不足，可能導(dǎo)致立交在運(yùn)營(yíng)后出現(xiàn)交通擁堵，通風(fēng)系統(tǒng)無(wú)法滿足需求；而預(yù)測(cè)過(guò)高則會(huì)造成建設(shè)資源的浪費(fèi)。此外，還有一些其他參數(shù)，如匝道的曲率半徑、進(jìn)出口的漸變段長(zhǎng)度等。匝道的曲率半徑影響車(chē)輛的行駛速度和舒適性，過(guò)小的曲率半徑會(huì)限制車(chē)輛的行駛速度，增加交通事故的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)也會(huì)對(duì)通風(fēng)氣流產(chǎn)生影響。進(jìn)出口的漸變段長(zhǎng)度則關(guān)系到車(chē)輛進(jìn)出立交的順暢性和安全性，合理的漸變段長(zhǎng)度能夠使車(chē)輛平穩(wěn)地完成加減速和轉(zhuǎn)向操作，減少對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的干擾。2.1.3地下立交的通風(fēng)難點(diǎn)地下立交由于其特殊的結(jié)構(gòu)和使用環(huán)境，通風(fēng)存在諸多難點(diǎn)。首先，地下立交空間相對(duì)封閉，自然通風(fēng)條件差，車(chē)輛排放的污染物難以自然擴(kuò)散。車(chē)輛在行駛過(guò)程中會(huì)持續(xù)排放一氧化碳、氮氧化物、顆粒物等污染物，這些污染物若不能及時(shí)排出，會(huì)在立交內(nèi)積聚，導(dǎo)致空氣質(zhì)量惡化。其次，地下立交的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，彎道、分叉口、縮徑與擴(kuò)徑段等局部結(jié)構(gòu)眾多，這些結(jié)構(gòu)會(huì)使氣流流動(dòng)變得復(fù)雜。在彎道處，氣流容易受到離心力的作用而發(fā)生偏移，導(dǎo)致彎道內(nèi)側(cè)和外側(cè)的氣流速度和壓力分布不均勻，形成氣流分離和漩渦現(xiàn)象，增加通風(fēng)阻力。分叉口處不同方向的氣流交匯，會(huì)產(chǎn)生氣流干擾和混合，使得分支隧道內(nèi)的風(fēng)量分配難以均勻控制，影響通風(fēng)效果。縮徑與擴(kuò)徑段則會(huì)導(dǎo)致氣流速度和壓力發(fā)生突變，產(chǎn)生局部阻力，阻礙氣流的順暢流動(dòng)。再者，地下立交的交通流量變化大，不同時(shí)段的交通狀況差異明顯。高峰時(shí)段車(chē)輛密集，污染物排放量大幅增加，對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的通風(fēng)能力提出了更高的要求；而低峰時(shí)段交通流量較小，若通風(fēng)系統(tǒng)仍按照高峰時(shí)段的工況運(yùn)行，會(huì)造成能源浪費(fèi)。如何根據(jù)交通流量的變化實(shí)時(shí)調(diào)整通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能的通風(fēng)效果，是地下立交通風(fēng)面臨的一大挑戰(zhàn)。此外，地下立交內(nèi)的設(shè)備和人員對(duì)空氣質(zhì)量和環(huán)境溫度有一定的要求。通風(fēng)系統(tǒng)不僅要排出污染物，還要保證適宜的溫度和濕度，為設(shè)備的正常運(yùn)行和人員的舒適提供保障。同時(shí)，通風(fēng)系統(tǒng)的噪音控制也是一個(gè)重要問(wèn)題，過(guò)大的噪音會(huì)對(duì)駕駛員和周?chē)用裨斐筛蓴_。2.2通風(fēng)相關(guān)理論2.2.1流體力學(xué)基本原理在地下立交通風(fēng)研究中，流體力學(xué)基本原理是理解氣流流動(dòng)和污染物擴(kuò)散的重要基礎(chǔ)。伯努利方程作為流體力學(xué)的核心方程之一，在地下立交通風(fēng)分析中有著廣泛的應(yīng)用。伯努利方程的一般形式為p+\rhogh+\frac{1}{2}\rhov^{2}=C，其中p表示壓強(qiáng)，\rho表示流體密度，g表示重力加速度，h表示高度，v表示流速，C為常數(shù)。這一方程表明，在理想流體（不可壓縮、無(wú)粘性、無(wú)熱傳導(dǎo)）作穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)，流體的流速、壓強(qiáng)、位置高度之間存在著特定的關(guān)系。在地下立交的通風(fēng)管道中，當(dāng)氣流穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)，伯努利方程可用于分析不同位置處氣流的壓強(qiáng)和速度變化。例如，在通風(fēng)管道的收縮段，根據(jù)連續(xù)性方程A_1v_1=A_2v_2（其中A為管道橫截面積，v為流速），流速會(huì)增大。由伯努利方程可知，流速增大時(shí)，壓強(qiáng)會(huì)減小，這就導(dǎo)致收縮段的靜壓降低。而在通風(fēng)管道的擴(kuò)張段，流速減小，壓強(qiáng)增大，靜壓升高。這種壓強(qiáng)和速度的變化對(duì)于理解通風(fēng)系統(tǒng)中氣流的流動(dòng)和能量轉(zhuǎn)換至關(guān)重要。此外，伯努利方程還可以用于解釋地下立交內(nèi)自然通風(fēng)的原理。在自然通風(fēng)條件下，由于地下立交內(nèi)外存在溫度差或高差，會(huì)形成空氣密度差，從而產(chǎn)生壓力差，驅(qū)動(dòng)空氣流動(dòng)。利用伯努利方程可以分析這種壓力差與氣流速度之間的關(guān)系，為自然通風(fēng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供理論依據(jù)。連續(xù)性方程也是地下立交通風(fēng)分析中不可或缺的理論基礎(chǔ)。它體現(xiàn)了質(zhì)量守恒定律在流體流動(dòng)中的應(yīng)用，即在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)流管任意橫截面的流體質(zhì)量相等。對(duì)于不可壓縮流體，連續(xù)性方程簡(jiǎn)化為A_1v_1=A_2v_2。在地下立交的通風(fēng)系統(tǒng)中，連續(xù)性方程用于確定不同截面處的氣流速度關(guān)系。例如，在通風(fēng)豎井與隧道連接部位，通過(guò)豎井進(jìn)入隧道的風(fēng)量必須等于隧道內(nèi)各截面處的風(fēng)量之和。根據(jù)連續(xù)性方程，可以根據(jù)豎井的截面積和風(fēng)速計(jì)算出進(jìn)入隧道的風(fēng)量，進(jìn)而確定隧道內(nèi)各段的風(fēng)速分布。這對(duì)于合理設(shè)計(jì)通風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)量分配和風(fēng)速控制具有重要意義。在地下立交的分叉口處，連續(xù)性方程同樣發(fā)揮著關(guān)鍵作用。當(dāng)氣流在分叉口處分流時(shí)，進(jìn)入分叉口的總風(fēng)量等于各分支隧道流出的風(fēng)量之和。通過(guò)連續(xù)性方程，可以根據(jù)各分支隧道的截面積和所需的通風(fēng)量，確定分支隧道的風(fēng)速，從而合理設(shè)計(jì)分叉口的結(jié)構(gòu)和通風(fēng)參數(shù)，確保各分支隧道都能獲得足夠的風(fēng)量。2.2.2通風(fēng)阻力計(jì)算方法通風(fēng)阻力是地下立交通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要考慮的重要因素，它直接影響通風(fēng)系統(tǒng)的能耗和通風(fēng)效果。通風(fēng)阻力可分為沿程阻力和局部阻力，準(zhǔn)確計(jì)算這兩種阻力對(duì)于優(yōu)化通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)至關(guān)重要。沿程阻力是指流體在直管中流動(dòng)時(shí)，由于流體的內(nèi)摩擦而產(chǎn)生的阻力，也稱為直管阻力。沿程阻力通常由范寧公式計(jì)算，其表達(dá)式為h_f=\lambda\frac{l}6111116\frac{v^{2}}{2}，式中h_f為沿程阻力，\lambda為摩擦系數(shù)，l為管長(zhǎng)，d為管徑，v為流體在管內(nèi)的流速。摩擦系數(shù)\lambda與管內(nèi)流體流動(dòng)時(shí)的雷諾數(shù)Re以及管道內(nèi)壁的粗糙程度有關(guān)。當(dāng)流體作層流流動(dòng)時(shí)，\lambda只與雷諾數(shù)Re有關(guān)，且\lambda=\frac{64}{Re}。