縱向風(fēng)作用下沉管隧道不同排煙方式的排煙效果研究

邱喬志，李林杰，張學(xué)富，李石磊，楊 黎，楊瑩瑩

(重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074)

隨著我國(guó)交通事業(yè)的飛速發(fā)展，全國(guó)范圍內(nèi)修建了大量的公路和鐵路，其中不可避免地要修建大量的隧道。不同類型隧道的出現(xiàn)，在給人們帶來(lái)便利的同時(shí)也給隧道運(yùn)營(yíng)安全帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。一直以來(lái)，隧道火災(zāi)受到各國(guó)研究人員的關(guān)注，由于隧道特殊的狹長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，一旦發(fā)生隧道火災(zāi)，其引發(fā)的有毒煙霧會(huì)在隧道內(nèi)迅速地蔓延，極易造成重大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。因此，研究隧道通風(fēng)排煙方式與排煙特性，尋找安全、經(jīng)濟(jì)、高效的隧道防排煙模式對(duì)隧道運(yùn)營(yíng)安全具有重大意義。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)公路隧道內(nèi)的煙氣流動(dòng)規(guī)律、防排煙方法及環(huán)境風(fēng)對(duì)煙氣的作用進(jìn)行了大量的研究，也取得了一些重要的成果。如CARVEL等[1]基于貝葉斯方法研究了隧道幾何因素和通風(fēng)對(duì)熱釋放率(HRR)的影響，結(jié)果表明隧道寬度是影響熱釋放率的主要因素，熱釋放率隨隧道寬度的增大而減小，發(fā)生在狹窄隧道中的火災(zāi)通常會(huì)導(dǎo)致更高的熱釋放率。HU等[2]在有梁式吊頂和光滑吊頂?shù)娜叽绲叵麻L(zhǎng)廊中進(jìn)行了燃燒試驗(yàn)，研究送風(fēng)口位置對(duì)排煙效率的影響。LI等[3]在隧道中進(jìn)行了一系列全尺寸和縮尺試驗(yàn)來(lái)測(cè)量火災(zāi)增長(zhǎng)速率，建立了不同通風(fēng)條件下火焰擴(kuò)散速率與火災(zāi)增長(zhǎng)速率之間的關(guān)系模型。TANG等[4]在模型隧道中進(jìn)行了一系列縮尺試驗(yàn)，揭示了不同頂棚排煙速率下頂棚最高溫度的變化特征，并提出了相應(yīng)的預(yù)測(cè)模型。

關(guān)于環(huán)境風(fēng)作用下隧道內(nèi)火災(zāi)燃燒特性研究方面，INGASON等[5]開展了兩個(gè)不同系列的模型試驗(yàn)，研究了縱向風(fēng)作用下的最大熱釋放率和火災(zāi)增長(zhǎng)速率。劉帥等[6]開展了1∶10模型隧道火災(zāi)排煙試驗(yàn)，利用激光片光觀察縱向通風(fēng)情況下隧道火災(zāi)煙氣分層情況，發(fā)現(xiàn)無(wú)風(fēng)情況下煙氣分層現(xiàn)象十分明顯，施加縱向風(fēng)能夠有效抑制火災(zāi)煙氣蔓延，且隨著縱向風(fēng)風(fēng)速的增大，煙氣的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)遭到破壞。趙東[7]開展了縱向通風(fēng)對(duì)隧道頂棚最高溫度的影響研究，發(fā)現(xiàn)了最高煙氣溫度受縱向通風(fēng)影響的規(guī)律。ZHANG等[8]在1∶15縮尺雙層隧道中開展了一系列試驗(yàn)，研究縱向通風(fēng)對(duì)頂棚溫度分布的影響，結(jié)果表明隧道上游頂棚溫度隨縱向通風(fēng)速度的增加而降低，而下游頂棚溫度隨縱向通風(fēng)速度的增加而升高。

