一种多点进出城市地下道路机动车排放污染物浓度分布特性计算方法技术

一种多点进出城市地下道路机动车排放污染物浓度分布特性计算方法涉及地下道路隧道营运通风系统设计领域。目前隧道环境通风控制，主要是通过在内隧道上部区域沿线设置多个污染物(CO、NOx)浓度检测装置的方法，指导风机系统的运行。但大量实际工程表明，这些污染物(CO、NOx)浓度检测装置维护保养工作量大、维修成本高，不适于隧道工程大量使用。为此，根据本发明专利技术提出的多点进出城市地下道路机动车排放污染物(CO、NOx)浓度分布特性计算方法，可以起到虚拟污染物(CO、NOx)浓度检测装置的作用。在已知交通流量条件下，仅通过有限的数个污染物(CO、NOx)浓度检测装置，即可实现隧道沿程污染物(CO、NOx)浓度有效评估。

【技术实现步骤摘要】
一种多点进出城市地下道路机动车排放污染物浓度分布特性计算方法
本专利技术涉及地下道路隧道营运通风系统设计领域，具体地说是一种关于多点进出城市地下道路机动车排放污染物浓度分布特性的计算方法。
技术介绍
随着我国城镇化进程的快速推进，城市机动车保有量以及城市交通流量急剧膨胀。为缓解城市用地紧张、城市中心区主干道交通拥堵、缩短城区间的道路里程，建设城市地下道路已成为21世纪交通发展的一个重要主题。城市地下道路位于城市中心区且结构复杂，坡道多、岔道多、转弯路段多、出入口多，甚至出现地下立交；这种复杂的结构形式和道路功能特点，使隧道内交通特征(车型比例、平均车速、交通流量等)发生了很大变化，由此引发了机动车排放特性、交通通风力的变化，进而影响了隧道内机动车排放污染物的扩散与分布特性，这些变化都是直接影响并关联隧道内污染物浓度通风控制方式以及通风工程设计方法确定的关键因素。城市地下道路通风系统通过通风换气方法，稀释机动车排出的污染物，将隧道内污染物浓度水平控制在相关标准要求限值范围内。城市地下道路实际运营过程中,受机动车流量、车速、机动车自身环保特性等因素动态变化特性的影响，隧道内机动车排放特性也是动态变化的。因此，动态把握隧道内交通流量、污染物浓度排放与扩散特性，并以此指导通风系统合理运行，对城市地下道路安全运营及其通风系统的高效节能运行具有重要意义。我国多点进出城市地下道路工程建设与发展起步较晚，目前主要的设计标准和参数仍然是参照公路隧道的。但多点进出城市地下道路工程无论是在隧道结构特征、交通特征，还是在工程建设场址等方面，都与公路隧道有较大的差异性，简单照搬公路隧道的设计标准和参数都将带来很多问题，当然更不能简单照搬国外的相关标准或规范。隧道运营过程中，机动车排放污染物(CO、NOx)扩散与分布特性，如何利用有限的污染物浓度检测装置，实时评估对应交通流量条件下隧道内机动车排放污染物的浓度分布特性，为隧道通风系统的节能运行以及隧道安全运营提供理论方法参考。目前隧道环境通风控制，主要是通过在内隧道上部区域沿线设置多个污染物(CO、NOx)浓度检测装置的方法，指导风机系统的运行。但大量实际工程表明，这些污染物(CO、NOx)浓度检测装置维护保养工作量大、维修成本高，不适于隧道工程大量使用。为此，根据本专利提出的多点进出城市地下道路机动车排放污染物(CO、NOx)浓度分布特性计算方法，可以起到虚拟污染物(CO、NOx)浓度检测装置的作用。在已知交通流量条件下，仅通过有限的数个污染物(CO、NOx)浓度检测装置，即可实现隧道沿程污染物(CO、NOx)浓度有效评估。
技术实现思路
本专利技术涉及城市地下道路污染物浓度预测方法和交通风度计算方法。当地下道路结构特征和交通特征确定，即可根据本专利技术方法计算得到交通风速和污染物分布情况。其基本设计计算步骤如下：1)绘制隧道计算模型图(图1)，查阅计算城市地下道路的结构参数和交通参数(隧道内交通流量N，辆/h；计算隧道段长度L，m；汽车等效阻抗面积Am，Am＝Cd·AC，m2；汽车有效牵引系数Cd；隧道净空断面积Ar，m2；隧道内空气密度ρ，取1.24kg/m3；局部阻力系数ζ；沿程阻力系数λ)。2)根据式(1)(2)求出对应交通车流量的交通车速VtiVti＝0.00004Ni2-0.0726Ni+40.9(阻塞工况)(1)Vti＝-0.00005Ni2+0.0913Ni+54.5(正常工况)(2)式中，Ni为隧道段i的交通流量，pcu/(车道·h)。3)根据式(3)计算匝道段i交通风速Vi′式中，匝道段i交通风速Vi′，当为合流匝道时取正值，当为分流匝道时取负值。Vi—主道段i交通风速，m/s；Li—计算隧道段i长度，m；Di—计算隧道段i当量直径，m；Vti—隧道段i交通车速，m/s；Am—汽车等效阻抗面积，Am＝Cd·AC，m2；Cd—汽车有效牵引系数；Ari—隧道段i净空断面积，m2；ρ—隧道内空气密度，取1.24kg/m3；ζi—局部阻力系数；λ—沿程阻力系数，采用设计手册0.02。4)根据式(4)计算入口处第一个主隧道段交通风速V15)根据式(5)计算剩余主隧道交通风速Vi7)查阅计算隧道的主隧道入口污染物浓度Cini、通过计算出的交通风速计算匝道段j分流比例Cj8)根据式(7)从入口处主隧道段开始计算得到单口进出直隧道和多口进出隧道合流匝道段下游主隧道CO污染物浓度式中，Ar为隧道净空断面积/m2；W为隧道宽度/m；Vr为隧道内平均交通风速/(m·s-1)；C(x)为距离隧道入口x米远处污染物浓度，mg/m3；Cin(i)为入口处污染物浓度，下游隧道入口浓度等于上游隧道出口浓度；K为反映行驶中的机动车污染物扩散特性的扩散特征系数，由实测取0.012m/s；hm为污染物对流传质系数，m/s。Nuf＝0.0296Re4/5Pr1/35×105≤Re≤107(10)式中，h为对流换热系数；cp为定压比热；Re为雷诺数，Pr为普朗特数。9)当主隧道为分流匝道下游主隧道时，将计算出的各段交通风速和Cini代入式(11)可计算得到多点进出隧道分流匝道段CO污染物浓度扩散模型式：式中，V’j为分流匝道段j内平均交通风速/(m·s-1)。本专利技术计算值与实测值比较，污染物浓度与实测值吻合较好。附图说明图1绘制隧道计算模型图图2长沙市营盘路多点进出隧道示意图图3计算值与实测值比较图具体实施方式下面通过一实例进一步说明本专利技术。以长沙市营盘路多点进出隧道为例(图2)。总长为2.7km，隧道为双洞单向两车道结构，隧道南线和北线均有两个出、入口。1.隧道结构特征、交通特征与阻力系数参数如下表所示，汽车等效阻抗面积Am＝1.64m2，隧道内空气密度ρ，取1.24kg/m3。表长沙隧道结构尺寸及交通特征等数据2)根据式(2)求出对应交通车流量的交通车速Vt1＝-0.00005N12+0.0913N1+54.5＝-0.00005×18362+0.0913×1836+54.5＝53.5km/hVt2＝-0.00005N22+0.0913N2+54.5＝-0.00005×8882+0.0913×888+54.5＝29.3km/hVt3＝-0.00005N32+0.0913N3+54.5＝-0.00005×27242+0.0913×2724+54.5＝62.3km/hVt4＝-0.00005N42+0.0913N4+54.5＝-0.00005×19142+0.0913×1914+54.5＝55.1km/hVt5＝-0.00005N52+0.0913N5+54.5＝-0.00005×8102+0.0913×810+54.5＝28.2km/h3)根据式(3)计算匝道段交通风速Vi′合流匝道:分流匝道:4)根据式(4)计算入口处第一个主隧道段交通风速V1入口主道5)根据式(5)计算剩余主隧道交通风速Vi合流前主道分流后主道7)根据式(6)计算出匝道5分流比例C48)根据式(7)从入口处主隧道段开始计算得到单口进出直隧道和多口进出隧道合流匝道段下游主隧道污染物浓度，隧道入口(隧道段1)Cin1取大气环境浓度4.7ppm。隧道段3入口浓度Cin3等于上游隧道出口浓度，即Cin3＝C(490)9)当主隧道为分流匝道本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多点进出城市地下道路机动车排放污染物浓度分布特性计算方法，其特征在于，计算步骤如下：1)绘制隧道计算模型图，查阅计算城市地下道路的结构参数和交通参数，包括隧道内交通流量N，辆/h；计算隧道段长度L，m；汽车等效阻抗面积Am，Am＝Cd·AC，m