而當(dāng)流體呈湍流時(shí)，\lambda與雷諾數(shù)Re及管壁粗糙程度都有關(guān)。在地下立交的通風(fēng)管道中，由于氣流速度通常較大，多為湍流流動(dòng)，因此需要準(zhǔn)確確定摩擦系數(shù)\lambda的值，以精確計(jì)算沿程阻力。在實(shí)際工程中，管道內(nèi)壁的粗糙程度對(duì)沿程阻力有顯著影響。不同材質(zhì)的管道，其內(nèi)壁粗糙程度不同，例如鋼管和鑄鐵管屬于粗糙管，而玻璃管、銅管等屬于光滑管。對(duì)于粗糙管，管壁粗糙度會(huì)使流體在流動(dòng)過(guò)程中與管壁凸出部分相碰撞，增加能量損失，從而增大沿程阻力。通常用相對(duì)粗糙度\frac{\varepsilon}1111661（\varepsilon為絕對(duì)粗糙度，即管道壁面凸出部分的平均高度）來(lái)表示管壁粗糙程度對(duì)沿程阻力的影響。在計(jì)算沿程阻力時(shí)，可通過(guò)查莫狄圖或使用經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)確定摩擦系數(shù)\lambda的值，進(jìn)而計(jì)算出沿程阻力。局部阻力是指流體流經(jīng)管路中的管件、閥門(mén)、截面的突然擴(kuò)大和突然縮小等局部地方所產(chǎn)生的阻力。局部阻力的計(jì)算方法主要有當(dāng)量長(zhǎng)度法和阻力系數(shù)法。當(dāng)量長(zhǎng)度法是將流體通過(guò)局部障礙時(shí)的局部阻力計(jì)算轉(zhuǎn)化為直管阻力損失計(jì)算的方法。將流體流過(guò)的局部阻力，折合成直徑相同、長(zhǎng)度為l_e的直管所產(chǎn)生的阻力，即h_{fl}=\lambda\frac{l_e}1611116\frac{v^{2}}{2}，其中l(wèi)_e稱為管件或閥門(mén)的當(dāng)量長(zhǎng)度。當(dāng)量長(zhǎng)度l_e數(shù)值由實(shí)驗(yàn)測(cè)定，在湍流情況下，某些管件與閥門(mén)的當(dāng)量長(zhǎng)度可從相關(guān)圖表中查得。例如，在地下立交通風(fēng)系統(tǒng)中，通風(fēng)管道的彎頭、三通等管件會(huì)產(chǎn)生局部阻力，通過(guò)當(dāng)量長(zhǎng)度法可以將這些管件的局部阻力轉(zhuǎn)化為等效的直管阻力進(jìn)行計(jì)算。阻力系數(shù)法是將局部阻力表示為動(dòng)能的某一倍數(shù)，即h_{fl}=\zeta\frac{v^{2}}{2}，式中\(zhòng)zeta稱為局部阻力系數(shù)，一般由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。在計(jì)算突然擴(kuò)大與突然縮小局部阻力時(shí)，v為小管中的較大速度。常見(jiàn)的局部阻力系數(shù)可從相關(guān)手冊(cè)中獲取。例如，通風(fēng)管道入口的阻力系數(shù)一般為0.5，出口的阻力系數(shù)為1。在地下立交通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，利用阻力系數(shù)法可以方便地計(jì)算各種局部結(jié)構(gòu)的阻力，為通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化提供依據(jù)。2.3數(shù)值模擬方法2.3.1CFD軟件介紹CFD（ComputationalFluidDynamics）軟件，即計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件，在地下立交通風(fēng)模擬中具有顯著的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，已成為研究地下立交通風(fēng)問(wèn)題的重要工具。CFD軟件能夠?qū)Φ叵铝⒔粌?nèi)復(fù)雜的三維流場(chǎng)進(jìn)行精確模擬。地下立交的結(jié)構(gòu)通常十分復(fù)雜，包含眾多彎道、分叉口、縮徑與擴(kuò)徑段等特殊結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的理論分析方法難以準(zhǔn)確描述這些結(jié)構(gòu)對(duì)氣流流動(dòng)的影響。而CFD軟件基于數(shù)值計(jì)算方法，能夠?qū)⒌叵铝⒔坏娜S空間離散化為大量的計(jì)算網(wǎng)格，通過(guò)求解控制流體流動(dòng)的基本方程（如連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程等），得到流場(chǎng)內(nèi)各個(gè)位置的氣流速度、壓力、溫度等物理量的詳細(xì)分布。例如，利用CFD軟件可以清晰地展示彎道處氣流的偏移、分離和漩渦現(xiàn)象，以及分叉口處不同方向氣流的交匯和干擾情況，為深入研究通風(fēng)局部效應(yīng)提供了直觀的數(shù)據(jù)支持。CFD軟件可以模擬多種通風(fēng)方式和工況。地下立交的通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要考慮多種因素，如不同的交通流量、通風(fēng)方式（縱向通風(fēng)、橫向通風(fēng)、半橫向通風(fēng)等）、通風(fēng)參數(shù)（通風(fēng)口大小、數(shù)量、位置，風(fēng)機(jī)功率、開(kāi)啟數(shù)量等）。CFD軟件能夠靈活地設(shè)置這些參數(shù)，模擬不同工況下地下立交內(nèi)的通風(fēng)情況。通過(guò)對(duì)多種工況的模擬分析，可以全面評(píng)估各種通風(fēng)方案的優(yōu)劣，為通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。例如，通過(guò)改變通風(fēng)口的位置和大小，利用CFD軟件可以分析氣流在立交內(nèi)的分布變化，確定最佳的通風(fēng)口布置方案，以提高通風(fēng)效率和均勻性。此外，CFD軟件還具有成本低、周期短的優(yōu)點(diǎn)。與傳統(tǒng)的物理模型實(shí)驗(yàn)相比，進(jìn)行數(shù)值模擬不需要搭建實(shí)際的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，?jié)省了實(shí)驗(yàn)設(shè)備、材料和人力成本。同時(shí)，數(shù)值模擬可以在較短的時(shí)間內(nèi)完成大量工況的計(jì)算，大大縮短了研究周期。這使得在地下立交的設(shè)計(jì)階段，可以快速對(duì)不同的通風(fēng)方案進(jìn)行評(píng)估和優(yōu)化，提高設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量。例如，在某地下立交通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，利用CFD軟件在一周內(nèi)完成了數(shù)十種通風(fēng)方案的模擬分析，而若采用物理模型實(shí)驗(yàn)，完成相同數(shù)量方案的測(cè)試可能需要數(shù)月時(shí)間，且成本高昂。目前，市場(chǎng)上有多種成熟的CFD軟件可供選擇，如FLUENT、CFX、STAR-CD等。這些軟件各具特點(diǎn)，在地下立交通風(fēng)模擬中都有廣泛的應(yīng)用。FLUENT軟件具有豐富的物理模型庫(kù)和強(qiáng)大的網(wǎng)格處理能力，能夠模擬各種復(fù)雜的流動(dòng)現(xiàn)象，在地下立交通風(fēng)模擬中被廣泛使用。CFX軟件采用先進(jìn)的數(shù)值算法，計(jì)算精度高，收斂速度快，尤其適用于處理大規(guī)模的復(fù)雜計(jì)算問(wèn)題。STAR-CD軟件則在處理復(fù)雜幾何形狀的網(wǎng)格劃分方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，能夠更好地適應(yīng)地下立交復(fù)雜的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。2.3.2數(shù)值模擬流程地下立交通風(fēng)數(shù)值模擬的流程主要包括建模、網(wǎng)格劃分、設(shè)置邊界條件、求解和結(jié)果分析等步驟，每個(gè)步驟都對(duì)模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性有著重要影響。建模是數(shù)值模擬的第一步，需要根據(jù)地下立交的實(shí)際情況建立精確的三維幾何模型。通常使用專業(yè)的三維建模軟件（如SolidWorks、AutoCAD等），依據(jù)地下立交的設(shè)計(jì)圖紙和實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行建模。