隧道側(cè)壁排煙煙氣特征的數(shù)值模擬

李鈺，蔡世杰,朱凱強(qiáng)

(大連交通大學(xué) 土木與安全工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)

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隧道側(cè)壁排煙煙氣特征的數(shù)值模擬

李鈺，蔡世杰,朱凱強(qiáng)

(大連交通大學(xué) 土木與安全工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)

為了更好地研究隧道側(cè)壁排煙系統(tǒng)的性能，利用FDS軟件建立長(zhǎng) 450 m的大排煙口隧道模型，并以此為模擬對(duì)象.對(duì)不同排煙速率下的隧道內(nèi)煙氣層溫度、厚度進(jìn)行了數(shù)值模擬分析.結(jié)果表明:排煙速率0～60 m3/s時(shí)，煙氣層厚度隨排煙速率的增大而減少；80～180 m3/s時(shí)，煙氣層厚度反而增大.排煙速率一定時(shí)，煙氣層厚度沿排煙口橫向和縱向會(huì)出現(xiàn)先降低后增大的變化；但總體上來(lái)看，變化很平緩.排煙速率較小時(shí)，火源左側(cè)和右側(cè)煙氣層厚度和溫度的平均值都比較接近；隨著排煙速率的增大，厚度和溫度的平均值出現(xiàn)差值，并且差值明顯大于排煙速率較小時(shí).因此，為了使排煙系統(tǒng)性能達(dá)到最大化，需選取合適的排煙速率.

火災(zāi)；側(cè)壁排煙；排煙速率；煙氣參數(shù)

0 引言

目前我國(guó)的鐵路、公路隧道里程是世界上最長(zhǎng)的.隧道一旦發(fā)生火災(zāi)，可能會(huì)導(dǎo)致人員群死群傷與交通中斷，如何及時(shí)有效地將煙氣排出隧道是火災(zāi)應(yīng)急救援的關(guān)鍵技術(shù)之一[1-3].因此，對(duì)隧道排煙規(guī)律的研究很有意義.

在隧道火災(zāi)中排出煙氣主要有縱向排煙和橫向排煙兩種模式[4].縱向排煙常用于公路隧道中，而在地鐵站臺(tái)、地下商業(yè)街以及部分的特長(zhǎng)隧道中則主要采用橫向排煙模式，對(duì)此，Bakar M Z A[5]、W.X.Shi, J.Ji, J.H.Sun[6]、Futoshi Tanaka[7]等主要對(duì)橫向排煙效率進(jìn)行了宏觀探討，主要包括排煙口速率、排煙口形狀、位置、火源功率以及排煙口與補(bǔ)氣口相對(duì)位置對(duì)排煙效率的影響等.蔣亞強(qiáng)[3,8]等通過(guò)對(duì)地鐵站臺(tái)隧道進(jìn)行數(shù)值模擬和小尺寸試驗(yàn)，定量分析了排煙口下方煙氣層溫度和厚度隨排煙速率的變化特征，提出煙氣層吸穿速率存在過(guò)渡區(qū)和完全吸穿區(qū)，機(jī)械排煙效率隨煙氣層吸穿程度增加而降低.

1 數(shù)值模擬

1.1 隧道模型設(shè)計(jì)

本文使用美國(guó)NIST所開發(fā)的Pyrosim程序，采用2012年發(fā)布的5.5.3版本來(lái)建立火災(zāi)模型，并對(duì)火災(zāi)中煙氣的運(yùn)動(dòng)、溫度和毒氣濃度進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)分析.

參考前人建立的研究模型，本文數(shù)值模擬模型尺寸設(shè)定為450 m×10 m×5 m.燃料為FDS中默認(rèn)的丙烷，火源尺寸設(shè)定為10 m×2.6 m×1 m，位于距隧道左端220 m中心處.機(jī)械排煙隧道在距火源右端130m處，開口尺寸為4.5 m×4.5 m，設(shè)置在隧道內(nèi)側(cè)壁.發(fā)生火災(zāi)時(shí)，排煙口初始是關(guān)閉的，起火后60 s開啟機(jī)械排煙.具體模型如圖1所示.隧道的最左端的整個(gè)斷面設(shè)置為全開狀態(tài)作為排煙時(shí)的補(bǔ)氣口，最右端封閉.

