公路隧道火災(zāi)時縱向通風(fēng)排煙下臨界風(fēng)速問題探討

周 慶倪天曉 彭錦志

（1湖南公安消防總隊，湖南 長沙410205,2中南大學(xué)防災(zāi)科學(xué)與安全技術(shù)研究所，湖南 長沙，410075）

公路隧道火災(zāi)時縱向通風(fēng)排煙下臨界風(fēng)速問題探討

周 慶1倪天曉2彭錦志2

（1湖南公安消防總隊，湖南 長沙410205,2中南大學(xué)防災(zāi)科學(xué)與安全技術(shù)研究所，湖南 長沙，410075）

煙氣回流(Back-Layering)是隧道火災(zāi)在縱向風(fēng)作用下的一種特殊煙氣蔓延現(xiàn)象，抑制煙氣逆流的臨界風(fēng)速一直是隧道火災(zāi)研究的一個熱點。本文在分析國內(nèi)外對縱向通風(fēng)排煙下臨界風(fēng)速問題研究現(xiàn)狀和規(guī)范規(guī)定的基礎(chǔ)上，通過數(shù)值模擬和縮尺寸模型試驗對臨界風(fēng)速與隧道坡度的關(guān)系進行研究，對它們的結(jié)果進行對比分析，為公路隧道火災(zāi)時縱向通風(fēng)排煙管理提供參考。

公路隧道火災(zāi)，縱向通風(fēng)排煙，臨界風(fēng)速

1、引言

隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)后，產(chǎn)生的大量高溫?zé)熿F，對于隧道內(nèi)車輛疏散和人員逃生，具有極大的威脅。煙氣回流(Back-Layering)是隧道火災(zāi)在縱向風(fēng)作用下的一種特殊煙氣蔓延現(xiàn)象[1]，在縱向通風(fēng)排煙模式下，火源兩側(cè)的煙氣將產(chǎn)生不對稱，如果風(fēng)速比較小，不足以克服煙氣流速度時，將產(chǎn)生煙氣逆風(fēng)流動的情況，即回流現(xiàn)象。這對于防止火災(zāi)煙氣蔓延(熾熱煙氣將點燃火源上風(fēng)方向停留車輛)和前來救援的消防隊員安全是很不利的。因此，縱向通風(fēng)時必須增加通風(fēng)風(fēng)速以防止火災(zāi)煙氣逆流，避免回流現(xiàn)象的發(fā)生，因此，抑制煙氣逆流的臨界風(fēng)速一直是隧道火災(zāi)研究的一個熱點。本文在分析國內(nèi)外對公路隧道火災(zāi)時縱向通風(fēng)排煙下臨界風(fēng)速問題研究現(xiàn)狀和規(guī)范規(guī)定的基礎(chǔ)上，通過數(shù)值模擬和縮尺寸模型試驗對臨界風(fēng)速與隧道坡度的關(guān)系進行研究，對它們的結(jié)果進行對比分析，為公路隧道火災(zāi)時縱向通風(fēng)排煙管理提供參考。

2、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1993年，Bettis等人[2,3]進行了全尺寸礦山隧道火災(zāi)試驗，發(fā)現(xiàn)當熱釋放速率較低時，臨界風(fēng)速與其1/3次方成正比；當火災(zāi)熱釋放速率增大到一定程度，臨界風(fēng)速與其近似無關(guān)。1996年，美國在Memorial隧道進行了全尺寸的火災(zāi)實驗，實驗證明了當火災(zāi)的熱釋放速率較大時，利用經(jīng)驗公式算出的控制隧道內(nèi)煙氣不發(fā)生逆流的臨界風(fēng)速要比真實的實驗值高5～15%[4]。Oka和Atkinson[5]采用1/10縮尺的模型，用丙烷燃燒器作為火源，研究水平隧道里的煙氣運動狀況。這次小尺寸的試驗也再次驗證了Bettis等人的全尺寸試驗結(jié)果[2,3]。隨后，Atkinson和Wu[6]又在這一模型隧道內(nèi)進行了坡度對煙氣運動影響的實驗，提出了控制煙氣不發(fā)生逆流的臨界風(fēng)速的坡度修正系數(shù)，使該公式得到了進一步的完善。Wu和Bakar[7]對5種具有相同高度、不同寬度的隧道斷面進行了實驗研究，并將實驗結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進行了對比，提出了新的控制煙氣不發(fā)生逆流的臨界風(fēng)速的關(guān)系式，并將隧道斷面的水利直徑作為該關(guān)系式的特征尺寸，該式為以后地鐵隧道的防火縱向通風(fēng)設(shè)計提供了重要的理論依據(jù)。