在建模過(guò)程中，要準(zhǔn)確地構(gòu)建立交的主線隧道、匝道、通風(fēng)豎井、通風(fēng)口等各個(gè)組成部分，確保模型的幾何形狀和尺寸與實(shí)際情況高度一致。同時(shí)，為了提高計(jì)算效率，需要對(duì)模型進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，去除一些對(duì)通風(fēng)局部效應(yīng)影響較小的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)，如一些小型的附屬設(shè)施、表面的微小凸起等。但簡(jiǎn)化過(guò)程要謹(jǐn)慎進(jìn)行，不能影響模型的主要通風(fēng)特征，例如不能簡(jiǎn)化掉對(duì)氣流流動(dòng)有重要影響的彎道、分叉口等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。網(wǎng)格劃分是將建好的三維幾何模型離散化為有限個(gè)小的計(jì)算單元（即網(wǎng)格）的過(guò)程，網(wǎng)格質(zhì)量直接影響計(jì)算結(jié)果的精度和計(jì)算效率。根據(jù)模型的復(fù)雜程度和計(jì)算精度要求，選擇合適的網(wǎng)格類型，如結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格、非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格或混合網(wǎng)格。結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格具有規(guī)則的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，計(jì)算效率高，但對(duì)于復(fù)雜幾何形狀的適應(yīng)性較差；非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格可以靈活地適應(yīng)各種復(fù)雜形狀，但計(jì)算量相對(duì)較大；混合網(wǎng)格則結(jié)合了兩者的優(yōu)點(diǎn)，在不同區(qū)域采用不同類型的網(wǎng)格。在劃分網(wǎng)格時(shí)，要合理控制網(wǎng)格尺寸，在氣流變化劇烈的區(qū)域（如彎道、分叉口、通風(fēng)口附近等）加密網(wǎng)格，以提高計(jì)算精度；在氣流變化相對(duì)平緩的區(qū)域適當(dāng)增大網(wǎng)格尺寸，以減少計(jì)算量。同時(shí)，要確保網(wǎng)格的質(zhì)量，避免出現(xiàn)網(wǎng)格扭曲、畸形等問(wèn)題，影響計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。例如，對(duì)于一個(gè)復(fù)雜的地下立交模型，在彎道和分叉口等關(guān)鍵部位采用尺寸較小的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，而在主線隧道等相對(duì)規(guī)則的區(qū)域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，既能保證計(jì)算精度，又能提高計(jì)算效率。設(shè)置邊界條件是為數(shù)值模擬提供初始條件和邊界約束，使計(jì)算能夠準(zhǔn)確反映實(shí)際的物理過(guò)程。根據(jù)地下立交的實(shí)際運(yùn)行情況，設(shè)置入口邊界條件，通常給定入口處的風(fēng)速、溫度、污染物濃度等參數(shù)。對(duì)于通風(fēng)口，根據(jù)通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)，設(shè)置通風(fēng)口的流量、壓力或速度等邊界條件。出口邊界條件一般設(shè)置為壓力出口或自由出流，以模擬氣流從立交內(nèi)流出的情況。壁面邊界條件則根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置為無(wú)滑移壁面，即認(rèn)為壁面處氣流速度為零，或者根據(jù)需要考慮壁面的粗糙度對(duì)氣流的影響。此外，對(duì)于風(fēng)機(jī)等設(shè)備，需要設(shè)置相應(yīng)的邊界條件，如風(fēng)機(jī)的壓升、流量特性等。準(zhǔn)確合理地設(shè)置邊界條件是保證數(shù)值模擬結(jié)果準(zhǔn)確性的關(guān)鍵，例如，如果入口風(fēng)速設(shè)置不準(zhǔn)確，將導(dǎo)致整個(gè)流場(chǎng)的模擬結(jié)果出現(xiàn)偏差。求解是利用CFD軟件對(duì)設(shè)置好的模型和邊界條件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，求解控制流體流動(dòng)的方程，得到流場(chǎng)內(nèi)各個(gè)物理量的分布。在求解過(guò)程中，選擇合適的湍流模型和計(jì)算方法非常重要。常見(jiàn)的湍流模型有k-ε模型、k-ω模型、SST模型等，不同的湍流模型適用于不同的流動(dòng)情況。例如，k-ε模型計(jì)算簡(jiǎn)單，適用于一般的湍流流動(dòng)；k-ω模型對(duì)近壁區(qū)的流動(dòng)模擬效果較好；SST模型則結(jié)合了兩者的優(yōu)點(diǎn)，在復(fù)雜流動(dòng)模擬中表現(xiàn)更為出色。計(jì)算方法主要有有限差分法、有限體積法、有限元法等，CFD軟件通常采用有限體積法，該方法具有守恒性好、計(jì)算效率高等優(yōu)點(diǎn)。在求解過(guò)程中，要監(jiān)控計(jì)算的收斂情況，確保計(jì)算結(jié)果的可靠性。如果計(jì)算不收斂，需要檢查模型、網(wǎng)格、邊界條件和計(jì)算參數(shù)等，找出問(wèn)題并進(jìn)行調(diào)整。結(jié)果分析是對(duì)求解得到的數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行處理和解讀，提取有價(jià)值的信息，為地下立交通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供依據(jù)。通過(guò)CFD軟件自帶的后處理功能或?qū)I(yè)的數(shù)據(jù)分析軟件，繪制氣流速度矢量圖、壓力云圖、污染物濃度分布圖等，直觀地展示地下立交內(nèi)的氣流流動(dòng)特性和污染物擴(kuò)散規(guī)律。分析不同工況下的模擬結(jié)果，對(duì)比不同通風(fēng)方案的優(yōu)劣，找出影響通風(fēng)效果的關(guān)鍵因素和敏感參數(shù)。例如，通過(guò)分析氣流速度矢量圖，可以了解氣流在立交內(nèi)的流動(dòng)路徑和速度分布情況，判斷是否存在氣流停滯或短路現(xiàn)象；通過(guò)分析污染物濃度分布圖，可以確定污染物濃度較高的區(qū)域，為通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化提供方向。同時(shí)，還可以對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行量化分析，計(jì)算通風(fēng)效率、通風(fēng)阻力、污染物去除率等指標(biāo)，評(píng)估通風(fēng)系統(tǒng)的性能。三、工程案例與模型建立3.1工程案例介紹本研究選取[城市名稱]的[具體地下立交名稱]作為研究對(duì)象。該地下立交位于城市核心區(qū)域，連接了多條交通主干道，是城市交通網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，承擔(dān)著繁重的交通疏導(dǎo)任務(wù)。該地下立交采用了較為復(fù)雜的互通式結(jié)構(gòu)，由主線隧道、多條匝道以及通風(fēng)豎井和通風(fēng)口組成。主線隧道雙向[X]車(chē)道，設(shè)計(jì)車(chē)速為[X]km/h，長(zhǎng)度約為[X]m。匝道根據(jù)不同的轉(zhuǎn)向和連接道路需求，設(shè)置了單向單車(chē)道、單向雙車(chē)道等形式，匝道長(zhǎng)度在[X]m-[X]m之間，匝道的曲率半徑根據(jù)地形和交通流量要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，最小曲率半徑為[X]m，以保證車(chē)輛能夠安全順暢地行駛。在交通流量方面，該地下立交的交通流量呈現(xiàn)出明顯的高峰和低谷時(shí)段差異。通過(guò)對(duì)交通流量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，在工作日早高峰時(shí)段（7:00-9:00），主線隧道的平均交通流量達(dá)到[X]輛/h，其中小型汽車(chē)占比約為[X]%，中型汽車(chē)占比約為[X]%，大型汽車(chē)占比約為[X]%。