道路隧道聲屏障區(qū)段的煙氣流動(dòng)研究

宋　飛

(上海市消防總隊(duì)，上?！?00051)

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道路隧道聲屏障區(qū)段的煙氣流動(dòng)研究

宋飛

(上海市消防總隊(duì)，上海200051)

近年來道路隧道敞開段聲屏障的設(shè)置給隧道的排煙和疏散救援等設(shè)計(jì)帶來了新問題、新挑戰(zhàn)。應(yīng)用CFD模擬軟件，針對(duì)聲屏障頂部不同的敞口尺寸對(duì)道路隧道的排煙、降噪等影響進(jìn)行了模擬及理論分析。結(jié)合研究結(jié)果提出了道路隧道聲屏障開口比例等具體設(shè)計(jì)建議，為聲屏障在道路隧道中的應(yīng)用提供借鑒。

道路隧道；聲屏障；煙氣

隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程不斷加快，以交通擁堵為代表的城市交通問題普遍成為困擾各大城市的難題。而大中型城市拆遷費(fèi)用高昂、可利用土地面積潛力有限，道路建設(shè)受到投資和城市用地約束，因此，近年來各大城市不斷興建地下道路隧道，在一定程度上有效緩解了城市交通擁堵現(xiàn)象[1-3]。然而，隨著交通量的增大，對(duì)于地下道路引出段，汽車產(chǎn)生的噪音對(duì)周圍居民的生活造成了相當(dāng)?shù)挠绊憽闇p少地下道路引出段汽車噪音，目前一般隧道出入口部位設(shè)置各類聲屏障設(shè)施[4-5]。其中將引道段由敞開狀態(tài)變?yōu)榘敕忾]狀態(tài)的全影型聲屏障的設(shè)置，對(duì)隧道的煙氣擴(kuò)散和疏散救援將會(huì)產(chǎn)生影響。對(duì)于地下道路內(nèi)火災(zāi)的研究，目前已經(jīng)有不少學(xué)者進(jìn)行了大量研究[6-13]，但對(duì)于加設(shè)聲屏障后的道路隧道火災(zāi)的煙氣流動(dòng)及對(duì)疏散、救援情況的影響研究還相對(duì)較少。本文以上海某一在建道路隧道為研究對(duì)象，利用CFD軟件模擬研究不同聲屏障敞口尺寸對(duì)隧道排煙的影響情況，為道路隧道引出段聲屏障設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1　模型建立與設(shè)置

1.1隧道火災(zāi)數(shù)學(xué)模型的建立

對(duì)隧道火災(zāi)三維模型作如下簡(jiǎn)化：(1)隧道內(nèi)的溫度和壓力變化不大，故假設(shè)隧道內(nèi)流體不可壓縮，忽略流體體積變化對(duì)計(jì)算精度的影響；(2)火災(zāi)工況下，火源前方車輛駛出隧道，火源后方車輛停止，故忽略交通風(fēng)效應(yīng)；(3)忽略隧道拐彎以及一些結(jié)構(gòu)細(xì)部的影響；(4)忽略特大貨車外表結(jié)構(gòu)細(xì)部的影響，簡(jiǎn)化火源車輛模型。

基于雷諾平均(RANS)的CFD模擬在研究繞流和壓力分布時(shí)已有不少成功的算例[14]，故本文采用Fluent軟件對(duì)隧道內(nèi)火災(zāi)工況下的煙霧流動(dòng)和溫度傳遞進(jìn)行數(shù)值模擬，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的控制方程如下：

(1)

采用有限容積法對(duì)這些控制方程在微小單元上進(jìn)行積分離散，求解質(zhì)量和動(dòng)量守恒微分方程組。壓力項(xiàng)與速度項(xiàng)耦合利用SIMPLE算法。對(duì)流項(xiàng)的離散采用二階迎風(fēng)差分格式，擴(kuò)散項(xiàng)的離散具有二階精度。各變量的松弛因子介于0.8～1.0，壓力和速度的松弛因子的和為1.0。

火災(zāi)工況下隧道內(nèi)煙氣濃度分布模擬中，F(xiàn)luent通過第i種物質(zhì)的對(duì)流擴(kuò)散方程計(jì)算每種物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)Yi，組分輸運(yùn)守恒方程的通用形式如下：

(2)

