“室内空气环境质量控制”天津市重点实验室建造环境课题组（BERL）联合天津市市政工程设计院在高水平国际期刊《Journal of Wind Engineering & Industrial Aerodynamics》（JCR Q1，IF：4.9）上发表了最新研究成果，介绍了一种适用于高海拔特长隧道通风计算的一维混合三维的耦合仿真模型，并据此为青海省互助北山特长隧道制定通风控制策略，兼顾节能与空气质量保证。

一、题目

高海拔特长隧道通风控制优化：基于混合1D-3D建模方法提升能效与空气质量

Optimizing ventilation control in high-altitude extra-long tunnels: A hybrid 1D-3D modeling approach for energy efficiency and air quality

二、作者

Yanan Zhao ^a,1（赵雅楠，天大，共一）, Wenzhe Shang ^a,1（商文哲，天大，共一）, Junjie Liu ^a（刘俊杰，天大）, Mengqiang Lv ^{a *}（吕孟强，天大，通讯作者）, Jinxing Li ^a（李金星，天大）, Li Wang ^a（王力，天大）, Jingjing Pei ^a（裴晶晶，天大）, Yanning Wang ^b（王艳宁，市政院）, Jiangang Qiao ^b（乔建刚，市政院）

三、研究亮点

• 构建了一种适用于高海拔特长隧道（海拔3km，长度11.15km）通风计算的1D-3D混合模型，将一维Modelica模型和三维CFD模型结合，兼顾全尺度计算效率与局部流动解析精度。

• 揭示了隧道局部射流风机与车辆活塞效应耦合作用下的非均匀流场结构及其对污染物扩散的影响机制。

• 提出了CO浓度修正因子，以表征局部CO浓度分布不均匀的程度。并建立了其与隧道风速、车速之间的定量关系，弥补了一维模型中传统均匀混合假设的不足。

• 基于1D-3D混合模型和CO浓度修正因子，优化了隧道整体通风轴流风机运行策略，在不同交通条件下实现33.3%-80%的节能，同时保证空气质量达标。

四、摘要

高海拔特长隧道的通风控制面临双重困境：0.7个大气压下空气稀薄不仅加剧车辆尾气排放，同时削弱了机械通风能力，现有经验设计方法面临挑战；隧道里程过长则阻碍污染物排出并增加系统协调难度，通风不足会产生安全事故。本研究提出了一种1D-3D混合建模方法。一维Modelica模型用于获取隧道通风全尺度风速、压力和CO浓度的纵向分布，提供系统级描述；三维CFD模型用于解析隧道射流风机与车辆活塞效应耦合诱导的局部非均匀流动。两个尺度之间通过引入CO浓度修正因子（定义为局部出口浓度与断面平均浓度之比）进行衔接，该因子从三维模拟中提取，用于校正一维模型的污染物扩散预测，从而克服均匀混合假设带来的误差。建立了该修正因子与隧道风速、车速之间的定量物理关系，为超长隧道通风设计优化提供理论支撑。以互助北山特长隧道为对象，基于所提1D-3D模型制定了不同交通场景下的隧道整体通风轴流风机节能控制策略。该策略在使空气质量始终达标的同时，实现了33.3%~80%的节能效果。本研究为高海拔特长隧道风环境的精确刻画及通风系统的高效运行提供了实用框架。

五、主要成果

1、构建了一种适用于高海拔特长隧道通风计算的1D-3D混合模型

我国青海省互助北山特长隧道平均海拔3km（0.7个大气压）、长度11.15km，针对隧道全尺度通风，构建了一种面向高海拔特长隧道平均海拔通风计算的1D-3D混合建模方法，将一维Modelica系统模型与三维CFD局部精细模型有机耦合。一维模型用于高效刻画全隧道尺度上的风速、压力及CO浓度的纵向分布，具备优异的计算效率；三维模型则针对隧道局部射流风机主导区域，精细解析复杂的局部非均匀流动结构。通过在两种尺度之间建立信息传递机制，实现了全局计算效率与局部解析精度的统一。该方法相较于纯CFD模型显著降低计算成本，同时有效克服传统一维模型在局部污染物分布预测中的不足，将局部污染物预测精度提高了11%~77%，为高海拔特长隧道通风模拟提供了一种高效且高精度的技术路径。