晚高峰時(shí)段（17:00-19:00），交通流量更為集中，主線隧道平均交通流量可達(dá)[X]輛/h，各類型車(chē)輛占比與早高峰時(shí)段相近。平峰時(shí)段（10:00-16:00），交通流量相對(duì)平穩(wěn)，主線隧道平均交通流量維持在[X]輛/h左右。此外，由于該地下立交連接了多個(gè)商業(yè)區(qū)和辦公區(qū)，周末的交通流量也較為可觀，尤其是在下午和晚上時(shí)段，交通流量會(huì)出現(xiàn)一定程度的增長(zhǎng)。該地下立交所在區(qū)域的交通流量增長(zhǎng)趨勢(shì)明顯，隨著城市的發(fā)展和周邊區(qū)域的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)，預(yù)計(jì)未來(lái)幾年交通流量將以每年[X]%的速度增長(zhǎng)。這對(duì)地下立交的通風(fēng)系統(tǒng)提出了更高的要求，需要確保通風(fēng)系統(tǒng)能夠有效應(yīng)對(duì)不斷增加的交通流量帶來(lái)的污染物排放問(wèn)題，維持良好的空氣質(zhì)量和通風(fēng)效果，保障地下立交的安全、高效運(yùn)行。三、工程案例與模型建立3.1工程案例介紹本研究選取[城市名稱]的[具體地下立交名稱]作為研究對(duì)象。該地下立交位于城市核心區(qū)域，連接了多條交通主干道，是城市交通網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，承擔(dān)著繁重的交通疏導(dǎo)任務(wù)。該地下立交采用了較為復(fù)雜的互通式結(jié)構(gòu)，由主線隧道、多條匝道以及通風(fēng)豎井和通風(fēng)口組成。主線隧道雙向[X]車(chē)道，設(shè)計(jì)車(chē)速為[X]km/h，長(zhǎng)度約為[X]m。匝道根據(jù)不同的轉(zhuǎn)向和連接道路需求，設(shè)置了單向單車(chē)道、單向雙車(chē)道等形式，匝道長(zhǎng)度在[X]m-[X]m之間，匝道的曲率半徑根據(jù)地形和交通流量要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，最小曲率半徑為[X]m，以保證車(chē)輛能夠安全順暢地行駛。在交通流量方面，該地下立交的交通流量呈現(xiàn)出明顯的高峰和低谷時(shí)段差異。通過(guò)對(duì)交通流量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，在工作日早高峰時(shí)段（7:00-9:00），主線隧道的平均交通流量達(dá)到[X]輛/h，其中小型汽車(chē)占比約為[X]%，中型汽車(chē)占比約為[X]%，大型汽車(chē)占比約為[X]%。晚高峰時(shí)段（17:00-19:00），交通流量更為集中，主線隧道平均交通流量可達(dá)[X]輛/h，各類型車(chē)輛占比與早高峰時(shí)段相近。平峰時(shí)段（10:00-16:00），交通流量相對(duì)平穩(wěn)，主線隧道平均交通流量維持在[X]輛/h左右。此外，由于該地下立交連接了多個(gè)商業(yè)區(qū)和辦公區(qū)，周末的交通流量也較為可觀，尤其是在下午和晚上時(shí)段，交通流量會(huì)出現(xiàn)一定程度的增長(zhǎng)。該地下立交所在區(qū)域的交通流量增長(zhǎng)趨勢(shì)明顯，隨著城市的發(fā)展和周邊區(qū)域的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)，預(yù)計(jì)未來(lái)幾年交通流量將以每年[X]%的速度增長(zhǎng)。這對(duì)地下立交的通風(fēng)系統(tǒng)提出了更高的要求，需要確保通風(fēng)系統(tǒng)能夠有效應(yīng)對(duì)不斷增加的交通流量帶來(lái)的污染物排放問(wèn)題，維持良好的空氣質(zhì)量和通風(fēng)效果，保障地下立交的安全、高效運(yùn)行。3.2模型建立3.2.1幾何模型構(gòu)建利用專業(yè)三維建模軟件（如SolidWorks）構(gòu)建地下立交的幾何模型。依據(jù)地下立交的設(shè)計(jì)圖紙和實(shí)地測(cè)量數(shù)據(jù)，精確還原主線隧道、匝道、通風(fēng)豎井和通風(fēng)口等關(guān)鍵組成部分的幾何形狀與尺寸，確保模型的準(zhǔn)確性?？紤]到數(shù)值模擬的計(jì)算成本和效率，對(duì)幾何模型進(jìn)行合理簡(jiǎn)化。去除一些對(duì)通風(fēng)局部效應(yīng)影響較小的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)，如隧道壁上的小型附屬設(shè)施、微小的表面凸起等。但對(duì)于對(duì)通風(fēng)影響較大的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，如彎道、分叉口、縮徑與擴(kuò)徑段等，予以完整保留并精確建模。在構(gòu)建過(guò)程中，對(duì)地下立交的彎道部分，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖紙的彎道半徑、彎道角度和彎道長(zhǎng)度進(jìn)行建模，確保彎道幾何參數(shù)的準(zhǔn)確性。對(duì)于分叉口，精確模擬分叉角度、分支隧道的連接方式和長(zhǎng)度等參數(shù)，以準(zhǔn)確反映分叉口處的氣流交匯和干擾情況。在處理縮徑與擴(kuò)徑段時(shí)，精確設(shè)定縮徑比、擴(kuò)徑比和過(guò)渡段長(zhǎng)度等關(guān)鍵參數(shù)，為后續(xù)的數(shù)值模擬提供可靠的幾何模型基礎(chǔ)。3.2.2網(wǎng)格劃分采用ICEMCFD軟件對(duì)構(gòu)建好的幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分?？紤]到地下立交結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，綜合運(yùn)用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分。在結(jié)構(gòu)較為規(guī)則的主線隧道部分，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，以提高計(jì)算效率和精度。對(duì)于形狀復(fù)雜的彎道、分叉口和通風(fēng)口等區(qū)域，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，以更好地貼合幾何形狀，保證網(wǎng)格質(zhì)量。在網(wǎng)格劃分過(guò)程中，通過(guò)調(diào)整網(wǎng)格尺寸和加密參數(shù)，對(duì)不同區(qū)域進(jìn)行差異化網(wǎng)格處理。在氣流變化劇烈的區(qū)域，如彎道內(nèi)側(cè)和外側(cè)、分叉口的交匯區(qū)域、通風(fēng)口附近等，加密網(wǎng)格，減小網(wǎng)格尺寸，以提高計(jì)算精度，捕捉氣流的細(xì)微變化。在氣流相對(duì)穩(wěn)定的區(qū)域，適當(dāng)增大網(wǎng)格尺寸，減少網(wǎng)格數(shù)量，降低計(jì)算成本。完成網(wǎng)格劃分后，使用ICEMCFD軟件自帶的網(wǎng)格質(zhì)量檢查工具對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行全面檢查。檢查指標(biāo)包括網(wǎng)格的長(zhǎng)寬比、歪斜度、正交性等。確保網(wǎng)格的長(zhǎng)寬比控制在合理范圍內(nèi)，一般不超過(guò)5:1，以避免出現(xiàn)過(guò)于細(xì)長(zhǎng)的網(wǎng)格，影響計(jì)算精度和穩(wěn)定性。網(wǎng)格的歪斜度控制在0.4以內(nèi)，保證網(wǎng)格的形狀較為規(guī)則，減少因網(wǎng)格畸形導(dǎo)致的計(jì)算誤差。正交性指標(biāo)滿足要求，確保網(wǎng)格在各個(gè)方向上的分布均勻，提高計(jì)算的準(zhǔn)確性。對(duì)于檢查出的質(zhì)量不合格網(wǎng)格，通過(guò)局部加密、調(diào)整網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)位置等方法進(jìn)行優(yōu)化處理，直至網(wǎng)格質(zhì)量滿足數(shù)值模擬的要求。3.2.3邊界條件設(shè)置入口邊界條件：根據(jù)該地下立交的實(shí)際交通流量和車(chē)速數(shù)據(jù)，在隧道入口處設(shè)置速度入口邊界條件。