公路隧道封闭环境超细颗粒动力学演变与扩散耦合机理

Ultrafine particles (particles with dynamic diameter<1μm) have significant adverse impact on human and health and the severe problem is gained enough attention from publics in recent years. Due to enclosure space and dense traffic flow, a high probability of particle dynamic evolution such as coagulation and deposition occurs inside the tunnels. The coupling between particle dynamic evolution and dispersion seems to be stronger in urban road tunnels compared with open spaces and indoors. Thus, taking urban road tunnel as object, this project focuses on main dynamic process including coagulation and deposition, analyzes the characteristics of ultrafine particle dynamic evolution and proposes key factors influencing ultrafine particle main dynamic evolution by employing field measurement of particle size distribution inside urban road tunnels with a scanning mobility particle sizer. Combining basic model of particle dynamic process and measurement data, a quantitative model describing main dynamic processes of ultrafine particles in urban road tunnel is established. The coupling mechanism among coagulation, deposition and dispersion is explored through numerical simulation with dynamic meshes and user-defined field function. The project overcomes the deficiency that supposes the independence between particle dynamic evolution and dispersion in current studies. The conclusions in the project could be a guideline and basis of analyzing ultrafine particle dynamic evolution and dispersion theory, evaluating ultrafine particle exposure levels, optimizing ventilation system and improving operation policy in urban road tunnels.

超细颗粒对人体健康危害大，已成为全社会关注的热点问题。城市公路隧道内部封闭、车辆密度大，超细颗粒动力学事件，尤其是凝并和沉降演变过程明显，与扩散的耦合度高。本项目以城市公路隧道高浓度封闭环境为研究对象，采用扫描电迁移粒径谱仪在线辨识技术，重点研究公路隧道超细颗粒凝并和沉降的演变规律及关键控制因素；基于动力学演变基本理论模型和环境舱试验，优化凝并和沉降演变模型关键参数的范围，构建城市公路隧道超细颗粒凝并、沉降和扩散耦合理论模型；利用动网格技术和用户自定义场函数的手段，模拟城市公路隧道超细颗粒凝并、沉降和扩散耦合下的时空分布特性，揭示公路隧道超细颗粒动力学演变规律与扩散的耦合作用机理。本项目弥补了现有研究中颗粒动力学演变和扩散互不关联的不足，为正确认识城市公路隧道超细颗粒动力学演变和扩散耦合机理，评估公路隧道超细颗粒暴露水平奠定基础，为隧道通风系统的优化设计运营提供指导和依据。

城市公路隧道结构封闭，内部机动车行驶交通风特性复杂多变，排放超细颗粒浓度较高，颗粒动力学演变过程相比于普通建筑环境和室外环境更为显著，超细颗粒动力学变化与扩散耦合作用强；本项目针对上述关键问题，开展系统性研究，主要成果如下：.（1）基于已有超细颗粒扩散、沉降和凝并基础模型，结合城市公路隧道环境特点及车辆运行状态，提出适用于城市公路隧道超细颗粒动力学演变理论模型，明确了模型关键参数如摩擦速度、Hamaker常数的取值范围；.（2）完成了大连城区3条主要公路隧道超细颗粒污染水平季节性测试，归纳出车流量和环境参数对超细颗粒变化的影响程度水平，解析出城市公路隧道超细颗粒逐时变化预测模型，并结合实测数据，提出精确预测超细颗粒变化的半经验理论模型；.（3）提出了城市公路隧道交通风变化规律，凝练了小型车辆在城市公路隧道行驶交通风速和湍动参数的定量描述，并获得了多排车不同车速下城市公路隧道主要污染物在全场及呼吸区范围内超标程度和变化特性；.（4）完成了城市公路隧道内超细颗粒主要动力学过程—凝并、沉降和扩散的解耦分析，获得了凝并和沉降在车辆运动状态下的动态演变特性，提出了凝并和沉降对超细颗粒扩散过程的影响范围及程度，明确了超细颗粒动力学演变对污染评价影响的误差水平。.在完成上述既定成果的前提下，本项目结合工程实际需求，继续深入挖掘超细颗粒动力学演变特性对隧道通风系统的反向作用与约束，研发了适用于隧道通风系统智能运行的风机调控技术手段，获得了隧道通风系统最佳运行工况，并通过比较得到了智能风机调控技术方法的节能效果及经济效益，项目研究成果为有效提高公路隧道内风机运行的节能性和经济性提供了良好基础，助力交通建筑领域实现“双碳”目标提供了理论及技术支撑。