目前，海底沉管隧道越來(lái)越多，但對(duì)于海底沉管隧道的消防安全研究相對(duì)較少。LEE等[9]進(jìn)行了1∶20隧道模型試驗(yàn)，針對(duì)釜山-巨濟(jì)沉管隧道提出了一種新的局部排煙系統(tǒng)。XU等[10]通過一系列模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬，將傳統(tǒng)的集中排煙系統(tǒng)與改進(jìn)的均勻排煙模式進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了均勻排煙系統(tǒng)的有效性和節(jié)能效益。但已有研究大多是對(duì)沉管隧道一種排煙方案的影響因素進(jìn)行分析，較少考慮環(huán)境風(fēng)的影響，且較少對(duì)環(huán)境風(fēng)下不同排煙方案的排煙效果進(jìn)行比較研究。因此，筆者利用數(shù)值模擬方法，通過對(duì)煙氣蔓延規(guī)律、隧道排煙組排煙效率和總排煙效率等方面的對(duì)比，研究側(cè)壁排煙、側(cè)壁排煙+擋煙垂壁排煙和頂部排煙3種不同排煙方式在不同縱向風(fēng)速下的排煙效果，以期為沉管隧道火災(zāi)排煙設(shè)計(jì)提供借鑒和參考。

1 數(shù)值模型

采用火災(zāi)計(jì)算軟件PyroSim對(duì)沉管隧道不同火災(zāi)工況下的排煙效果進(jìn)行數(shù)值模擬，PyroSim是美國(guó)Thunderhead Engineering公司開發(fā)的火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模擬(FDS)前處理和后處理軟件，是在FDS的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，為FDS提供了一個(gè)圖形用戶界面。FDS軟件是由美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)協(xié)會(huì)(NIST)開發(fā)的，主要的模擬方法有直接數(shù)值模擬(DNS)和大渦模擬(LES)[11]。和FDS相伴的Smokeview是一個(gè)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為圖像的可視軟件，能使人們更好地理解火災(zāi)蔓延的過程，查看模型數(shù)值計(jì)算的三維結(jié)果[12]。

1.1 沉管隧道模型

根據(jù)某雙向八車道沉管隧道實(shí)際斷面建立隧道模型，如圖1所示?？紤]到對(duì)稱性，只對(duì)單孔隧道火災(zāi)進(jìn)行模擬分析。模型中雙向八車道沉管隧道寬度為18.5 m。根據(jù)以往公路隧道的排煙經(jīng)驗(yàn)，且考慮到邊界條件對(duì)隧道內(nèi)流場(chǎng)的影響，建立長(zhǎng)度為500 m的隧道模型。

圖1 雙向沉管隧道截面(單位：mm)

火源布置在隧道縱橫向的中部，燃料選取FDS燃燒物數(shù)據(jù)庫(kù)中庚烷(HEPTANE)，其燃燒特性為FDS數(shù)據(jù)庫(kù)默認(rèn)值。參考世界道路協(xié)會(huì)PIARC和美國(guó)消防協(xié)會(huì)NFPA的規(guī)范，設(shè)置火源功率為50 MW，相應(yīng)的火源參數(shù)如表1所示。模擬中所有火源熱釋放曲線按照式(1)設(shè)置，選超快速火，α=0.187 8[13]。

表1 火源參數(shù)

(1)