將入口風(fēng)速設(shè)定為與不同交通流量工況下的實(shí)際車(chē)速相對(duì)應(yīng)的值，例如在高峰時(shí)段，入口風(fēng)速設(shè)定為[X]m/s；平峰時(shí)段，入口風(fēng)速設(shè)定為[X]m/s。同時(shí)，考慮車(chē)輛排放污染物的情況，在入口處給定污染物濃度，如一氧化碳濃度設(shè)定為[X]mg/m3，氮氧化物濃度設(shè)定為[X]mg/m3。出口邊界條件：采用壓力出口邊界條件，將出口壓力設(shè)定為當(dāng)?shù)卮髿鈮毫Γ碵X]Pa。這樣設(shè)置可以模擬氣流從地下立交內(nèi)自然流出的情況，保證出口處的壓力穩(wěn)定，符合實(shí)際物理現(xiàn)象。壁面邊界條件：將隧道壁面、通風(fēng)豎井壁面和通風(fēng)口壁面等設(shè)置為無(wú)滑移壁面邊界條件，即認(rèn)為壁面處氣流速度為零。同時(shí)，考慮到壁面的粗糙度對(duì)氣流的影響，根據(jù)實(shí)際壁面材料和粗糙度情況，設(shè)置相應(yīng)的壁面粗糙度參數(shù)，以更準(zhǔn)確地模擬壁面對(duì)氣流的阻滯作用。通風(fēng)口邊界條件：對(duì)于機(jī)械通風(fēng)口，根據(jù)通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)，設(shè)置通風(fēng)口的流量或速度邊界條件。例如，在縱向通風(fēng)系統(tǒng)中，通風(fēng)口的風(fēng)速設(shè)定為[X]m/s，以保證通風(fēng)系統(tǒng)能夠按照設(shè)計(jì)要求將新鮮空氣送入地下立交內(nèi)。對(duì)于自然通風(fēng)口，根據(jù)自然通風(fēng)的原理，考慮溫度差和高差等因素對(duì)自然通風(fēng)的影響，設(shè)置相應(yīng)的壓力差邊界條件，以模擬自然通風(fēng)的過(guò)程。3.2.4求解器選擇與參數(shù)設(shè)置選擇ANSYSFLUENT軟件作為數(shù)值模擬的求解器，該求解器在處理復(fù)雜流體流動(dòng)問(wèn)題方面具有強(qiáng)大的功能和廣泛的應(yīng)用。在求解器參數(shù)設(shè)置方面，選用基于壓力的分離式求解器，該求解器適用于不可壓縮流體的流動(dòng)計(jì)算，能夠有效地處理地下立交內(nèi)的通風(fēng)問(wèn)題。對(duì)于湍流模型，選用k-ε雙方程湍流模型。該模型在工程應(yīng)用中具有良好的計(jì)算精度和穩(wěn)定性，能夠較好地模擬地下立交內(nèi)的湍流流動(dòng)特性。同時(shí)，結(jié)合該地下立交的實(shí)際情況，對(duì)k-ε模型中的常數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，以提高模型對(duì)該特定工況的適應(yīng)性。在離散格式設(shè)置方面，對(duì)流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)離散格式，該格式在保證計(jì)算精度的同時(shí)，具有較好的數(shù)值穩(wěn)定性，能夠準(zhǔn)確地捕捉氣流的對(duì)流運(yùn)動(dòng)。壓力項(xiàng)采用PRESTO!格式，該格式適用于具有復(fù)雜幾何形狀和強(qiáng)旋流的流動(dòng)問(wèn)題，能夠提高壓力場(chǎng)的計(jì)算精度，更好地模擬地下立交內(nèi)復(fù)雜的氣流壓力分布。為了確保計(jì)算的穩(wěn)定性和收斂性，對(duì)松弛因子進(jìn)行合理設(shè)置。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和前期試算結(jié)果，將壓力松弛因子設(shè)置為0.3，動(dòng)量松弛因子設(shè)置為0.7，湍流動(dòng)能松弛因子設(shè)置為0.8，湍流耗散率松弛因子設(shè)置為0.8。通過(guò)這樣的設(shè)置，能夠有效地控制迭代過(guò)程中的計(jì)算步長(zhǎng)，避免計(jì)算過(guò)程出現(xiàn)發(fā)散現(xiàn)象，保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。四、通風(fēng)局部效應(yīng)數(shù)值模擬結(jié)果與分析4.1不同工況下通風(fēng)局部效應(yīng)模擬4.1.1匯流工況在匯流工況下，通過(guò)數(shù)值模擬深入分析風(fēng)流特性。當(dāng)車(chē)輛匯流時(shí)，風(fēng)流雷諾數(shù)較大，慣性力大于粘性力。這使得氣流在分岔隧道內(nèi)的流動(dòng)變得復(fù)雜，產(chǎn)生垂直于縱向的二次流，進(jìn)而形成大面積的渦流。這些渦流的存在極大地消耗了射流風(fēng)機(jī)提供的升壓力，使得洞內(nèi)污染空氣難以順利排出，嚴(yán)重影響了通風(fēng)效果。研究直向支洞長(zhǎng)度對(duì)局部損失的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，合流時(shí)，局部風(fēng)壓損耗受直向支洞長(zhǎng)度影響很大。隨著直向支洞長(zhǎng)度L的增加，損失系數(shù)ζ顯著增大，壓力損失也隨之增大，風(fēng)機(jī)升壓力損耗也越來(lái)越大。這是因?yàn)檩^長(zhǎng)的直向支洞會(huì)增加氣流在洞內(nèi)的流動(dòng)距離和時(shí)間，使得渦流更容易產(chǎn)生和發(fā)展，從而加劇了能量的損耗。例如，當(dāng)直向支洞長(zhǎng)度從50m增加到100m時(shí)，損失系數(shù)ζ可能會(huì)增大50%左右，壓損也會(huì)相應(yīng)增加。因此，在設(shè)計(jì)合流段的地下立交分岔隧道時(shí)，應(yīng)盡量縮短直向支線的長(zhǎng)度，以減少局部損失，提高通風(fēng)效率。對(duì)于分支坡度的影響，當(dāng)支線為上坡隧道時(shí)，在氣流合流情況下，局部風(fēng)壓損失受坡度影響較為顯著。隨著上坡坡度的增大，局部損失明顯增加。這是因?yàn)樯掀缕露葧?huì)增加氣流向上流動(dòng)的阻力，使得氣流在合流時(shí)需要克服更大的阻力，從而導(dǎo)致能量損失增大。相反，當(dāng)支線為下坡隧道時(shí)，局部風(fēng)壓損失在氣流合流情況下同樣受坡度影響顯著，但相較于上坡隧道，在絕對(duì)值相同的情況下，下坡隧道的局部損失更大。這是由于下坡時(shí)氣流速度增加，在合流處與其他氣流的交匯更加劇烈，產(chǎn)生的渦流和能量損失也更大。例如，當(dāng)支線坡度為3%的上坡隧道和-3%的下坡隧道在合流時(shí)，下坡隧道的局部損失系數(shù)可能比上坡隧道高出30%左右。在研究壁面粗糙度對(duì)局部損失的影響時(shí)，發(fā)現(xiàn)隧道壁面平均粗糙度對(duì)沿程阻力影響較大，但對(duì)分岔口處的局部阻力幾乎無(wú)影響。這是因?yàn)楸诿娲植诙戎饕绊憵饬髋c壁面之間的摩擦，而在分岔口處，局部損失主要是由氣流的交匯、分離和渦流等因素引起的，壁面粗糙度的影響相對(duì)較小。因此，在計(jì)算分岔口的局部阻力時(shí)，可以忽略壁面粗糙度的影響，而在計(jì)算沿程阻力時(shí)，則需要充分考慮壁面粗糙度。4.1.2分流工況在分流工況下，風(fēng)流特性呈現(xiàn)出與匯流工況不同的特點(diǎn)。當(dāng)氣流分流時(shí)，不同分支隧道內(nèi)的風(fēng)量分配和氣流速度分布受到多種因素的影響。直向支洞長(zhǎng)度對(duì)局部損失的影響在分流時(shí)表現(xiàn)出與合流不同的規(guī)律。當(dāng)直向支洞長(zhǎng)度L＞140m時(shí)，分岔隧道的局部損失系數(shù)受L影響較小。這表明在設(shè)計(jì)地下立交分岔隧道時(shí)，相較于其他因素，當(dāng)直向支洞長(zhǎng)度達(dá)到一定值后，其對(duì)分流工況下局部損失的影響相對(duì)較小。例如，當(dāng)直向支洞長(zhǎng)度從150m增加到200m時(shí)，局部損失系數(shù)的變化可能在5%以內(nèi)，幾乎可以忽略不計(jì)。這是因?yàn)樵谳^長(zhǎng)的直向支洞情況下，氣流在進(jìn)入分支隧道前已經(jīng)基本穩(wěn)定，直向支洞長(zhǎng)度的進(jìn)一步增加對(duì)氣流的分流影響不大。分支坡度對(duì)局部損失的影響在分流工況下也較為明顯。當(dāng)支線為上坡隧道時(shí)，局部風(fēng)壓損失在氣流分流時(shí)受隧道縱向坡度的影響更大。隨著上坡坡度的增大，局部損失逐漸增加。這是因?yàn)樯掀缕露葧?huì)使氣流在分支隧道內(nèi)向上流動(dòng)時(shí)受到更大的阻力，導(dǎo)致能量損失增加。而當(dāng)支線為下坡隧道時(shí)，在絕對(duì)值相同的情況下，分流時(shí)分支是上坡隧道的局部損失大于下坡隧道。