美國的C.C.Hwang和J.C.Edwards兩位學(xué)者[8]利用場模擬軟件FDS模擬研究了火災(zāi)時縱向通風(fēng)隧道內(nèi)的臨界風(fēng)速問題。模擬結(jié)果表明，當火災(zāi)熱釋放速率增大到某一點時，臨界風(fēng)速將不再隨火災(zāi)熱釋放速率的變化而改變。同時，兩位學(xué)者還重點研究了臨界風(fēng)速保持不變的原因，研究得出了新的臨界風(fēng)速關(guān)系式，并將模擬結(jié)果與現(xiàn)有的實驗數(shù)據(jù)和經(jīng)驗公式進行了對比。

清華大學(xué)的李先庭等[9]學(xué)者利用場模型模擬研究了隧道內(nèi)的煙氣流動，研究表明，在3MW的地鐵火災(zāi)強度下，2m/s的縱向風(fēng)速可有效抑制火災(zāi)熱煙氣向上游流動。廣州大學(xué)的周孝清[10]等人利用場模擬軟件Phoenics模擬研究了隧道斷面形狀對臨界風(fēng)速和隧道內(nèi)溫度和濃度分布的影響，擬合得出了煙氣逆流層長度和通風(fēng)速度大小的變化關(guān)系式。鄭志敏等人[10]對地鐵區(qū)間隧道火災(zāi)的疏散模式研究進行了一定的探討，并利用

Phoenics軟件對利用地鐵區(qū)間隧道間的聯(lián)絡(luò)通道排煙進行了可行性研究。北京工業(yè)大學(xué)的張娜[11]等人利用場模擬軟件CFX5.5研究了火災(zāi)時坡度隧道內(nèi)的臨界風(fēng)速問題，得出了臨界風(fēng)速的通用坡度修正公式。王日升[12]利用CFX5.5對美狐林隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時煙氣流動情況進行了三維瞬態(tài)的模擬計算，研究了煙氣在隧道內(nèi)的分層擴散現(xiàn)象，以及不同火源情況下的臨界風(fēng)速的確定，進而研究了煙氣的流動情況和疏散放案。

從以上國內(nèi)外對縱向通風(fēng)排煙下臨界風(fēng)速研究現(xiàn)狀的調(diào)研，可以看出不同的學(xué)者對臨界風(fēng)速的研究成果具有一定的差異，各不同的參數(shù)（如隧道坡度、火災(zāi)規(guī)模等）對臨界風(fēng)速的影響關(guān)系尚沒有得到統(tǒng)一。

3、國內(nèi)對臨界風(fēng)速的工程要求

1987年，世界道路協(xié)會（PIARC）建議臨界風(fēng)速：客車火災(zāi)為1～2m/s；公共汽車或者卡車火災(zāi)為2～3m/s；汽油油罐車火災(zāi)，則需要大于或等于5m/s。建議通風(fēng)系統(tǒng)的最大設(shè)計風(fēng)速為3～6m/s，具體數(shù)值的大小將取決于設(shè)計火災(zāi)的規(guī)模。

1999年世界道路協(xié)會（PIARC）標準提出通過以下公式確定：

式中，VC——臨界風(fēng)速，m/s；

K1——臨界查德森的1/3次冪，取0.61；

K2——坡度修正系數(shù)，K2=1+0.0374i0.8；

i——隧道縱坡，%；

g——重力加速度，取9.8 N/kg；

H——隧道高度，m；

Q——火災(zāi)釋放熱量，W；

A——隧道橫斷面積，m2；

ρ∞——流向火災(zāi)區(qū)的空氣密度，kg/m3；

T∞——環(huán)境空氣溫度，K；

Cp——空氣比熱，J/kg·K。

從式中可以看出，能夠防止逆通風(fēng)的氣流速度主要取決于火災(zāi)的熱釋放率Q、隧道截面積A以及高度H。

美國NFPA502標準同樣引用了世界道路協(xié)會（PIARC）標準提出的臨界風(fēng)速的公式。

下表給出了法國和荷蘭兩個國家對隧道內(nèi)設(shè)計風(fēng)速的要求。

表1 法、荷兩國對隧道內(nèi)設(shè)計風(fēng)速的要求對比

在我國行業(yè)標準《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計規(guī)范》（JTJ 026.1-1999）確定，火災(zāi)時排煙風(fēng)速可按2m/s～3m/s取值。