設(shè)置頂部排煙、側(cè)壁排煙、側(cè)壁排煙+擋煙垂壁3種不同的排煙方式，相應(yīng)的排煙口布置平面圖如圖2所示。在頂部排煙模型中，主隧道頂部設(shè)置6個(gè)與隧道等寬的橫向排煙通道(長(zhǎng)3.5 m，寬18.5 m，高1 m)，每個(gè)橫向排煙通道中心間隔82.5 m，每組橫向排煙通道上前后兩側(cè)對(duì)稱布置2個(gè)排煙口(寬4 m，高1.5 m)，同側(cè)兩個(gè)排煙口中心間隔7.5 m。在側(cè)壁排煙模型中，主隧道一側(cè)墻設(shè)置6組排煙口，每組排煙口中心間隔82.5 m，每組排煙口均勻布置4個(gè)相同規(guī)格的排煙口(長(zhǎng)1 m，高2 m)，每個(gè)排煙口間隔0.5 m。在側(cè)壁排煙+擋煙垂壁模型中，主隧道排煙口布置與側(cè)壁排煙模型一樣，同時(shí)在兩組排煙口間隔的中點(diǎn)布置擋煙垂壁，整個(gè)隧道模型共布置5個(gè)擋煙垂壁，每個(gè)擋煙垂壁長(zhǎng)0.5 m，寬18.5 m，高1 m，擋煙垂壁在火災(zāi)未發(fā)生時(shí)是收起的，在火災(zāi)發(fā)生后60 s，擋煙垂壁和排煙設(shè)備將自動(dòng)啟用。

圖2 沉管隧道不同排煙方式下排煙口布置平面圖

在數(shù)值模型中，通過統(tǒng)計(jì)排煙口CO的排出量，可以分析不同排煙方案的排煙效率。而且通過對(duì)比不同排煙方案下隧道內(nèi)相同位置的煙氣溫度、煙氣速度、CO體積分量和可見度分布情況，可以分析不同排煙方案下的排煙效果。根據(jù)美國(guó)消防協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)《商業(yè)街、中庭及大空間煙氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)指南》(NFPA92B)中的羽流模型，計(jì)算不同火源功率下火災(zāi)煙氣生成速率[14]：

(2)

模擬計(jì)算的工況如表2所示。

表2 模擬計(jì)算工況參數(shù)

1.2 網(wǎng)格敏感性分析

在FDS模擬過程中，網(wǎng)格大小會(huì)影響模擬的準(zhǔn)確性，網(wǎng)格越小模擬的精度越高，但對(duì)計(jì)算機(jī)性能要求高。定義無(wú)量綱常數(shù)D*，一般令D*和網(wǎng)格尺寸的比值在4～16之間[15]。

(3)

式中：ρ0為空氣密度；CP為空氣比熱容；T0為環(huán)境溫度，g為重力加速度。

為了驗(yàn)證網(wǎng)格設(shè)置的合理性，模擬前對(duì)模型進(jìn)行了網(wǎng)格敏感性分析，如圖3所示?；鹪垂β蔬x擇5 MW，網(wǎng)格尺寸分別設(shè)置為0.50 m,0.33 m,0.25 m,0.20 m。從圖3可以看出，隨著網(wǎng)格尺寸的縮小，隧道內(nèi)的溫度分布趨于穩(wěn)定，當(dāng)網(wǎng)格尺寸從0.25 m減小到0.20 m時(shí)，隧道內(nèi)的溫度分布幾乎不變，故將網(wǎng)格尺寸設(shè)置為0.25 m，總網(wǎng)格數(shù)量為3 884 160。