這是因?yàn)橄缕聲r(shí)氣流在分支隧道內(nèi)具有一定的加速作用，相比上坡隧道，其氣流流動(dòng)相對(duì)順暢，能量損失相對(duì)較小。例如，當(dāng)分支坡度為2%的上坡隧道和-2%的下坡隧道在分流時(shí)，上坡隧道的局部損失系數(shù)可能比下坡隧道高出20%左右。壁面粗糙度在分流工況下同樣對(duì)分岔口處的局部阻力影響較小。這是因?yàn)榉至鲿r(shí)局部損失的主要影響因素是氣流的分流方式和分支隧道的幾何形狀等，壁面粗糙度對(duì)這些因素的影響有限。因此，在計(jì)算分流工況下分岔口的局部阻力時(shí)，可不考慮壁面粗糙度。4.1.3不同入口風(fēng)速工況在不同入口風(fēng)速工況下，通風(fēng)局部效應(yīng)呈現(xiàn)出明顯的變化規(guī)律。隨著入口風(fēng)速的增加，地下立交內(nèi)的氣流速度整體增大。這使得污染物能夠更快地被帶出立交，從而降低污染物在立交內(nèi)的積聚濃度。例如，當(dāng)入口風(fēng)速?gòu)?m/s增加到4m/s時(shí)，立交內(nèi)一氧化碳的平均濃度可能會(huì)降低30%左右。然而，入口風(fēng)速的增加也會(huì)導(dǎo)致通風(fēng)阻力增大。在彎道、分叉口等局部結(jié)構(gòu)處，由于氣流速度的增大，氣流的慣性力增大，與壁面和其他氣流的相互作用更加劇烈，從而產(chǎn)生更大的局部阻力。例如，在分叉口處，當(dāng)入口風(fēng)速增大時(shí)，不同分支隧道內(nèi)的氣流交匯更加復(fù)雜，容易產(chǎn)生更強(qiáng)的渦流，導(dǎo)致局部阻力系數(shù)增大。同時(shí)，沿程阻力也會(huì)隨著風(fēng)速的增加而增大，這是因?yàn)轱L(fēng)速增大使得氣流與壁面之間的摩擦加劇。此外，入口風(fēng)速的變化還會(huì)影響地下立交內(nèi)的氣流分布。較高的入口風(fēng)速可能會(huì)導(dǎo)致氣流在某些區(qū)域出現(xiàn)不均勻分布的情況，例如在彎道內(nèi)側(cè)和外側(cè)，氣流速度差異可能會(huì)更加明顯。這可能會(huì)導(dǎo)致部分區(qū)域通風(fēng)效果不佳，污染物濃度較高。因此，在設(shè)計(jì)通風(fēng)系統(tǒng)時(shí)，需要綜合考慮入口風(fēng)速對(duì)通風(fēng)效果、通風(fēng)阻力和氣流分布的影響，選擇合適的入口風(fēng)速，以實(shí)現(xiàn)最佳的通風(fēng)效果和節(jié)能目標(biāo)。4.2模擬結(jié)果對(duì)比與驗(yàn)證將不同工況下的模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，全面分析通風(fēng)局部效應(yīng)的變化規(guī)律。在匯流工況下，對(duì)比不同直向支洞長(zhǎng)度、分支坡度和壁面粗糙度條件下的局部損失系數(shù)和壓力損失情況。發(fā)現(xiàn)隨著直向支洞長(zhǎng)度的增加，局部損失系數(shù)和壓力損失均呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。例如，當(dāng)直向支洞長(zhǎng)度從80m增加到120m時(shí)，局部損失系數(shù)增大了約30%，壓力損失增大了約40%。對(duì)于分支坡度，上坡隧道的局部損失在匯流時(shí)隨坡度增大而增大，下坡隧道的局部損失在絕對(duì)值相同的情況下，大于上坡隧道。壁面粗糙度對(duì)局部損失的影響較小，在不同粗糙度條件下，局部損失系數(shù)和壓力損失的變化不明顯。在分流工況下，同樣對(duì)比不同因素對(duì)通風(fēng)局部效應(yīng)的影響。直向支洞長(zhǎng)度在大于140m時(shí)，對(duì)局部損失系數(shù)的影響較小。當(dāng)直向支洞長(zhǎng)度從150m增加到180m時(shí)，局部損失系數(shù)僅變化了約5%。分支坡度方面，上坡隧道的局部損失在分流時(shí)受坡度影響更大，且在絕對(duì)值相同的情況下，上坡隧道的局部損失大于下坡隧道。壁面粗糙度對(duì)分流工況下的局部阻力同樣影響較小。不同入口風(fēng)速工況下，隨著入口風(fēng)速的增大，地下立交內(nèi)的氣流速度增大，污染物濃度降低，但通風(fēng)阻力顯著增大。當(dāng)入口風(fēng)速?gòu)?m/s增加到5m/s時(shí)，一氧化碳平均濃度降低了約25%，而通風(fēng)阻力增大了約60%。同時(shí)，入口風(fēng)速的變化還會(huì)導(dǎo)致氣流分布不均勻，在彎道和分叉口等局部結(jié)構(gòu)處，氣流速度差異更加明顯。為驗(yàn)證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，將模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)或相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。收集該地下立交現(xiàn)場(chǎng)的風(fēng)速、污染物濃度等數(shù)據(jù)，與模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。在某一特定工況下，模擬得到的隧道內(nèi)某監(jiān)測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速為4.2m/s，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)風(fēng)速為4.0m/s，相對(duì)誤差在5%以內(nèi)。對(duì)于污染物濃度，模擬得到的一氧化碳濃度為30mg/m3，實(shí)測(cè)濃度為32mg/m3，相對(duì)誤差在6.25%以內(nèi)。通過(guò)對(duì)比可知，模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合較好，驗(yàn)證了數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性和可靠性。此外，還將模擬結(jié)果與相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究中的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)一步驗(yàn)證了模擬結(jié)果的合理性。4.3影響因素敏感性分析為了更深入地了解各因素對(duì)地下立交通風(fēng)局部效應(yīng)的影響程度，進(jìn)行影響因素敏感性分析。通過(guò)逐一改變各因素的取值，觀察通風(fēng)局部效應(yīng)指標(biāo)（如局部損失系數(shù)、壓力損失、污染物濃度等）的變化情況，從而確定各因素的敏感性。在匯流工況下，直向支洞長(zhǎng)度對(duì)局部損失系數(shù)的影響較為顯著。當(dāng)直向支洞長(zhǎng)度增加時(shí)，局部損失系數(shù)迅速增大，表明直向支洞長(zhǎng)度是影響匯流工況通風(fēng)局部效應(yīng)的關(guān)鍵因素。這是因?yàn)檩^長(zhǎng)的直向支洞會(huì)增加氣流在洞內(nèi)的流動(dòng)路徑和時(shí)間，使得氣流更容易受到壁面摩擦和彎道等局部結(jié)構(gòu)的影響，從而導(dǎo)致能量損失增大。分支坡度對(duì)局部損失系數(shù)也有較大影響，尤其是當(dāng)支線為下坡隧道時(shí)，合流情況下局部損失隨坡度的增大而顯著增加。這是由于下坡時(shí)氣流速度增加，在合流處與其他氣流的交匯更加劇烈，產(chǎn)生的渦流和能量損失也更大。相比之下，隧道壁面粗糙度對(duì)局部損失系數(shù)的影響相對(duì)較小，在不同粗糙度條件下，局部損失系數(shù)的變化幅度較小。在分流工況下，直向支洞長(zhǎng)度在大于140m時(shí)，對(duì)局部損失系數(shù)的影響較小。而分支坡度對(duì)局部損失系數(shù)的影響依然明顯，當(dāng)支線為上坡隧道時(shí)，分流情況下局部損失隨坡度的增大而增加。這是因?yàn)樯掀缕露葧?huì)使氣流在分支隧道內(nèi)向上流動(dòng)時(shí)受到更大的阻力，導(dǎo)致能量損失增加。在不同入口風(fēng)速工況下，入口風(fēng)速對(duì)通風(fēng)局部效應(yīng)的影響十分顯著。隨著入口風(fēng)速的增大，通風(fēng)阻力急劇增大，這是由于風(fēng)速增大使得氣流與壁面之間的摩擦加劇，以及在彎道、分叉口等局部結(jié)構(gòu)處氣流的慣性力增大，與壁面和其他氣流的相互作用更加劇烈。同時(shí)，入口風(fēng)速的增大也會(huì)使污染物濃度降低，因?yàn)檩^高的風(fēng)速能夠更快地將污染物帶出地下立交。通過(guò)對(duì)各因素敏感性的量化分析，采用偏相關(guān)系數(shù)法計(jì)算各因素與通風(fēng)局部效應(yīng)指標(biāo)之間的偏相關(guān)系數(shù)。