U x ) ( ) + x. 1 -Memorial tunnel

Transcript

1 و 1 بررسی عملکرد فنها در تهويه ا لايندههای تونل رسالت 1 خسرو اشرفی 2 مجيد شفيعپور مطلق مصطفی کلهر اصفهانيان وحيد 3 چکيده: 1 -استاديار دانشکده محيط زيست دانشگاه تهران 2 -استاديار دانشکده محيطزيست دانشگاه تهران 3 -دانشجوی کارشناسیارشد عمران محيط زيست دانشگاه تهران -استاد دانشکده مهندسی مکانيک دانشگاه تهران شبيهسازی جريان سيال درون تونل روشی مناسب برای مطالعه و بررسی پراکنش ا لايندهها و ارزيابی راندمان تهويه تونل میباشد. در اين مقاله از نرمافزار ديناميک سيالات محاسباتی فلوي نت برای شبيهسازی تمام مقياس تونل رسالت تهران و حل دقيق معادلات جرم و تکانه و پخش ا لايندهها استفاده شدهاست. ميزان غلظت مونوکسيدکربن حاصل از شبيهسازی در نقاط مختلف با مقادير اندازهگيری شده در تونل برای چند سناريوی متفاوت مقايسه شده است. نتايج حاصله نشان دهنده ا ن است که چيدمان فنها در تونل بصورت بهينهی صورت نگرفته است. کلمات کليدی: شبيهسازی عددی تهويه تونل ا لاينده. 1- مقدمه استفاده از نرمافزارهای ديناميک سيالات محاسباتی (CFD) برای مدلسازی پديدههای فيزيکی از کارا مدترين شيوههای پيشبينی و مطالعه انواع پديدههای فيزيکی پيرامون است. امکان حل سهبعدی و تمام مقياس جريان سيال اين نرمافزارها را بهعنوان ابزارهای قابل اعتماد برای بررسی و مطالعه جريان انواع سيالات تبديل کردهاست. استفاده از اين نرمافزارها در مطالعات محيطزيستی اخير ا مورد توجه قرار گرفته است[ 2]. پيشبينی و مطالعه پراکنش ا لايندهها در محيطهای باز مانند جو و ساير محيطهای بسته و نيمه باز به موضوعی قابل تامل در حيطه استفاده از نرمافزارهای CFD تبديل شدهاست. وگا و همکاران در پژوهشی به شبيهسازی دکترای مهندسی مکانيک khashrafi@ut.ac.ir دکترای مهندسی مکانيک shafiepourm@yahoo.com کارشناس مهندسی عمران mostafa.kalhor@hotmail.com دکترای مهندسی مکانيک evahid@ut.ac.ir

2 1 سهبعدی سيستم تهويه طولی تونل مموريال پرداختهاند. در اين تحقيق رفتار دود توليدی در هنگام ا تشسوزی توسط نرم افزار فلوي نت در حالت سهبعدی و غير داي م شبيهسازی شده و با دادههای تجربی موجود مقايسه شدهاست که حاکی از همبستگی خوب بين نتايج حاصله میباشد[ 3 ]. اغلب مطالعات صورت گرفته متمرکز بر پراکنش دود و حرارت به هنگام ا تشسوزی بوده است. در شرايط ا تشسوزی خودروها متوقف شده و لذا اثر تلاطم القايی بواسطه حرکت پيستونی خودروها و همچنين ميزان ا لايندههای خروجی از ا نها در نظر گرفته نمیشود. در اين مقاله به شبيهسازی تمام مقياس پراکنش ا لايندهها در تونل رسالت پرداخته شدهاست. خودروها با توجه به مطالعات ا ماری صورت گرفته درون تونل توزيع شده و بصورت متحرک شبيهسازی شدهاند. ميزان ا لايندههای خروجی از ا نها نيز بصورت منبع سطحی در کف تونل در نظر گرفته شدهاست. 2- معادلات حاکم در هر مقطع از تونل با درنظر گرفتن جريان يکطرفه با تهويه طولی و شرايط حالت داي م سهبعدی تراکمناپذير و متلاطم معادلات پايستگی جرم پخش ذرات و تکانه بهصورت زير خواهند بود: U x t i i = 0 ( ρy ) ( ) n + ρvyn = J n + Rn + Sn ( ρu ) ( ) iu j p U U j ρu iu j x j i = + ρ ν + + xi x j x j x i x j (1) (2) (3) Y n کسر i مولفه سرعت در جهت = 1,2,3 U i در معادلات بالا J n شار جرمی ا لاينده n ام ρ چگالی هوا V بردار سرعت S n نرخ خالص توليد R n نرخ واکنشهای شيميايی جزء n ام u i يا از بين رفتن ا لاينده n ام ν لزجت سينماتيکی و مولفه تلاطمی سرعت در جهت i میباشند. از نرمافزار فلوي نت برای حل دقيق معادلات بالا استفاده شدهاست. برای شبيهسازی تلاطم از مدل κ-ε بهصورت استاندارد استفاده شده ست و برای درنظر گرفتن تلاطم ثانويه القايی خودروها اقدام به شبيهسازی تمام مقياس خودروها درون تونل شدهاست. 3- هندسه تونل تونل رسالت با طول 890= l درصد دارای مقطعی به شکل 1 متر و شيب طولی متوسط 2,5 میباشد. تونل دارای 2 عدد 1 -Memorial tunnel 2