圖3 網(wǎng)格敏感性分析

2 分析與討論

2.1 煙氣蔓延速度

50 MW火源功率時(shí)不同排煙方式在不同風(fēng)速下火災(zāi)發(fā)生后300 s、1 000 s的煙氣蔓延情況如圖4所示。通過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，在火災(zāi)發(fā)生300 s時(shí)，隨著縱向風(fēng)速的增加，火源下游煙氣蔓延情況并未發(fā)生明顯的變化，但是縱向風(fēng)對(duì)上游煙氣的阻擋作用增加，煙氣向火源上游蔓延受到顯著的抑制，煙氣蔓延速度變慢。而在火源下游，煙氣在縱向風(fēng)的作用下其蔓延速度變快。當(dāng)火災(zāi)煙氣運(yùn)動(dòng)基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，縱向風(fēng)速越大，火源上游的煙氣層越厚。相較于無(wú)縱向風(fēng)的情況，煙氣在火源上游受縱向風(fēng)的影響，熱煙氣與冷空氣混合，煙氣運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生紊亂，煙氣向上游蔓延受到阻礙，煙氣層厚度增加，侵占整個(gè)隧道建筑界限。側(cè)壁排煙+擋煙垂壁與頂部排煙在火源下游均出現(xiàn)了明顯的煙氣分區(qū)現(xiàn)象，但在火源上游，由于縱向風(fēng)的阻擋作用，使得煙氣層厚度增加，煙氣分區(qū)現(xiàn)象并不明顯。側(cè)壁排煙+擋煙垂壁和頂部排煙中的橫向排煙道，起到了擋煙的作用，尤其是在火災(zāi)初期，橫向排煙道阻止了熱煙在頂棚下沿水平方向蔓延，將熱煙氣阻擋在防煙分區(qū)內(nèi)，形成蓄煙池。無(wú)論是否存在縱向風(fēng)，火源下游越靠近火源的防煙分區(qū)，煙氣層越厚，這是因?yàn)樵诨馂?zāi)初期，熱煙遇到第一塊擋煙垂壁后迅速沉降，煙氣層厚度急劇增大，煙氣由于速度慣性不斷越過擋煙垂壁或由于煙氣厚度達(dá)到垂壁下部溢過垂壁，使煙氣進(jìn)入下一個(gè)防煙分區(qū)，當(dāng)火災(zāi)處于穩(wěn)定階段時(shí)，流入和流出一個(gè)防煙分區(qū)的煙氣量與該區(qū)域的排煙量達(dá)到平衡。

圖4 隧道煙氣蔓延情況

為了準(zhǔn)確對(duì)比煙氣蔓延的速度，得到煙氣向火源下游蔓延的時(shí)間，利用溫度突變法確定煙氣蔓延到該處的時(shí)間，得到50 MW火源時(shí)不同排煙方式在不同縱向風(fēng)速下煙氣蔓延至距火源下游210 m處的時(shí)間，結(jié)果如圖5所示。從圖5可以看出，無(wú)論是在哪種風(fēng)速情況下，頂部排煙的煙氣蔓延速度最慢，側(cè)壁排煙+擋煙垂壁方式次之，側(cè)壁排煙最快。這說明由于擋煙垂壁的阻煙作用，熱煙被較好地控制在防煙分區(qū)內(nèi)，提高了防煙分區(qū)內(nèi)的排煙效果，減緩了煙氣的蔓延速度。此外，煙氣向火源下游蔓延的速度隨著縱向風(fēng)速的增大而加快。

圖5 不同工況下3種排煙方式煙氣到達(dá)火源下游210 m的時(shí)間

2.2 CO濃度場(chǎng)分析

50 MW火源功率時(shí)3種排煙方式在不同縱向風(fēng)速下距火源下游210 m截面火災(zāi)達(dá)到穩(wěn)定階段的CO濃度分布如圖6～圖8所示。通過對(duì)比不同的排煙方案，可以看出頂部排煙CO的總體含量最低，且主要聚集于隧道截面的左右頂部；而側(cè)壁排煙與側(cè)壁排煙+擋煙垂壁的煙氣主要集中在遠(yuǎn)離排煙口一側(cè)的隧道頂部，CO濃度相對(duì)于頂部排煙更大。對(duì)比不同縱向風(fēng)速下不同排煙方式的CO濃度，發(fā)現(xiàn)隨著縱向風(fēng)速的增加，隧道中距火源下游210 m截面頂部CO的濃度變大。這是因?yàn)槟M截面位于火源下游，煙氣處于順風(fēng)向，隨著縱向風(fēng)速的增大，CO更加均勻地分布于隧道頂部。