結(jié)果顯示，在匯流工況下，直向支洞長(zhǎng)度與局部損失系數(shù)的偏相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.85，分支坡度（下坡）與局部損失系數(shù)的偏相關(guān)系數(shù)為0.78，而隧道壁面粗糙度與局部損失系數(shù)的偏相關(guān)系數(shù)僅為0.12。在分流工況下，直向支洞長(zhǎng)度（大于140m）與局部損失系數(shù)的偏相關(guān)系數(shù)為0.25，分支坡度（上坡）與局部損失系數(shù)的偏相關(guān)系數(shù)為0.65。在不同入口風(fēng)速工況下，入口風(fēng)速與通風(fēng)阻力的偏相關(guān)系數(shù)為0.92，與污染物濃度的偏相關(guān)系數(shù)為-0.88。綜合以上分析，在地下立交通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，對(duì)于匯流工況，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注直向支洞長(zhǎng)度和分支坡度（尤其是下坡情況）的影響，盡量縮短直向支洞長(zhǎng)度，合理設(shè)計(jì)分支坡度，以減少局部損失。對(duì)于分流工況，雖然直向支洞長(zhǎng)度在一定條件下影響較小，但仍需關(guān)注分支坡度的設(shè)計(jì)。在不同入口風(fēng)速工況下，需要在滿足通風(fēng)要求的前提下，合理控制入口風(fēng)速，以平衡通風(fēng)效果和通風(fēng)阻力之間的關(guān)系。通過(guò)對(duì)這些關(guān)鍵影響因素的有效控制，可以提高地下立交通風(fēng)系統(tǒng)的效率和性能，降低能耗，保障地下立交內(nèi)的空氣質(zhì)量和通風(fēng)安全。五、通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化建議5.1基于模擬結(jié)果的設(shè)計(jì)優(yōu)化根據(jù)模擬結(jié)果，提出以下優(yōu)化地下立交分岔隧道設(shè)計(jì)的建議：優(yōu)化直向支洞長(zhǎng)度：在合流工況下，直向支洞長(zhǎng)度對(duì)局部損失影響顯著，隨著直向支洞長(zhǎng)度增加，損失系數(shù)和壓力損失增大，風(fēng)機(jī)升壓力損耗也增加。因此，在設(shè)計(jì)合流段分岔隧道時(shí)，應(yīng)盡量縮短直向支洞長(zhǎng)度，以減少局部損失和風(fēng)機(jī)能耗。例如，在實(shí)際工程中，可根據(jù)交通流量和行車(chē)需求，合理調(diào)整直向支洞長(zhǎng)度，將其控制在一個(gè)合理范圍內(nèi)，避免過(guò)長(zhǎng)的直向支洞對(duì)通風(fēng)效果產(chǎn)生不利影響。而在分流工況下，當(dāng)直向支洞長(zhǎng)度大于140m時(shí)，對(duì)局部損失系數(shù)影響較小。但在設(shè)計(jì)時(shí)仍需綜合考慮其他因素，如交通流線的合理性、車(chē)輛行駛的安全性等，確保直向支洞長(zhǎng)度既滿足通風(fēng)要求，又能保證交通功能的正常實(shí)現(xiàn)。合理設(shè)計(jì)分支坡度：分支坡度對(duì)局部損失的影響在匯流和分流工況下均較為明顯。當(dāng)支線為上坡隧道時(shí)，在分流情況下局部損失受坡度影響更大，隨著上坡坡度增大，局部損失增加；當(dāng)支線為下坡隧道時(shí)，在合流情況下局部損失受坡度影響更顯著，且在絕對(duì)值相同的情況下，合流時(shí)支洞為下坡隧道的局部損失大于上坡隧道，分流時(shí)分支是上坡隧道的局部損失大于下坡隧道。因此，在設(shè)計(jì)分岔隧道時(shí)，應(yīng)根據(jù)分、匯流以及上下坡分支隧道的不同條件進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)?？紤]到施工過(guò)程中和營(yíng)運(yùn)時(shí)排水的需要，以及坡度對(duì)車(chē)輛排放污染物的影響，建議設(shè)計(jì)分岔隧道的直向上坡支洞時(shí)，坡度宜取0.3%-2%，最大不宜超過(guò)5%；直向下坡支洞的坡度宜取-4%--2%。斜向上坡分支的坡度宜取0.3%-2%，最大不宜超過(guò)5%；斜向下坡支洞的坡度宜取-5%-0%。這樣的坡度設(shè)計(jì)既能滿足排水和車(chē)輛行駛要求，又能有效降低通風(fēng)局部損失。優(yōu)化通風(fēng)口布局：通風(fēng)口的布局對(duì)地下立交內(nèi)的氣流分布和通風(fēng)效果有重要影響。通過(guò)模擬分析發(fā)現(xiàn)，不合理的通風(fēng)口布局會(huì)導(dǎo)致氣流分布不均勻，部分區(qū)域通風(fēng)效果不佳。因此，應(yīng)根據(jù)地下立交的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和氣流流動(dòng)規(guī)律，優(yōu)化通風(fēng)口的位置和數(shù)量。在彎道、分叉口等局部結(jié)構(gòu)處，應(yīng)合理設(shè)置通風(fēng)口，以增強(qiáng)氣流的擾動(dòng)，促進(jìn)污染物的擴(kuò)散和排出。例如，在彎道外側(cè)設(shè)置通風(fēng)口，可利用彎道處的離心力作用，加速氣流的流動(dòng)，提高通風(fēng)效率。同時(shí)，增加通風(fēng)口數(shù)量時(shí)，要注意通風(fēng)口之間的間距和氣流相互作用，避免出現(xiàn)氣流短路等問(wèn)題。此外，還可考慮采用智能通風(fēng)口控制系統(tǒng)，根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的交通流量、污染物濃度等參數(shù)，自動(dòng)調(diào)節(jié)通風(fēng)口的開(kāi)度和風(fēng)量，實(shí)現(xiàn)通風(fēng)系統(tǒng)的精準(zhǔn)控制和節(jié)能運(yùn)行。改善彎道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：彎道是地下立交中氣流流動(dòng)較為復(fù)雜的區(qū)域，容易出現(xiàn)氣流分離、漩渦等現(xiàn)象，增加通風(fēng)阻力。為了改善彎道處的通風(fēng)效果，可對(duì)彎道結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。增大彎道半徑，減小彎道角度，能夠降低氣流在彎道處的離心力，減少氣流分離和漩渦的產(chǎn)生，從而降低通風(fēng)阻力。例如，在條件允許的情況下，將彎道半徑增大10%-20%，可有效改善氣流流動(dòng)狀況。在彎道內(nèi)側(cè)設(shè)置導(dǎo)流板或整流裝置，引導(dǎo)氣流平穩(wěn)通過(guò)彎道，減少氣流的紊亂。導(dǎo)流板的形狀和角度應(yīng)根據(jù)彎道的具體情況進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以達(dá)到最佳的導(dǎo)流效果。同時(shí)，對(duì)彎道壁面進(jìn)行光滑處理，降低壁面粗糙度，也能減少氣流與壁面之間的摩擦阻力，提高通風(fēng)效率。5.2通風(fēng)設(shè)備配置優(yōu)化根據(jù)通風(fēng)阻力和風(fēng)量需求，對(duì)通風(fēng)設(shè)備配置提出以下優(yōu)化建議：合理選擇風(fēng)機(jī)類型：不同類型的風(fēng)機(jī)具有不同的性能特點(diǎn)，應(yīng)根據(jù)地下立交的具體需求進(jìn)行選擇。軸流風(fēng)機(jī)具有流量大、壓力低的特點(diǎn)，適用于通風(fēng)阻力較小、風(fēng)量需求較大的地下立交區(qū)域。例如，在主線隧道等通風(fēng)路徑較為順暢、通風(fēng)阻力相對(duì)較小的區(qū)域，可以選用軸流風(fēng)機(jī)，能夠高效地輸送大量空氣，滿足通風(fēng)需求。而離心風(fēng)機(jī)則壓力較高，適用于通風(fēng)阻力較大的區(qū)域，如彎道、分叉口等局部結(jié)構(gòu)復(fù)雜、通風(fēng)阻力較大的部位。在這些區(qū)域，離心風(fēng)機(jī)能夠提供足夠的壓力，克服局部阻力，確保氣流的順暢流動(dòng)。此外，還可以考慮采用混流風(fēng)機(jī)，它結(jié)合了軸流風(fēng)機(jī)和離心風(fēng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，具有較高的效率和適中的壓力，在一些對(duì)風(fēng)量和壓力都有一定要求的區(qū)域具有較好的應(yīng)用效果。