3 جت فن بوده که در هشت مقطع به فواصل 110 متری از يکديگر در طول تونل کار گذاشته شدهاند. همانطور که در شکل 1 نمايان است در هر مقطع سه فن بهصورت محوری قرار گرفتهاند. تهويه تونل بهصورت طولی توسط فنها و همچنين تا ثير پيستونی حرکت خودروها صورت میگيرد. مشخصات عملکردی فنها در جدول 1 ا ورده شدهاست. شکل 1: مقطعی از تونل رسالت 1: مشخصات فنهای بهکار رفته در تونل رسالت[ 6 ] جدول دبی m 3 /s سرعت خروجی m/s نيروی اسمی N قدرت شفت kw 33,3 29, , هندسه مدل توسط نرم افزار گمبيتشبکهبندی شدهاست. در ايجاد هندسه مدل فنها بهصورت يک حجم معين در فضا و خودروها نيز بهصورت ديوارههای متحرک دارای تخلخل تعريف شبيهسازی شدهاند. از ا نجا که نسبت حجم فن به حجم تونل برابر با 0,00001 می باشد لذا برای پوشش دادن تمام جزي يات درون تونل از سلولهای چهار وجهی استفاده شده است. شبکهبندی تونل با فواصل 2 متری شروع شده و تا ريزتر شدن فاصله بين نقاط ادامه يافته و در نهايت در گام 1 متری اختلاف بين دو جواب حاصله به اندازه قابل قبول 0,001 رسيد و لذا مدل توسط مجموعه نقاط با گامهای 1 متری شبکهبندی شد که در مجموع 526,58 سلول چهار وجهی را شامل میشود. - شبيهسازی خودرو حرکت خودروها بهوسيله ايجاد تلاطم اضافی و به دام انداختن جرمی از هوا در جهت حرکت خود باعث تشديد تلاطمهای کوچک و بزرگ مقياس جريان هوا درون تونل میشود[ 5 ]. مطالعات صورت گرفته توسط سديفيان و همکاران نشان میدهد که تلاطم ثانويه ايجاد شده توسط حرکت خودروها 3

4 تاثير خود را عمدتا بر جريان هوای پشت سر خودرو میگذارد. برای شبيهسازی خودروهای درون تونل ابتدا يک خودروی نمونه طوری تعريف شده است که اين خودرو معرف تمامی خودروهای عبوری از تونل از نظر ابعاد سرعت ميزان ا لايندگی باشد(جدول 2). 2: مشخصات خودروی نمونه تعريف شده در تونل جدول ابعاد سرعت ميزان انتشار پايه سن ضريب همسنگ سواری 2 1,5 81 km / h Euro II 7,6 1 با توجه به ا مار خودروهای عبوری از تونل (جدول 3) در هر لحظه به تعداد 90 خودرو درون تونل وجود خواهد داشت. جدول 3: ا مار عبور خودروهای عبوری از تونل رسالت[ 6 ] متوسط تعداد سرعت متوسط 0-30 km / km h / h خودرو km / km h / h با توجه به اينکه %95 خودروهای درون تونل دارای سرعت 80 کيلومتر بر ساعت و طول متوسط متر بودهاند لذا خودروی نمونه با همين مشخصات تعريف شده است(شکل 2). برای معادلسازی ميزان ا لايندههای توليدی از ضريب همسنگ سواری (جدول ) استفاده شدهاست. برای شبيهسازی تاثير حرکت خودرو بر جريان هوای درون تونل از شرايط مرزی ديواره متحرک و پوروس جامپ استفاده شدهاست. برای اين منظور ميزان سطح تماس مفيد يک خودرو نمونه داخل تونل محاسبه شده و توسط يک ديواره متحرک متخلخل در ارتفاع 0,2 متری از سطح زمين شبيهسازی شدهاست(شکل 3). : ضرايب همسنگ سواری برای خودروهای موجود در شهر جدول تهران[ 7 ] وسايل سنگين موتور و دوچرخه اتوبوس واحد سواري تاکسي مينيبوس اتوبوس 2,5 0,5 5 2,5 2,5 2,17 1,57