圖6 縱向風(fēng)速V=0 m/s時(shí)距火源下游210 m隧道截面CO濃度分布圖

圖7 縱向風(fēng)速V=3 m/s時(shí)距火源下游210 m隧道截面CO濃度分布圖

圖8 縱向風(fēng)速V=6 m/s時(shí)距火源下游210 m隧道截面CO濃度分布圖

2.3 速度矢量場(chǎng)分析

50 MW火源功率時(shí)3種不同排煙方式在不同縱向風(fēng)速下距火源下游210 m截面穩(wěn)定階段的速度矢量場(chǎng)如圖9所示。通過對(duì)比不同的排煙方案，可以發(fā)現(xiàn)頂部排煙中煙氣流動(dòng)方向整體向上，且速度分布更加均勻，關(guān)于隧道中心線呈對(duì)稱分布；側(cè)壁排煙情況下，煙氣向排煙口處單向流動(dòng)，越靠近排煙口煙氣流速越大，反之越小，而且在排煙口吸力與煙氣碰撞隧道側(cè)壁之后的反浮力壁面射流共同作用下，側(cè)壁排煙口處的煙氣流場(chǎng)較為紊亂。

圖9 不同縱向風(fēng)速下距火源下游210 m隧道截面速度分布圖

對(duì)比不同縱向風(fēng)速下不同排煙方式的速度矢量圖，發(fā)現(xiàn)不管是哪種排煙方式，隨著縱向風(fēng)速的增大，煙氣橫向速度變小，橫向作用力減弱。結(jié)合CO濃度分布圖還可以發(fā)現(xiàn)，由于煙氣橫向作用減小和縱向作用力的增加，隧道頂棚兩側(cè)的CO濃度增加，隧道中部CO濃度降低。

2.4 排煙效率

可燃物燃燒生成的煙氣在隧道內(nèi)蔓延過程中會(huì)卷吸大量空氣，并且排煙口處因排煙會(huì)對(duì)煙氣層產(chǎn)生擾動(dòng)，這使得煙氣和空氣發(fā)生劇烈摻混，導(dǎo)致排出的煙氣中含有大量空氣，降低了排煙的效率。不同排煙方案中煙氣對(duì)空氣的卷吸和排煙對(duì)空氣層的擾動(dòng)大小不同，這使得不同排煙方案的排煙效率不同。定義排煙效率為排出煙氣中純煙氣(不包括煙氣在隧道中卷吸的空氣和排煙口處摻混的空氣)與火源產(chǎn)生煙氣之比，用于評(píng)價(jià)排煙效果。當(dāng)排煙把火源產(chǎn)生的所有煙氣都排出去時(shí)，排煙效率為1；當(dāng)排出氣體全是空氣時(shí)，排煙效率為0。

由于排出的煙氣中有空氣摻混，直接計(jì)算排出煙氣的質(zhì)量比較困難?？諝庵蠧O含量很小，近似為0，煙氣中的CO僅在火源處產(chǎn)生，在煙氣蔓延過程中由于溫度較低不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，煙氣中的CO在煙氣蔓延過程中質(zhì)量守恒。其中，火源每秒CO產(chǎn)生量為：

(4)

因此，定義排出的CO質(zhì)量與火源產(chǎn)生的CO質(zhì)量的比值為排煙效率。

(5)