图1. 互助北山特长隧道现场图片

图2. 互助北山特长隧道西线布置及分段

表1 原始设计策略中互助北山特长隧道西线风机配置

图3. 互助北山特长隧道西线一维Modelica模型

图4. 由一组射流风机主导的局部隧道段的三维CFD模型（车速为20km/h）

图5. 1D-3D混合建模框架示意图

2、揭示了隧道射流风机与活塞效应耦合作用下的流场与CO分布机制

基于三维CFD模拟，系统揭示了射流风机与车辆活塞效应耦合作用下隧道内复杂的非均匀流场结构。结果表明，射流在发展过程中形成明显的初始段、过渡段和充分发展段，不同区域内流动结构差异显著；同时，车辆活塞效应通过改变动量分布，对射流掺混范围和剪切层发展产生重要影响。两者耦合作用导致流场呈现显著空间非均匀性，并进一步主导CO等污染物的输运与扩散行为。研究明确了不同车速条件下流动结构演变及其对污染物富集与稀释的控制机制，为深入理解隧道通风流动本质提供了重要物理依据。

图6. 四种交通条件下，隧道段R1纵向平面（射流风机中心所在位置）上的速度分布和流线模式

图7. 四种交通条件下，隧道段R1中纵向（车辆排气口所在位置）和水平（Y=1.2m）平面上的CO浓度分布

3、提出CO浓度修正因子并建立其与关键参数的定量关系

针对传统一维模型中“完全均匀混合”假设带来的误差，提出了CO浓度修正因子（CF_CO），用于定量表征隧道局部污染物分布的不均匀程度。该因子定义为局部截面出口浓度与平均浓度之比，可有效反映射流与车辆耦合作用下的浓度偏差特征。基于CFD模拟数据，进一步建立了CF_CO与隧道风速及车速之间的定量关系，揭示其随风速增加呈饱和增长、随车速增加而降低的变化规律。该修正因子的引入实现了对一维模型的物理校正，显著提升了其对局部污染物分布预测的准确性，弥补了传统方法的关键缺陷。

图8. 隧道设计风速下不同隧道段内的CO浓度修正因子（CF_CO）

图9. CF_CO与隧道风速、车速的关系曲线

表2 不同车速下CF_CO相关性的拟合参数

4、基于混合模型的通风优化与节能策略

在1D-3D混合模型及CF_CO修正方法的基础上，构建了一套面向不同交通工况的隧道整体通风轴流风机优化控制策略。通过迭代调整风机功率，并结合污染物浓度约束进行校核，实现了通风需求与能耗之间的动态平衡。结果表明，在保证CO浓度始终满足卫生标准的前提下，该策略可在不同车速条件下实现33.3%-80%的显著节能效果：低速拥堵工况下需维持全功率运行，而在中高速条件下可大幅降低风机负荷。该研究为高海拔特长隧道通风系统的节能运行提供了可实施的工程方案与理论依据。

六、结论

针对高海拔特长隧道通风系统模拟仿真控制难题，本研究构建了一种1D-3D混合通风计算模型。该模型在保持计算效率的同时，通过引入CO浓度修正因子并建立其与隧道风速、车速之间的定量关系，弥补了传统均匀混合假设的不足。基于该混合模型制定的节能优化策略，在不同交通条件下可实现33.3%~80%的节能效果，同时确保空气安全，质量达标。

七、致谢

本研究得到了天津市政工程设计研究总院“高海拔公路隧道长距离施工、运营通风及火灾模式下防灾救援关键技术研究”等项目的支持。

文章引用格式：Zhao Y, Shang W, Liu J, et al. Optimizing ventilation control in high-altitude extra-long tunnels: A hybrid 1D-3D modeling approach for energy efficiency and air quality. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2026, 275: 106518. https://doi.org/10.1016/j.jweia.2026.106518.

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稿件编辑：赵雅楠

稿件审核：刘俊杰、田媛