5 شکل 2: نمايی از خودروی نمونه تعريف شده برای شبيهسازی برای محاسبه پارامترهای مربوط به تعريف ديواره متخلخل از ابعاد مربوط به منافذ و مجاری عبور هوا در هنگام برخورد با خودرو که عمدتا ناشی از قسمت کاپوت و جلوی رادياتور است استفاده شدهاست. ضريب نفوذ بهدست ا مده بهطور يکنواخت به ديواره متحرک تعميم داده شدهاست. شکل 3: شبيهسازی خودرو توسط ديواره متحرک و متخلخل 2.- توزيع خودروها درون تونل با توجه به اينکه %95 از خوردوهای عبوری از تونل دارای سرعت 81 km/h در ساعت میباشند که اين خودروها مطابق شکل در خطوط اول و دوم توزيع شدهاند: 90 %95=86 Cars 86 2=3 Cars per lane I And II 90-86= Cars in lane III از طرفی با توجه به ا ييننامه راهنمايی و رانندگی ايران ميزان فاصله ايمنی مجاز با خودروی در حال حرکت 5

6 در جلو برای سرعتهای بيش از 80 km/h به ميزان پنج برابر طول خودروی( L ) مورد نظر است لذا: 5 m = 20 m = فاصله ايمنی طول تونل> 3 20 m = 860 m بنابراين خودروهای موجود در خط سوم تونل چهار عدد خودرو خواهند بود که در طول تونل بهصورت يکنواخت توزيع شدهاند. 5- شبيهسازی منابع ا لاينده و محاسبه دبی جرمی ا ن خودروهای عبوری از تونل علاوه بر ايجاد تلاطم ثانويه به عنوان منبع جرم نيز عمل میکنند و طی عبور از تونل مقاديری از انواع گازها با دبی جرمی مشخصی به جريان هوا تزريق میکنند که بايد در محاسبه و مطالعه پراکنش جريان هوا در تونل وارد معادلات شود. شکل : نحوه توزيع خودروها درون تونل رسالت منايع ا لاينده درون تونل در واقع همان اگزوز خودروها میباشد. با توجه به سرعت خودروها و وجود جريان هوا درون تونل میتوان اين منابع را بهصورت يکپارچه و بهعنوان يک منبع سطحی در کف تونل درنظر گرفت. ضريب انتشار ا لايندهها برای خودروها محاسبه و بهصورت منبع سطحی در کف تونل در نظر گرفته شدهاست. 6