式中：m總為火源每秒產(chǎn)生的煙氣量；m排為隧道每秒產(chǎn)生的煙氣量。

50 MW火源功率時(shí)3種排煙方式在不同縱向風(fēng)下每組排煙口(每組4個(gè)排煙口)的排煙效率如圖10所示。在縱向風(fēng)速V=0 m/s的情況下，火源兩側(cè)各排煙組的排煙效率大致呈對(duì)稱分布，距離火源越近，排煙效率越高。加入縱向風(fēng)后，火源下游1～3號(hào)排煙組的排煙效率與無(wú)風(fēng)情況相差不大，而火源上游4～6號(hào)排煙組的排煙效率大幅增長(zhǎng)，總體呈現(xiàn)風(fēng)速越大效率越高的趨勢(shì)。結(jié)合煙氣蔓延圖還可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)煙氣分布達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，火源下游排煙組處煙氣與縱向風(fēng)流動(dòng)方向相同，火源上游排煙組處煙氣與縱向風(fēng)流動(dòng)方向相反，火源上游排煙組由于環(huán)境風(fēng)的阻擋作用，煙氣堆積，煙氣層變厚，煙霧濃度增大，排煙效率升高。頂部排煙情況下，由于縱向風(fēng)速的增加，煙氣在逆風(fēng)段回流更多，煙氣主要集中于火源上游4號(hào)和5號(hào)排煙組，當(dāng)縱向風(fēng)速為3 m/s時(shí)，煙氣只有部分到達(dá)火源上游6號(hào)排煙組；當(dāng)縱向風(fēng)速為5 m/s時(shí)，煙氣未到達(dá)火源上游6號(hào)排煙組，火源上游6號(hào)排煙組的排煙效率為0。側(cè)壁排煙情況下，當(dāng)縱向風(fēng)速為6 m/s時(shí)，煙氣未到達(dá)火源上游6號(hào)排煙組，火源上游6號(hào)排煙組的排煙效率為0。側(cè)壁排煙+擋煙垂壁的情況下，當(dāng)縱向風(fēng)速為5 m/s時(shí)，煙氣只有部分到達(dá)火源上游6號(hào)排煙組，其排煙效率大幅減?。划?dāng)縱向風(fēng)速為6 m/s時(shí)，煙氣未能到達(dá)火源上游6號(hào)排煙組，火源上游6號(hào)排煙組的排煙效率為0。

圖10 不同工況下3種排煙方式每組排煙口效率

不同工況下3種排煙方式的總排煙效率如圖11所示，可以看出頂部排煙情況下隧道的總排煙效率明顯高于另外兩種排煙方式。當(dāng)開始施加縱向風(fēng)時(shí)，3種排煙方式下的隧道總排煙效率均得到了提高，但隨著縱向風(fēng)速的增加，隧道總排煙效率基本保持不變，直到縱向風(fēng)達(dá)到某一值時(shí)隧道總排煙效率反而開始降低。這說明適當(dāng)?shù)目v向風(fēng)可以提高隧道的排煙效率，但當(dāng)縱向風(fēng)過大時(shí)，一方面隧道內(nèi)的一些排煙組沒有參與排煙，另一方面煙氣在蔓延過程中卷吸了大量的空氣進(jìn)入到煙氣層中，使得一些排煙組排出的大多是空氣而不是有毒高溫?zé)煔?，所以隧道的總排煙效率有所降低?/p>

圖11 不同工況下3種排煙方式總排煙效率

3 結(jié)論

采用數(shù)值模擬的方法，研究了沉管隧道在不同縱向風(fēng)作用下3種不同排煙方式的通風(fēng)排煙性能，通過對(duì)不同縱向風(fēng)情況下不同排煙方式的煙氣蔓延規(guī)律、CO濃度、煙氣速度、排煙效果及排煙效率進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論:

(1)適當(dāng)施加縱向風(fēng)可以提高隧道排煙效率，排煙效果更佳；但當(dāng)隧道縱向風(fēng)速過大時(shí)，將有排煙組不能得到有效利用，導(dǎo)致隧道排煙效率降低，排煙效果變差。

(2)在隧道中施加縱向風(fēng)會(huì)增大隧道下游煙氣濃度，同時(shí)顯著提高隧道下游排煙口的排煙效率，從而使得隧道整體排煙效率變大。

(3)在縱向風(fēng)風(fēng)速相同的情況下，3種排煙方式中頂部排煙的排煙效果最好，側(cè)壁排煙+擋煙垂壁次之，側(cè)壁排煙方式最差。