式中，ρ為物質(zhì)i的密度；Ri為化學(xué)反應(yīng)的凈生成速率；Si為離散相及用戶定義的源項(xiàng)所導(dǎo)致的額外速率；Ji是物質(zhì)i的擴(kuò)散通量，由濃度梯度產(chǎn)生，當(dāng)缺省時(shí)，可表示為：

(3)

式中，Di,m為混合物中第i種物質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)。

采用DO模型作為輻射計(jì)算模型。對(duì)于火災(zāi)非穩(wěn)態(tài)工況數(shù)值模擬，采用UDF編寫火源模型，采用快速t2火來模擬火災(zāi)發(fā)生初期的增長(zhǎng)趨勢(shì)，能比較好地反應(yīng)油類或針織類物品開始燃燒階段的規(guī)律。

1.2計(jì)算模型及初始參數(shù)設(shè)置

本文以上海某一在建隧道浦東段出口引道段為研究對(duì)象。如圖1所示，計(jì)算模型總長(zhǎng)度為300 m，其中隧道區(qū)段100 m，聲屏障區(qū)段為200 m。隧道區(qū)段坡度為4.95%，聲屏障區(qū)段坡度為0。根據(jù)該隧道設(shè)計(jì)通行車輛情況，火災(zāi)釋熱量設(shè)定為20 MW。為考慮隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)后煙氣的流向，火災(zāi)發(fā)生點(diǎn)設(shè)在距出口50 m處。

圖1　模型示意圖

聲屏障區(qū)段橫斷面積尺寸如圖2所示，數(shù)值模擬中火源尺寸為12 m×2.5 m×3 m(長(zhǎng)×寬×高)，火災(zāi)成長(zhǎng)系數(shù)為0.187 8，煙氣生成速率為60 kg·s-1，煙氣中CO比例為2%。

圖2　聲屏障區(qū)段橫斷面示意圖

研究表明[16]，火災(zāi)中85%以上的死亡者是由于煙氣的影響，其中影響最大的是CO，其他有害氣體或者毒性很小，或者毒性雖然較高，但是產(chǎn)生的數(shù)量卻很有限，故本文仿真模擬中只對(duì)CO的濃度分布進(jìn)行研究。根據(jù)文獻(xiàn)[16]，CO濃度在2 500～3 200 ppm，5～10 min即產(chǎn)生頭痛頭昏，人會(huì)在30 min后死亡；CO濃度超過6 400 ppm，人會(huì)在10 min內(nèi)死亡；CO濃度超過10 000 ppm，人會(huì)在3 min內(nèi)死亡。本文模擬中認(rèn)為當(dāng)CO濃度達(dá)到2 500 ppm，就對(duì)人構(gòu)成嚴(yán)重危害，人眼特征高度取為1.6 m。

模型邊界條件設(shè)定為：(1)隧道底部和上部設(shè)為壁面邊界，并根據(jù)實(shí)際的粗糙度給定相應(yīng)的壁面函數(shù)中的參數(shù)；(2)隧道出口設(shè)為壓力出口邊界條件；(3)隧道頂部自然通風(fēng)口設(shè)為壓力出口邊界條件；(4)排煙時(shí)以大于臨界風(fēng)速排煙，隧道入口設(shè)為等速邊界條件，取值2.5 m·s-1；(5)風(fēng)機(jī)壁面、隧道內(nèi)壁為固體邊界條件。

隧道區(qū)段襯砌壁的壁面粗糙系數(shù)取0.01 m，考慮壁面的一維熱傳導(dǎo)作用，傳熱范圍認(rèn)為到達(dá)厚度0.5 m處。厚度0.5 m處，保持恒溫17 ℃。聲屏障區(qū)段壁面材質(zhì)按照鋁質(zhì)材料考慮，采用默認(rèn)值?？諝獾谋葻崛莺蛯?dǎo)熱系數(shù)不考慮隨溫度的變化而變化，取為常數(shù)。數(shù)值模擬中，空氣密度為1.22 kg·m-3，通風(fēng)空氣溫度為27 ℃，重力加速度為9.8 m·s-2，外界空氣壓力為1.013×105Pa，混凝土導(dǎo)熱系數(shù)為1.209 W·m-1·K-1，混凝土比熱容為1 100 J·kg-1·K-1，空氣導(dǎo)熱系數(shù)為0.024 2 W·m-1·K-1，空氣比熱容為1 006.43 J·kg-1·K-1。計(jì)算模型網(wǎng)格劃分采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格體系，經(jīng)過網(wǎng)格獨(dú)立性分析，總網(wǎng)格數(shù)均取122 800。