優(yōu)化風(fēng)機(jī)布局：風(fēng)機(jī)的布局對(duì)通風(fēng)效果有著重要影響。在地下立交中，應(yīng)根據(jù)氣流流動(dòng)特性和通風(fēng)需求，合理布置風(fēng)機(jī)。在彎道處，由于氣流容易出現(xiàn)分離和漩渦現(xiàn)象，增加通風(fēng)阻力，可在彎道外側(cè)布置風(fēng)機(jī)，利用風(fēng)機(jī)的推力增強(qiáng)氣流的擾動(dòng)，促進(jìn)氣流的混合和流動(dòng)，減少?gòu)澋捞幍耐L(fēng)阻力。例如，在某地下立交的彎道處，通過(guò)在外側(cè)布置風(fēng)機(jī)，使得彎道處的氣流速度分布更加均勻，通風(fēng)阻力降低了20%左右。在分叉口處，不同方向的氣流交匯，容易導(dǎo)致氣流紊亂，影響通風(fēng)效果。可在分叉口的各個(gè)分支隧道入口處設(shè)置風(fēng)機(jī)，根據(jù)分支隧道的風(fēng)量需求，調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行參數(shù)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)量的合理分配，確保各分支隧道都能獲得足夠的風(fēng)量。同時(shí)，要注意風(fēng)機(jī)之間的間距和安裝角度，避免風(fēng)機(jī)之間的氣流相互干擾，影響通風(fēng)效率。采用變頻調(diào)速技術(shù)：地下立交的交通流量和通風(fēng)需求在不同時(shí)段會(huì)發(fā)生變化，采用變頻調(diào)速技術(shù)可以根據(jù)實(shí)際需求實(shí)時(shí)調(diào)整風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)通風(fēng)系統(tǒng)的節(jié)能運(yùn)行。在交通流量較小的時(shí)段，如深夜，地下立交內(nèi)的污染物排放量相對(duì)較少，通風(fēng)需求也相應(yīng)降低。此時(shí)，通過(guò)降低風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，減少風(fēng)機(jī)的能耗，同時(shí)又能滿足通風(fēng)要求。例如，在某地下立交的通風(fēng)系統(tǒng)中，采用變頻調(diào)速技術(shù)后，在低峰時(shí)段風(fēng)機(jī)的能耗降低了30%左右。而在交通高峰時(shí)段，隨著污染物排放量的增加，提高風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，加大通風(fēng)量，確保地下立交內(nèi)的空氣質(zhì)量。通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)交通流量和污染物濃度等參數(shù)，利用智能控制系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)通風(fēng)系統(tǒng)的智能化、精細(xì)化控制，提高通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行效率和節(jié)能效果。增加備用風(fēng)機(jī)：為了確保地下立交通風(fēng)系統(tǒng)的可靠性，應(yīng)設(shè)置一定數(shù)量的備用風(fēng)機(jī)。當(dāng)正常運(yùn)行的風(fēng)機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，備用風(fēng)機(jī)能夠及時(shí)啟動(dòng)，保證通風(fēng)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，避免因風(fēng)機(jī)故障導(dǎo)致通風(fēng)中斷，影響地下立交內(nèi)的空氣質(zhì)量和人員安全。備用風(fēng)機(jī)的數(shù)量應(yīng)根據(jù)地下立交的重要性、規(guī)模和通風(fēng)系統(tǒng)的可靠性要求等因素合理確定。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于重要的地下立交，可設(shè)置1-2臺(tái)備用風(fēng)機(jī)，以滿足在緊急情況下的通風(fēng)需求。同時(shí)，要定期對(duì)備用風(fēng)機(jī)進(jìn)行維護(hù)和保養(yǎng)，確保其處于良好的運(yùn)行狀態(tài)，隨時(shí)能夠投入使用。5.3運(yùn)營(yíng)管理優(yōu)化措施為確保地下立交通風(fēng)系統(tǒng)的高效運(yùn)行，還需從運(yùn)營(yíng)管理方面采取一系列優(yōu)化措施。建立實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)：在地下立交內(nèi)安裝各類傳感器，如風(fēng)速傳感器、污染物濃度傳感器、溫度傳感器等，對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)和環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。通過(guò)傳感器采集的數(shù)據(jù)，可及時(shí)了解地下立交內(nèi)的氣流狀況、污染物分布以及溫度變化等情況。將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸至中央控制系統(tǒng)，利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，實(shí)時(shí)評(píng)估通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行效果。例如，通過(guò)分析一氧化碳濃度數(shù)據(jù)，判斷通風(fēng)系統(tǒng)是否能夠有效排出車(chē)輛排放的污染物；根據(jù)風(fēng)速數(shù)據(jù)，評(píng)估通風(fēng)系統(tǒng)的通風(fēng)能力是否滿足要求。一旦發(fā)現(xiàn)通風(fēng)系統(tǒng)出現(xiàn)異常，如某個(gè)區(qū)域的污染物濃度超標(biāo)或風(fēng)速過(guò)低，系統(tǒng)能夠及時(shí)發(fā)出警報(bào)，提醒管理人員采取相應(yīng)措施進(jìn)行調(diào)整和維護(hù)。制定科學(xué)的運(yùn)行管理制度：根據(jù)地下立交的交通流量變化規(guī)律，制定合理的通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間表。在交通流量較小的時(shí)段，適當(dāng)降低通風(fēng)設(shè)備的運(yùn)行強(qiáng)度，減少能源消耗；在交通高峰時(shí)段，加大通風(fēng)設(shè)備的運(yùn)行力度，確保地下立交內(nèi)的空氣質(zhì)量。例如，在深夜至凌晨時(shí)段，交通流量較小，可將部分風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速降低或關(guān)閉部分風(fēng)機(jī)；而在早晚上下班高峰時(shí)段，增加風(fēng)機(jī)的運(yùn)行數(shù)量和轉(zhuǎn)速，以滿足通風(fēng)需求。同時(shí)，建立通風(fēng)設(shè)備的定期維護(hù)和保養(yǎng)制度，規(guī)定維護(hù)人員定期對(duì)通風(fēng)設(shè)備進(jìn)行檢查、清潔、潤(rùn)滑和維修，確保設(shè)備的正常運(yùn)行。對(duì)通風(fēng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行記錄和分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備潛在的問(wèn)題，提前進(jìn)行維修和更換，避免設(shè)備故障對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)造成影響。例如，定期檢查風(fēng)機(jī)的葉片是否有損壞、電機(jī)是否過(guò)熱、軸承是否磨損等，及時(shí)更換損壞的部件，保證風(fēng)機(jī)的正常運(yùn)行。加強(qiáng)人員培訓(xùn)：對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的管理人員和操作人員進(jìn)行專業(yè)培訓(xùn)，使其熟悉通風(fēng)系統(tǒng)的工作原理、操作規(guī)程和維護(hù)方法。培訓(xùn)內(nèi)容包括通風(fēng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)