7 برای اين منظور متوسط سن خودروهای درون شهر تهران 1 محاسبه شده و بر اساس سيکل ECE براي شهر تهران به ازای هر سال ضريبی برای افزايش ميزان انتشار مطابق فرمول تجربی زير در نظر گرفته شدهاست[ 9 ]: Y=ax+b ( 9) که در ا ن a ضريب تخريب b mg/km.yr ميزان انتشار پايه بر حسب mg/km و x سن خودرو بر حسب سال میباشد. ميزان ضريب a و b براي ا لايندهها و خودروهاي مختلف متفاوت است. با برقراری تعادل جرمي بين بنزين سوخته شده و گازهاي توليدي خواهيم داشت: 9. lit/100km 80 km/h 1/3600 h/s = lit/s lit/s kg/m 3 = 1.91 g/s در نهايت کسر جرمي محصولات به صورت زير خواهد بود: H 2 O : CO 2 : CO : N 2 : دبي جرمي کل گازهاي خروجي از اگزوز خودرو نمونه برابر با 23,92 g/s خواهد بود. با تقسيم مقدار بهدست ا مده بر مساحت کف تونل و با احتساب 90 خودروی درون تونل ميزان دبی جرمی گاز منتشره از کف تونل برابر با 0,00016 kg/m 2 s. خواهد بود. اين مقدار دبی جرمی بهصورت شرايط مرزی ورودی جرم در کف تونل در مدل وارد شدهاست. 6- شبيهسازی فن در تونل رسالت در هشت مقطع از فنهای محوری يکسان استفاده شده است که در هر مقطع سه فن بهکار رفته است. برای شبيهسازی تاثير فنها بر جريان به دو روش میتوان عمل نمود. در روش اول میتوان با برقراری اختلاف فشار بين مقطع ورودی و خروجی فن اين شبيهسازی را انجام داد. در روش دوم حجم موثر فنها محاسبه شده و به اين حجم تعريف شده با توجه به راندمان و توان فنها منبع تکانه اختصاص میيابد[ 3 ]. با توجه به نقش فنها در تونل که تنها وظيفه ا نها رقيقسازی ا لايندهها و هدايت ا نها به سمت خروجی تونل بوده و با توجه به اينکه اين فنها از نوع فنهای محوری هستند لذا از روش منبع تکانه برای شبيهسازی ا ن استفاده شدهاست[ 3 ] ,6 7

8 برای اين منظور در ابتدا حجم مفيد و ميزان نيروی خروجی هر فن با توجه به شيب افقی تونل محاسبه شده و نيوتن نسبت ا ن بصورت ] مترمکعب / [ در مدل وارد شدهاست. π D L = = 3 / 90m = حجم فن (N eff ) / 966 N = = تکانه فن = 27/27 3 V 3 / 90 m π M y M x تکانه فنها 213, تا فنهای شماره 2, تا فنهای شماره 268,8-3, تا فنهای شماره M x و M y بهترتيب تکانه در جهت x و y میباشند. عملکرد فنها در تونل رسالت بگونهی است که با توجه به غلظت مونوکسيدکربن موجود در تونل راندمان فنها تغيير میکند. برای در نظر گرفتن اين پارامتر از امکانات توابع udf در نرمافزار استفاده شده و برنامهی بدين منظور نوشته شده که توان خروجی از فنها را با ميزان غلظت مونوکسيد کربن مرتبط میکند. عملکرد اين تابع بهگونهی است که برای غلظتهای مونوکسيد کربن زير 35ppm فنها خاموش شده و برای مقادير غلظت بيش از اين مقدار فنها با حداکثر توان شروع به کار میکنند. 7- نتايج با توجه به پيچيدگی جريان و تغيير داي می نيمرخ سرعت درون تونل به منظور صحتسنجی نتايج حاصله از شبيهسازی از ميزان غلظت مونوکسيدکربن بهعنوان ماده مشخصه و معياری برای صحتسنجی شبيهسازی صورت گرفته استفاده شدهاست. غلظت مونوکسيدکربن در تونل توسط حسگرهای موجود در تونل بهصورت يک ساعته گزارش میشود. ميزان متوسط غلظت مونوکسيدکربن برای 9 ماهه اول سال ميانگينگيری شده و با نتايج حاصل از شبيهسازی در همان نقاط مقايسه شده است. نيمرخهای سرعت غلظت و انرژی جنبشی تلاطم برای مقطع A در فاصله 250 متری از ابتدای تونل در شکلهای 5 6 و 7 نشان داده شدهاست. همانطور که در شکل 5 نمايان است حرکت پيستونی خودروها به شدت نيمرخ سرعت را تحت تاثير قرار میدهد. همچنين مطابق شکل ميزان افزايش سرعت قابل توجهی در ارتفاع نزديک به سقف تونل ايجاد شده است که بعلت عملکرد فنها میباشد. 8