圖1 隧道模擬模型

1.2 監(jiān)測(cè)設(shè)備

在火源左右50 m處各設(shè)4個(gè)熱電偶、2個(gè)厚度監(jiān)測(cè)點(diǎn)，熱電偶設(shè)在火源左右50 m、y=6 m處，沿豎直方向等距分布，間距為0.9 m，最高點(diǎn)距頂棚1.4 m，厚度監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別設(shè)在y=6 m和y=8 m處；在排煙口處沿橫向每隔1 m、縱向每隔0.9 m設(shè)置煙氣層厚度監(jiān)測(cè)點(diǎn)，共60個(gè)；分別在排煙口y=6 m、y=8 m處沿縱向每隔0.9 m、豎直方向等間距設(shè)置了40個(gè)熱電偶和40個(gè)氣體流速監(jiān)測(cè)設(shè)備，豎向間距都為0.9 m，最高點(diǎn)距頂棚1.4 m，保證了上層煙氣和下層空氣的溫度和流速都能監(jiān)測(cè)到；在火源右側(cè)排煙口處設(shè)了一個(gè)質(zhì)量流率監(jiān)測(cè)設(shè)備，覆蓋整個(gè)排煙口.具體布置見圖2所示.

圖2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意圖

1.3 模擬計(jì)算的工況

進(jìn)行模擬計(jì)算的工況如表1所示.將隧道的排煙速率作為變量，機(jī)械排煙在不同的排煙速率下，研究一側(cè)排煙隧道口處的煙氣層厚度、溫度等重要參數(shù)的變化.

表1 模擬計(jì)算工況參數(shù)設(shè)置

該文所用到的符號(hào)及其代表的物理意義如下：ru為上層煙氣溫度積分比；rl為下層空氣溫度積分比；f(y)、rt為上層煙氣溫度積分比與下層空氣溫度積分比之和；H為地面到頂棚的總高度，m；y為地面到煙氣層面的高度，m；Sh為煙氣層厚度(煙氣層界面到頂棚的距離)，m；T(z)為溫度豎向分布函數(shù)；Hint為煙氣層界面高度，m；ρs為上層煙氣的平均密度，kg/m3.

2 溫度豎向分布函數(shù)與煙氣層厚度分析

計(jì)算煙氣層厚度，主要有N-百分比法[9]、積分比法等[10].其中，N-百分比法使用得較為廣泛，但對(duì)于N(0

其中，上層煙氣溫度積分比[10]：

(1)

下層空氣溫度積分比[10]：

(2)

積分比之和為：

(3)

其中，H是地面到頂棚的總高度，0

圖3是火源功率15MW、排煙速率120m3/s時(shí)，距隧道開口350.9m，y=6m處沿豎直方向的溫度分布情況.從模擬數(shù)據(jù)可以看出:溫度在豎直方向上呈指數(shù)分布.采用指數(shù)函數(shù)對(duì)分布曲線進(jìn)行逼近，將擬合得到的連續(xù)函數(shù)作為溫度積分函數(shù).從圖上可以看出R2=0.971 8>0.9，擬合度達(dá)到擬合要求.

圖3 排煙口煙氣層溫度在豎直方向上的分布情況

將擬合得到的T(z)=19.851e0.377 9z代入式(1)～(3)中，簡(jiǎn)化后得到

運(yùn)用Matlab程序?qū)υ摵瘮?shù)進(jìn)行數(shù)值積分，得到圖4即Yt隨高度發(fā)生變化的曲線，從圖4可以看出此時(shí)的煙氣層厚度為2.5 m.

圖4 總積分比在豎直方向上的分布情況

根據(jù)文獻(xiàn)[8]，當(dāng)排煙口位于頂棚時(shí)，排煙口下方煙氣層厚度會(huì)隨著排煙速率增大發(fā)生凹陷.圖5是在火源功率15 MW、x=350.9 m、y=3 m、z=0 m采用上述積分比法計(jì)算得到煙氣層厚度變化圖.從圖5可以看出：當(dāng)排煙口設(shè)置在側(cè)壁時(shí)，排煙口前的煙氣層厚度也是隨著排煙速率的增大而發(fā)生凹陷.排煙速率0～60 m3/s時(shí)，發(fā)生凹陷后的煙氣層厚度隨排煙速率的增大而減少，當(dāng)排煙速率在80～180 m3/s時(shí)，煙氣層厚度反而增大，這是因?yàn)檫^(guò)大的排煙速率會(huì)引起排煙口前煙氣層與空氣層出現(xiàn)嚴(yán)重的摻混現(xiàn)象，導(dǎo)致煙氣排出量減少、煙氣層厚度增大.根據(jù)煙氣層厚度監(jiān)測(cè)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)顯示,煙氣層厚度不論在橫向還是縱向，都在該位置處達(dá)到最小，具體變化如圖6所示.

圖5 排煙口前煙氣層厚度隨排煙速率變化情況

(a)橫向

(b)縱向

圖6是排煙速率Ve=120 m3/s、t=350 s時(shí)，x=350.9 m、y=3 m處煙氣層厚度沿排煙口縱橫向變化圖.從圖中可以看出：當(dāng)排煙速率一定時(shí)，煙氣層厚度沿排煙口橫向和縱向會(huì)出現(xiàn)先降低后增大的變化，在x=350.9、y=3 m處達(dá)到最小；但總體上來(lái)看,變化的比較平緩.