從以上國內(nèi)外對縱向通風(fēng)排煙下臨界風(fēng)速的工程要求調(diào)研上，可以看出不國家的規(guī)范對臨界風(fēng)速的規(guī)定具有一定的差異，要求比較粗糙，沒有充分考慮各不同的參數(shù)對臨界風(fēng)速的影響。

4、臨界風(fēng)速數(shù)值模擬研究

通過火災(zāi)場模擬軟件FDS，對某隧道火源功率為50MW，不同坡度、不同縱向通風(fēng)風(fēng)速進行數(shù)值模擬，從模擬的結(jié)果可以分析出各個工況的回流長度結(jié)果，如表2所示。

表2 各個數(shù)值模擬工況的回流長度結(jié)果總結(jié)

通過對表2各個工況的回流長度的總結(jié)，可以判斷出抑制煙氣回流所需臨界風(fēng)速與隧道坡度的關(guān)系，下表給出的是火源功率為50MW，不同坡度的抑制煙氣回流的臨界風(fēng)速模擬結(jié)果。

表3 不同坡度的臨界風(fēng)速的模擬結(jié)果

5、臨界風(fēng)速縮尺寸模型試驗研究

臨界風(fēng)速縮尺寸模型試驗研究通過建立隧道縮尺寸模型，模型長度均為52.5m，模型斷面與實際隧道的比例為1：10。采用油池火模擬火源，配備送風(fēng)風(fēng)機，通過分布式無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對隧道內(nèi)343個溫度測點和49個速度測點數(shù)據(jù)進行采集。

通過對不同火源功率，不同坡度，不同通風(fēng)速率下不同工況的試驗，并經(jīng)過試驗的數(shù)據(jù)分析，得到各工況的回流長度匯總，如下表所示。

表4 各個工況回流長度匯總

通過對上表各個工況的回流長度的總結(jié)，可以判斷出抑制煙氣回流所需臨界風(fēng)速與隧道坡度的關(guān)系，下表給出的是縮尺寸試驗中不同坡度的抑制煙氣回流的臨界風(fēng)速模擬結(jié)果，如下表所示。

表5 不同坡度的臨界風(fēng)速

6、數(shù)值模擬結(jié)果和模型試驗結(jié)果對比分析

在數(shù)值模擬中，本文對火源功率為50MW，坡度為-2%、-1%、0%、1%、2%，縱向通風(fēng)風(fēng)速 1m/s、2m/s、3m/s、4m/s、5m/s的25組模擬工況進行了數(shù)值模擬，以及通過縮尺寸模型做了不同坡度下不同通風(fēng)風(fēng)速的34組試驗工況，分別得到不同坡度下不同縱向通風(fēng)速率的煙氣回流長度的變化規(guī)律，以及不同坡度下抑制煙氣回流所需臨界風(fēng)速。

通過對數(shù)值模擬結(jié)果和模型試驗結(jié)果的對比，兩者的結(jié)果基本符合，由于在數(shù)值模擬中，為了節(jié)省模擬計算的時間，數(shù)值模擬中所建立的模型只是盡量地接近于實際的情況，而和實際的情況還存在一定的差別，所得出結(jié)果在整體上說具有一定的規(guī)律性，具有分析研究的價值，而也存在個別工況有較大的偏離。

數(shù)值模擬結(jié)果和模型試驗結(jié)果表明在同一個坡度下，縱向通風(fēng)速率與回流長度近似成線性關(guān)系；但兩者的結(jié)果均得出，當坡度為零時，抑制煙氣回流所需臨界風(fēng)速較大。