2　模擬結(jié)果與分析

為研究不同敞口尺寸對(duì)隧道排煙的影響情況，本文對(duì)聲屏障區(qū)段敞口尺寸D占對(duì)應(yīng)地面尺寸1/5、1/3、1/2、2/3這4種情況進(jìn)行模擬。

2.1典型斷面CO平均濃度分布分析

對(duì)于不同的聲屏障區(qū)敞口尺寸，模擬火災(zāi)發(fā)生后7 min內(nèi)，聲屏障區(qū)段距隧道洞口不同位置的橫斷面CO平均濃度的瞬態(tài)分布，模擬結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出，聲屏障區(qū)段距離隧道洞口越遠(yuǎn)，其橫斷面CO平均濃度越小，且距離隧道洞口到某個(gè)位置后，其橫斷面CO平均濃度快速下降。這是因?yàn)榫嚯x火源越近，受火源產(chǎn)生的煙氣影響越大，隨著聲屏障區(qū)段的延伸，總的敞口面積增大，更多的煙氣被排到大氣環(huán)境中，外界的新鮮空氣不斷被卷吸進(jìn)入聲屏障區(qū)域，且煙氣的溫度也不斷較低，火風(fēng)壓減小，到某一臨界位置，煙氣擴(kuò)散被明顯阻止，從而導(dǎo)致聲屏障段橫斷面CO平均濃度快速下降。故如何使人員能及時(shí)逃離到該位置是設(shè)計(jì)聲屏障敞口尺寸大小的重要依據(jù)。

(a)火災(zāi)發(fā)生1 min

(b)火災(zāi)發(fā)生3 min

(c)火災(zāi)發(fā)生5 min

(d)火災(zāi)發(fā)生7 min

從圖3中可以看出，隨著火災(zāi)發(fā)生時(shí)間的推移，CO的影響范圍呈先擴(kuò)大后減小的趨勢(shì)。以敞口尺寸D占對(duì)應(yīng)地面尺寸1/5為例，CO濃度為2 500 ppm的臨界點(diǎn)分別出現(xiàn)位于1 min-150 m、3 min-195 m、5 min-115 m、7 min-30 m。這是因?yàn)樵诨馂?zāi)發(fā)展初期，CO在臨界風(fēng)速的影響下迅速向外延伸，3 min后，隨著煙氣高速排出，外界的新鮮空氣不斷被卷吸進(jìn)入聲屏障區(qū)域，CO濃度得以降低。在同一時(shí)間和位置下，隨著敞口尺寸的增大，該聲屏障區(qū)段橫斷面CO平均濃度減小。敞口尺寸越大，煙氣影響范圍越小，如圖3(c)，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生5 min時(shí)，對(duì)于敞口尺寸1/5的CO平均濃度超過2 500 ppm的區(qū)段長(zhǎng)度為115 m，敞口尺寸1/3為90 m，敞口尺寸1/2為70 m，敞口尺寸2/3為50 m，可見敞口尺寸越大，更有利于人員逃生。但是敞口尺寸的增大，也會(huì)造成聲屏障區(qū)段的降噪音能力減弱，對(duì)平時(shí)周邊環(huán)境不利，需綜合考慮敞口尺寸的大小。而由圖3可知，敞口尺寸1/3和1/2已經(jīng)足夠滿足自然排煙要求，且到火災(zāi)發(fā)生7 min時(shí)，其聲屏障區(qū)段內(nèi)煙氣的影響范圍與敞口尺寸2/3基本相同，同時(shí)它們相對(duì)于敞口尺寸2/3更能起到降低車輛噪音的效果，故相對(duì)更為合適。