【技术特征摘要】
1.一种多点进出城市地下道路机动车排放污染物浓度分布特性计算方法，其特征在于，计算步骤如下：1)绘制隧道计算模型图，查阅计算城市地下道路的结构参数和交通参数，包括隧道内交通流量N，辆/h；计算隧道段长度L，m；汽车等效阻抗面积Am，Am＝Cd·AC，m2；汽车有效牵引系数Cd；隧道净空断面积Ar，m2；隧道内空气密度ρ，取1.24kg/m3；局部阻力系数ζ；沿程阻力系数λ)；2)根据式(1)或(2)求出对应交通车流量的交通车速VtiVti＝0.00004Ni2-0.0726Ni+40.9(阻塞工况)(1)Vti＝-0.00005Ni2+0.0913Ni+54.5(正常工况)(2)式中，Ni为隧道段i的交通流量，pcu/(车道·h)；3)根据式(3)计算匝道段i交通风速Vi′式中，匝道段i交通风速Vi′，当为合流匝道时取正值，当为分流匝道时取负值；Vi—主道段i交通风速，m/s；Li—计算隧道段i长度，m；Di—计算隧道段i当量直径，m；Vti—隧道段i交通车速，m/s；Am—汽车等效阻抗面积，Am＝Cd·AC，m2；Cd—汽车有效牵引系数；Ari—隧道段i净空断面积，m2；ρ—隧道内空气密度，取1.24k...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈超，王陆瑶，李琼，袁浩庭，孙超，蔺洁，周宇，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：北京,11