9 10 8 Height(m) V(m/s) شکل 5: نيمرخ تغييرات سرعت در مقطع A در تونل رسالت نيمرخ تغييرات غلظت مونوکسيد کربن برای مقطع A در شکل 6 نشان داده شدهاست. با توجه به اينکه منبع سطحی ا لودگی در کف تونل است لذا مقادير حداکثر غلظت در کف تونل بوده و با بالاتر رفتن از کف تونل ميزان غلظت کاهش میيابد. کاهش غلظت در ارتفاع بواسطه تلاطم القايی خودروها و عملکرد فنها میباشد. و در نزديکی فنها مقدار غلظت به حداقل مقدار خود میرسد. 8 Height(m) CO(ppm) 6: نيمرخ تغييرات غلظت مونوکسيد کربن در مقطع رسالت شکل A از تونل با توجه به تاثير حرکت خودروها بر جريان تونل انتظار می رود که در نزديکی کف تونل ميزان انرژی 9

10 جنبشی تلاطم بيشترين مقدار را داشته باشد. مطابق شکل 7 ميزان انرژی جنبشی تلاطم در ارتفاع تونل به حداقل ميزان خود میرسد Height(m) K شکل 7: نيمرخ تغييرات انرژی جنبشی تلاطم در مقطع رسالت A از تونل 8- صحتسنجی شبيهسازی همانطور که اشاره شده ميزان غلظت مونوکسيدکربن اندازهگيری شده در تونل با ميزان غلظت بهدست ا مده از نتايج شبيه سازی بهمنظور صحتسنجی استفاده شده است. نيمرخ تغييرات غلظت مونوکسيد کربن در طول تونل در محل فنها که حاصل از مقادير اندازهگيری شده و نتايج شبيهسازی میباشد در شکل 8 نشان داده شدهاست. نتايج حاصل از شبيهسازی بصورت خطچين نشان داده شدهاست. با توجه به اينکه در تونل رسالت ا لايندهها بهصورت طولی و تنها از خروجی تونل خارج میشوند و در طول تونل مجاری يا دودکشی برای خروج ا لايندهها وجود ندارد لذا همانطور که انتظار میرود غلظت در طول تونل رفته رفته افزايش میيابد و حداکثر غلظت در خروجی تونل اتفاق میافتد. انطباق خوب نمودارها در قسمتهای انتهايی تونل را میتوان به افزايش غلظت در نزديکی خروجی و بنابراين عملکرد داي می و بدون نوسان فنها با حداکثر توان خود در اين نواحی بهعلت توابع udf بهکار رفته نسبت داد. بهعبارت ديگر در ساير نواحی تونل بهعلت عمليات متوسطگيری انجام گرفته روی دادهها بهمنظور شبيهسازی تونل خطای ايجاد شده در تعيين غلظت مونوکسيدکربن و به تبع ا ن تنظيم توان خروجی فنها افزايش میيابد که اين امر منجر به افزايش اختلاف بين دادههای حاصل از 10

11 شبيهسازی و مقادير اندازهگيری نواحی انتهايی تونل میشود. شده در نواحی غير از CO Modeling Measurement Fan.N o شکل 8: نيمرخ تغييرات غلظت مونوکسيد کربن در طول تونل رسالت ميزان همبستگی بين دادههای حاصل از شبيهسازی و غلظتهای اندازهگيری شده در نمودار شکل 9 نشان داده شدهاست. نتايج حاکی از همبستگی با ضريب 0,682 بين دادههای حاصل از شبيهسازی و اندازهگيریهای صورت گرفته است Y=0.78X+5.21 R 2 = CO CO شکل 2: همبستگی بين نتايج شبيهسازی و اندازهگيریهای صورت گرفته 11

12 9- سناريوهای مختلف عملياتی برای بررسی عملکرد و کارا يی فنها در شرايط مختلف عملياتی سناريوهای مختلفی تعريف شده و مدل برای اين سناريوها اجرا شده است. سناريوهای تعريف شده به شرح زير است: 1 -توان فنها دو برابر حالت کنونی باشد. 2 -فنها از کار بيافتند. 3 -خودروها به دليل تصادف يا شرايط ديگر متوقف شده باشند. -خودروها استاندارد ا لايندگی Euro IV را داشته باشند. برای هر يک از شرايط فوق مدل اجرا شده است و نتايج با نتايج حاصل از اندازهگيریهای مقايسه شده است. نتايج برای اين شرايط در شکلهای 10 تا 13 نشان داده شده است Modeling 10 Measurement شکل 10 : Fans No. مقايسه نتايج حاصل ازاندازهگيری و مدلسازی در شرايطی که توان فنها دو برابر شده باشد 12