2.2人體呼吸高度CO濃度分布分析

對(duì)于不同的聲屏障區(qū)段敞口尺寸，模擬火災(zāi)發(fā)生后5 min時(shí)，聲屏障區(qū)段距隧道洞口不同位置在人體高度處的CO濃度的瞬態(tài)分布，模擬結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出，在人體呼吸高度處，隨著聲屏障區(qū)段的位置距隧道洞口越遠(yuǎn)，其CO濃度越小。距離火源較近的區(qū)段，CO濃度較高，基本在10 000～15 000 ppm。這是因?yàn)榫嚯x火源越近，受火源產(chǎn)生的煙氣影響越大，火風(fēng)壓較大，阻止了外界新鮮空氣的進(jìn)入，并推動(dòng)煙氣向聲屏障區(qū)段出口處擴(kuò)散，引起聲屏障區(qū)段一定區(qū)域CO濃度超高，超過了人體呼吸安全值，從而影響人員的逃生。直到距離洞口一定距離，火風(fēng)壓壓頭減弱，外界的新鮮空氣進(jìn)入聲屏障區(qū)段，從而使該位置之后的人體高度處的CO濃度值迅速降低，達(dá)到2 500 ppm以下，從而成為人員逃生的安全區(qū)段。故如何使人員能及時(shí)逃離到該區(qū)段是設(shè)計(jì)聲屏障敞口尺寸大小的重要依據(jù)。

(a)占地面1/5

(b)占地面1/3

(c)占地面1/2

(d)占地面2/3

圖4中，隨著敞口尺寸的擴(kuò)大，CO的濃度影響范圍不斷縮小。在敞口尺寸為1/5時(shí)，CO濃度影響的聲屏障區(qū)段范圍是90 m；敞口尺寸為1/3時(shí)，CO濃度影響的聲屏障區(qū)段范圍是75 m；敞口尺寸為1/2時(shí)，CO濃度影響的聲屏障區(qū)段范圍是55 m；敞口尺寸為2/3時(shí)，CO濃度影響的聲屏障區(qū)段范圍是40 m。從圖中的CO濃度分布可以看出，敞口尺寸越大，不僅CO濃度超出安全值的范圍越小，同時(shí)，CO濃度在10 000～15 000 ppm的區(qū)域也更小，對(duì)人體的傷害也會(huì)降低，更利于人員的逃生。但是敞口尺寸的增大也導(dǎo)致了聲屏障降低噪音的能力下降，在日常情況下，會(huì)在一定程度上對(duì)周圍居民的日常生活造成不利影響，故需綜合考慮相關(guān)因素，合理設(shè)置聲屏障敞口尺寸的大小。圖中敞口尺寸占地面1/3和1/2已經(jīng)足夠滿足自然排煙要求，且到火災(zāi)發(fā)生7 min時(shí)，其聲屏障區(qū)段內(nèi)煙氣的影響范圍與敞口尺寸2/3基本相同，同時(shí)它們相對(duì)于敞口尺寸2/3更能起到降低車輛噪音的效果，故相對(duì)更為合適。

3　結(jié)論

由模擬研究可得出如下結(jié)論：(1)聲屏障區(qū)段距離隧道洞口越遠(yuǎn)，受火源產(chǎn)生煙氣的火風(fēng)壓影響越小，其橫斷面CO平均濃度和人體高度處的CO濃度越小，在距離隧道洞口到某個(gè)位置后，其CO濃度快速下降。(2)聲屏障區(qū)段的敞口尺寸越大，其橫斷面CO平均濃度和人體高度處的CO濃度的危險(xiǎn)區(qū)段范圍越小，有利于人員逃生，但同時(shí)也會(huì)造成聲屏障區(qū)段的降噪能力減弱，影響周圍居民的日常生活，故聲屏障設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮各方因素，合理選擇開口比例。(3)棚架形式的隧道聲屏障區(qū)段，其頂部開口凈面積占聲屏障覆蓋地面面積比例大于1/3時(shí)，可滿足隧道自然排煙要求；比例大于1/2時(shí)，隧道口部位煙氣影響范圍較小，可作為隧道安全區(qū)域考慮。

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(責(zé)任編輯馬龍)

On the Influence of Noise Barrier on the Road Tunnel to the Smoke Movement

SONG Fei

(ShanghaiFireCrops,Shanghai200051,China)

Problems about smoke-exhaustion, evacuation and rescue of tunnel are raised with the design of noise barrier in recent years. This paper analyzes the influence of the open size of noise barrier on smoke-exhaustion and noise-reduction by means of CFD. The suggestions to the area ratio of the open size are being made. All of which renders

for the practice of the noise barrier in road tunnel project.

road tunnel; noise barrier; smoke

2016-02-26

宋飛(1982—)，男，山東聊城人，工程師。

D631.6

A

1008-2077(2016)06-0011-05