圖7是在Ve=60 m3/s、Ve=120 m3/s時(shí)火源左右50 m處的煙氣層厚度和溫度變化統(tǒng)計(jì)圖.從中可以看出：排煙速率較小時(shí)，火源左側(cè)和右側(cè)煙氣層厚度和溫度并沒(méi)有出現(xiàn)很大差值，煙氣層厚度和溫度的平均值都比較接近；隨著排煙速率的增大，右側(cè)排煙口煙氣層和空氣層湍流現(xiàn)象的出現(xiàn)，火源左側(cè)和右側(cè)煙氣層厚度和溫度開始出現(xiàn)差值，并且厚度和溫度的平均值之差明顯大于排煙速率較小時(shí).從圖中還可以看出：不論在排煙速率Ve=60 m3/s還是Ve=120 m3/s，火源右側(cè)的煙氣層厚度和溫度變化趨勢(shì)都是一致的，平均厚度和溫度值都是接近的，從而可以看出排煙口對(duì)于排煙系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是必不可少的，這點(diǎn)與從圖5、6分析得到的結(jié)論是一致的.

(a)Ve=60 m3 /s

(b) Ve=120 m3 /s

3 結(jié)論

本文建立了尺寸為450 m×10 m×5 m的大排煙口隧道模型，并以此為模擬對(duì)象，對(duì)不同排煙速率下的隧道內(nèi)煙氣層溫度、厚度進(jìn)行了數(shù)值模擬分析.結(jié)論如下：

(1)當(dāng)排煙口設(shè)置在側(cè)壁時(shí)，排煙口前的煙氣層厚度也是隨著排煙速率的增大而發(fā)生凹陷；排煙速率0～60 m3/s時(shí)，煙氣層厚度隨排煙速率的增大而減少；80～180 m3/s時(shí)，煙氣層厚度反而增大；

(2)排煙速率一定時(shí)，煙氣層厚度沿排煙口橫向和縱向會(huì)出現(xiàn)先降低后增大的變化；但總體上來(lái)看，變化很平緩；

(3)排煙速率較小時(shí)，火源左側(cè)和右側(cè)煙氣層厚度和溫度的平均值都比較接近；隨著排煙速率的增大,厚度和溫度的平均值出現(xiàn)差值，并且差值明顯大于排煙速率較小時(shí).

[1]姜學(xué)鵬，袁月明.隧道集中排煙速率對(duì)排煙口下方煙氣層吸穿現(xiàn)象的影響[J].安全與環(huán)境學(xué)報(bào),2014,14(2):36- 40.

[2]胡隆華，霍然，李元洲，等.地下長(zhǎng)隧道補(bǔ)氣口位置對(duì)火災(zāi)機(jī)械排煙效率的影響[J].中國(guó)工程科學(xué),2005,7(5):90-92.

[3]蔣亞強(qiáng)，霍然，胡隆華，等.隧道火災(zāi)時(shí)橫向排煙對(duì)煙氣層化特性的影響研究[J].工程力學(xué),2010,27(7):245-250.

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Numerical Simulation Study on the Performance of Tunnel Lateral Exhaust Smoke

LI Yu, CAI Shijie, ZHU Kaiqiang

(School of Civil and Safety Engineering, Dalian Jiaotong University, Dalian 116028, China)

For better understanding of the performance of tunnel lateral exhaust smoke, FDS software is used to establish the large exhaust vent tunnel model with the length of 450 m. Under different exhaust rates, the tunnel smoke layer temperature and thickness are analyzed. It shows that when the exhaust rate is 0-60 m3/s, the sunken smoke layer thickness is decreased with the increasing of exhaust rate. When the exhaust rate is 80-180 m3/s, the smoke layer thickness is increased. When the exhaust rate is constant, smoke layer thickness is decreasd first and then increased along the vent lateral and longitudinal direction very gentle variation. When the exhaust rate is small, smoke layer thickness and temperature change little with a close mean value. With the increasing of exhaust rate, difference value appears in the fire source left and right smoke layer thickness and temperature. Besides, the mean difference value is obviously larger than that of lower exhaust rate. Hence, suitable exhaust rate should be chosen in order to make the exhaust system to maximize performance.Keywords: fire; lateral exhaust smoke; exhaust rate; smoke parameters

1673- 9590(2016)03- 0068- 05

2015-07-01

遼寧省教育廳高等學(xué)校科學(xué)研究計(jì)劃資助項(xiàng)目(L2015096)

李鈺(1970-)，男，副教授，碩士，主要從事消防工程的研究E- mail:467797823@qq.com.

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