7、結(jié)束語

本文通過數(shù)值模擬和縮尺寸模型試驗對臨界風(fēng)速與隧道坡度的關(guān)系進行研究，分別得到不同坡度下不同縱向通風(fēng)速率的煙氣回流長度的變化規(guī)律，以及不同坡度下抑制煙氣回流所需臨界風(fēng)速。通過對數(shù)值模擬結(jié)果和模型試驗結(jié)果的對比，兩者的結(jié)果基本符合，由于在數(shù)值模擬中，為了節(jié)省模擬計算的時間，數(shù)值模擬中所建立的模型只是盡量地接近于實際的情況，所得出結(jié)果在整體上具有一定的規(guī)律性，也存在個別工況結(jié)果有較大的偏離。通過數(shù)值模擬結(jié)果和模型試驗結(jié)果，可以得出，在同一個坡度下，縱向通風(fēng)速率與回流長度近似成線性關(guān)系；但兩者的結(jié)果均得出，當坡度為零時，抑制煙氣回流所需臨界風(fēng)速較大。

［1］ 胡隆華.隧道火災(zāi)煙氣蔓延的熱物理特性研究［D］.合肥:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué),2006.

［2］ Bettis R JJ，agger S F，Wu Y.Interim validation of tunnel fire consequence models；summary of phase 2 tests ［R］.The Health and Safety Laboratory Report IR/L/FR/93/11，The Health and Safety Executive，UK，1993

［3］ Bettis R J，Jagger S F，Macmillan A J R，Hambleton R T.Interim validation of tunnel fire consequence models；summary of phase 1 tests［R］.The Health and Safety Laboratory Report IR/L/FR/94/2，The Health and SafetyExecutive，UK，1994

［4］ Art Bendelius.Memorial tunnel fire ventilation test programme［A］.In：One Day Seminar of Smoke and Critical Velocity in Tunnels［C］，London，1996

［5］ Yasushi Oka，GrahamTAtkinson.Control of smoke flowin tunnels.Fire SafetyJournal，1995，25：305-322

［6］ Atkinson GT，Wu Y.Smoke control in slopingtunnels.Fire SafetyJournal，1996，27（4）：335-341，

［7］ Wu Y，Bakar MZ A.Control of smoke flowin tunnel fires using longitudinal ventilation systems-a studyofcritical velocity.Fire SafetyJournal，2000，35（4）：363-390.

［8］ C.C.Hwang，J.C.Edwards.The critical ventilation velocity in tunnel fires-a computer simulation.Fire SafetyJournal，2004：1-32

［9］ Li Xianting，Yan Qisen.Numerical analysis of smoke movement in subway.Fire SafetyScience，1993，2（2）:6-13

［10］ 鄭志敏，趙相相，周孝清.利用地鐵區(qū)間隧道聯(lián)絡(luò)通道排煙的可行性研究［J］.暖通空調(diào)，2005，8（35）

［11］ 張娜，戴國平，郭光玲，馬世杰.坡度隧道中煙氣控制的CFD模擬研究［J］.公路，2005（5）

［12］ 王日升.美狐林縱向通風(fēng)公路隧道數(shù)值模擬與研究［D］.北京:北京工業(yè)大學(xué)，2003.

Research on the Critical Velocity under Longitudinal Ventilation Smoke Evacuation in Highway Tunnel Fire

ZHOU Qing1NI Tian-xiao2PENG Jing-Zhi2
(1 Fire Prevention And Supervision Division,Fire Corps OfHunan Province,Changsha Hunan 410205,China;2.Institue of Disaster Prevention Science and SafetyTechnology,Central South University,Changsha Hunan 410075,China)

Back-Layering is an unusual smoke spread phenomenon driven by longitudinal ventilation in tunnel fire,and the critical velocity of the smoke backflow has always been a general interest for tunnel fire studies.Based on the analyses of the domestic and foreign current study situation of the critical velocityunder longitudinal ventilation smoke evacuation and the specifications ofcriterion,this paper makes a research on the connection between the critical velocity and the tunnel slope through value stimulations and size-reduced models and compares their results,which will offer references for longitudinal ventilation smoke evacuation management in highwaytunnel fire.

highwaytunnel fire;longitudinal ventilation;critical velocity

F412

A

1671-5004（2011） 03-0003-04

2011-5-9

公安部消防局科研項目，項目名稱：高速公路隧道工程消防驗收方法及技術(shù)標準指南研究（項目編號：2008XFCX019）

周慶（1975-），男，湖南祁東人，碩士，湖南公安消防總隊科技處工程師，研究方向：火災(zāi)煙氣蔓延及數(shù)值模擬。