城市隧道作为地下交通的主要形式,在缓解和解决城市交通拥堵方面发挥出越来越重要的作用。由于城市隧道地处中心城区,故常面临严苛的内、外环境控制要求——需同步控制隧道内污染物的最大浓度及各排污口处的排污量。同时,为连接地面已有路网、适应隧道进出口周边建筑布局要求,分叉、近接等超常规结构在隧道内的应用越来越普遍,使得城市隧道内的空气运动和污染物控制更趋复杂。因此,开展异形城市隧道通风特性及污染物排放协同控制技术的研究,无疑对解决城市复杂隧道的通风排污问题具有重要的理论及现实意义。本文应用隧道工程、计算流体动力学及射流力学等多学科交叉手段,通过理论分析、数值模拟及物理实验等方法,对分叉隧道分离流动的局部损失机制及通风特性、近接隧道洞口处的污染物扩散机理、隧道动力参数与环境控制指标间的耦合/解耦机制进行了系统研究。主要成果如下:(1)首次研发可同步满足Re、Sr和Eu相似的1/20分叉隧道通风比尺模型试验平台,获得分流比β及分叉角度θ对隧道分流局部损失的影响规律:当分流后主线与匝道的流量比q等于两者的面积比φ时,主线和匝道的分流局部损失系数ξ12和ξ13最小;当q>φ时,ξ12.ξ13均随β的增大而减小,且ξ13随着θ的增大而增大;当q<φ时,ξ12、ξ13均随β的增大而增大,但ξ13随着θ的增大而减小。(2)率先揭示隧道分叉处的分离流动特征:当分流比β较小时,流动分离出现在靠近分叉点一侧的主线边壁和远离分叉点一侧的匝道边壁;当β较大时,流动分离出现在远离分叉点一侧的主线边壁和靠近分叉点一侧的匝道边壁。提出隧道分叉处的空气流向偏转角假设,构建可供设计使用的小角度分流局部损失预测模型,与已有文献公式相比,具有更好的预测精度。(3)分叉隧道通风特性比尺模型试验表明:隧道主线通风段与匝道通风段的风量间存在联动耦合效应——当调节某一通风段射流升压力时,该通风段及与之串联的通风段,其风量均随着射流升压力的增大而增大;与之并联的通风段,其风量随射流升压力的增大而减小。(4)提出分叉隧道协同排污控制原则:隧道内环境的控制,应以交通量和车速为主要扰动量,以串联通风段的风机作为主要的控制变量,以满足隧道内污染物浓度限值的要求;隧道外环境的控制,应以车辆分流比为主要扰动量,以并联通风段的风机作为主要的控制变量,以满足各排污口排污量限值的要求。(5)对于并行错列洞口隧道,减小进洞口风速uin、增大出洞口风速uout或进出洞口之间的横向间距d,均可减小进洞口负压区对出洞口射流结构的影响,从而弱化循环风;当进洞口位于出洞口之后或齐平于出洞口时,循环风混入比φc。随错列间距Δl的增大而增大;当进洞口位于出洞口之前时,φc。随Δl的增大先增大而后减小。构建并行错列洞口隧道循环风混入比预测模型,弥补了已有公式仅能有效预测齐平洞口循环风混入比的缺陷。(6)窜流现象可视为:下游洞口位于上游隧道污染物射流的不同特征段的流动。窜流比φs随Δx/D(Δx为上下游隧道洞口间距,D为隧道断面水力直径)的增大而减小,随风速比udown/uup的增大而增大。创新引入三维壁面射流特征段概念,构建涵盖各个射流特征区的全射流窜流比预测模型,突破了已有公式洞口间距的局限,将窜流模型的适用范围延展至 0<Δx/D<28。相关研究成果已成功应用于紫金港城市隧道,使隧道沿线约100亩区域内的环境免受隧道废气排放的影响,节省隧道投资、运营成本2100余万元,取得间接经济效益1.7亿元,展现出良好的社会、经济和环境效益(中汇会审[2017]1366号)。