13 CO(ppm) Modeling Measurement Fans No. شکل 11: مقايسه نتايج حاصل ازاندازهگيری و مدلسازی در شرايطی که فنها از کار افتاده باشند CO(ppm) Modeling Measurement CO(ppm) مقايسه نتايج حاصل ازاندازهگيری و مدلسازی در شرايطی که خودروها متوقف شده باشند شکل 12: 13

14 30 25 CO(ppm) Modeling 10 Measurement Fans No. 13: مقايسه نتايج حاصل ازاندازهگيری و مدلسازی در شرايطی که خودروها استاندارد Euro-IV را داشته باشند شکل 10- جمعبندی و نتيجهگيری مقايسه نتايج حاصله نشاندهنده همبستگی قابل قبول بين دادههای واقعی و نتايج شبيهسازی است. با توجه به اينکه سرعت و حجم ترافيک عبوری از تونل داي ما در حال تغيير است لذا نحوه متوسطگيری از دادهها و ا مارهای موجود تاثير بسيار زيادی در نتايج شبيهسازی خواهد داشت. برای بهدست ا وردن نتايج دقيقتر میتوان متوسطگيری از ا مارهای موجود را در بازههای کوچکتر چند روزه يا حتی چند ساعته انجام داد و مدل را برای هر يک از اين بازهها جداگانه اجرا کرد. مطابق نتايج حاصله ميزان غلظت در انتهای تونل همواره حداکثر است هر چند اين مقادير مگر در برخی از سناريوهای بيان شده از ميزان استاندارد تجاوز نمیکند ولی بهعلت اينکه تنها خروجی برای تهويه ا لايندهها مقطع خروجی تونل است و هيچ سازه خروجی ديگری در تونل وجود ندارد لذا فنهای موجود در قسمت انتهايی تونل بهعبارت ديگر فنهای همواره با حداکثر توان خود در حال عمل هستند و پيشبينی میشود با افزايش حجم ترافيک راندمان فنها برای کاهش غلظت ا لايندهها کافی نخواهد بود و متعاقبا هزينه تعمير و نگهداری ا نها نسبت به ساير فنهای موجود در تونل بسيار بيشتر خواهد بود. به همين منوال فنهای موجود در نزديکی ورودی تونل نيز به علت غلظت بسيار پايين ا لايندهها در اکثر موارد خاموش بوده و فشاری را متحمل نمیشوند و عملا خارج از 1

15 مدار هستند. به نظر میرسد چيدمان يکنواخت کنونی فنها بصورت 3 فن در هشت مقطع تونل راندمان مناسب و بهينهای ندارد. 11- قدردانی نويسندگان اين مقاله از مسي ولين شرکت کنترل ترافيک تهران به جهت حمايتهايشان نهايت تشکر و قدردانی را ابراز میکنند. 12- مراجع 1- Kagawa, J. (198)., Health effects of air pollutants and their management, Atmospheric Environment, 18, Bellasio, R. (1997)., Modelling traffic air pollution in road tunnels, Atmospheric Environment, 31, Vega, M. G. Diaz, K. M. A., Oro, J. M. F.(2008)., Numerical 3D simulation of a longitudinal ventilation system:memorial Tunnel case, Tunnelling and Underground Space Technology, 23, Migoya, E., Crespo, A., Garcia, J., And Hernandez, J.(2009)., A simplified model of fires in road tunnels. Comparison with three-dimensional models and full-scale measurements Tunnelling and Underground Space Technology, 2, Sedefian, L.; Rao, S. T.; Czapski, U. (1981) Effects of traffic-generated turbulence on near-field dispersion. Atmos. Environ., vol. 15, pp دادههای سازمان کنترل ترافيک تهران مرکز کنترل تونل رسالت زمستان دادههای سازمان کنترل ترافيک تهران پاييز Chen, K. S., Chung, C. Y., and Wang, S. W. (2002)., Measurements and three-dimensional modeling of airflow and pollutant dispersion in an undersea traffic tunnel, Journal of the Air and Waste Management Association, 52, يدقار امير محمد پاياننامه کارشناسیارشد مهندسی محيطزيست دانشگاه تهران