邊部呼吸區(qū)對撞送風隧道火災逃生系統(tǒng)

蘇義成 韓歐 茍立

西安建筑科技大學建筑設(shè)備科學與工程學院

0 引言

火災煙氣對隧道人員逃生會產(chǎn)生巨大危害，因此國內(nèi)外學者[1-3]針對隧道火災煙氣控制進行了大量的研究，從而提出了現(xiàn)今流行的五種隧道通風系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)隧道通風原理圖

當火災發(fā)生時，用于逃生的隧道空間其實是隧道的下部2 m 以下的逃生空間，并不是整個隧道空間。因此只需要保證隧道下部空間，甚至是下部空間的局部是清潔干凈的[4]。因此，本文提供了一種水平垂直送風相結(jié)合的呼吸區(qū)對撞送風隧道火災逃生系統(tǒng)HVES（A horizontal and vertical combination of breathing zone collision air tunnel fire evacuation system）。這種通風系統(tǒng)從本質(zhì)上講是一種具有局部個性化送風的通風系統(tǒng)，能夠提供一個干凈、無煙、安全的隧道邊部疏散逃生通道[5-6]。

1 模型構(gòu)建與參數(shù)設(shè)置

1.1 模型構(gòu)建

一種水平垂直送風相結(jié)合的呼吸區(qū)對撞送風隧道火災逃生系統(tǒng)（HVES），包括靜壓箱，送風風管和風口。靜壓箱的上端設(shè)置有第一噴口，出風朝向為水平方向，向人員呼吸區(qū)送風，保證逃生人員的新風需求。靜壓箱靠近隧道內(nèi)水平設(shè)置有第二噴口，出風朝向為豎直向下，在人員逃生區(qū)域形成正壓，將偶然脈動進入的熱煙氣擠出逃生通道。第二噴口與第一噴口的出風朝向垂直，如圖2 所示[7]。

圖2 HVES 剖面結(jié)構(gòu)圖示意

本設(shè)計所述第一噴口上下邊沿所處的高度分別為2.0 m 和2.5 m，噴口的寬度為0.5 m，第一噴口位于隧道壁面上。第二噴口為水平方向，其寬度為0.5 m，高度為2.5 m。為了簡化模型，選取隧道公共行車空間作為對象，依據(jù)FDS 建立一條矩形隧道，隧道的尺寸選取為200 m（長）×14 m（寬）×5 m（高），其邊部安裝了HVES 系統(tǒng)，隧道底部和頂部安裝了送風口和排風口，風口面積為2 m×2 m，見圖3。模型隧道能完全實現(xiàn)傳統(tǒng)五種隧道通風方式的模擬，從而比較不同隧道火災通風方式的效果。

圖3 模型隧道結(jié)構(gòu)示意

1.2 模型設(shè)置

火災流動數(shù)值模擬中涉及的條件主要包括：火源熱釋放率、火源模型選擇、進出口邊界條件、安全疏散特征時間等。

1）在模擬隧道火災中，火源邊界條件是重要參數(shù)。一般數(shù)值模擬火源功率采用火源燃料的質(zhì)量流量損失來計算，根據(jù)燃料質(zhì)量損失曲線和熱釋放率關(guān)系可表示為：

式中：Q 為熱釋放率，kW；mf質(zhì)量損失速率，kg/s；hc為燃料熱值，J/kg；β 為燃燒效率。

表1 隧道車輛火災最大熱釋放率

我國現(xiàn)執(zhí)行的《道路隧道設(shè)計規(guī)范》[8]中依據(jù)隧道交通功能，交通量以及交通組織情況等，給定了隧道中火災最大熱釋放率應該按表1 確定。根據(jù)以上規(guī)定，本文模擬中采用火災規(guī)模范圍為中型火災5～35 MW。

2）火災模型分為穩(wěn)態(tài)火災和非穩(wěn)態(tài)火災?；鹪吹臒後尫怕什浑S時間變化的是穩(wěn)態(tài)火災。熱釋放率隨時間不斷變化的火災為非穩(wěn)態(tài)火災。本文采用非穩(wěn)態(tài)火。根據(jù)火災增長系數(shù)的不同，美國NFPA 規(guī)范定義了4 種火源類型，見表2。本文采用的火源是汽油屬于油池火。

表2 t2 火源火災功率增長系數(shù)表

在火災設(shè)計時，常常不考慮陰燃階段，因此火災增長模型可以簡化為[9]：

式中：Q 為火災功率，kW；a 為火災增長系數(shù)，kW/s2；t為著火的時間，s；t1則為達到最大火源熱釋放率的時間，s。

3）隧道縱向通風進口為速度邊界，出口邊界條件與其他通風模式相同，隧道流場出口邊界由連續(xù)性條件確定，最常用的出口邊界為自然通風“Open”邊界即為沿流動方向各流動參數(shù)的導數(shù)為零。隧道內(nèi)空氣初始溫度，各固體表面的初始溫度以及環(huán)境溫度均為20 ℃。

4）在我國現(xiàn)執(zhí)行的《道路隧道設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定，隧道內(nèi)乘行人員的安全疏散時間不宜小于15 min，因此選取模擬時間為900 s[8]。

1.3 模擬驗證

為了驗證FDS 軟件對模擬效果的可靠性，本文將將沿隧道進深方向的火災煙氣溫度，CO 濃度與Lee（2006）[10-11]，Hu（2006）[12-13]實驗數(shù)據(jù)進行對比，如圖4。通過對比發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬計算的預測值與實驗數(shù)據(jù)的吻合性比較好，證明了本文研究數(shù)值模擬方法與預測結(jié)果正確性和合理性。

圖4 模擬值與經(jīng)典實驗數(shù)據(jù)對比

2 結(jié)果與討論

2.1 不同通風系統(tǒng)效果分析

為了分析HVES 與傳統(tǒng)五種通風模式（均有水平擋煙板）的煙氣控制效果，針對不同通風系統(tǒng)，各個通風系統(tǒng)設(shè)置如下：

工況一：HVES，第一噴口為0.8 m/s，第二噴口為0.2 m/s，橫截面1 與橫截面2 均為自由出流。

工況二：自然通風，橫截面1 與橫截面2 均為自由出流。

工況三：縱向通風，橫截面1 為2.0 m/s，橫截面2為自由出流。

工況四：排風式橫向通風，排風口為4.0 m/s，橫截面1 與橫截面2 均為自由出流。

工況五：送風式橫向通風，送風口為4.0 m/s，橫截面1 與橫截面2 均為自由出流。

工況六：全橫向通風，送風口、排風口均為4.0 m/s，橫截面1 與橫截面2 均為自由出流。

當HRR 為35 MW 時，采用HVES 后逃生通道內(nèi)近火源點能見度均值明顯比采用其他傳統(tǒng)系統(tǒng)的能見度值高。采用HVES 后的隧道邊部能見度降低率是自然通風系統(tǒng)后的8.35%，是采用縱向通風系統(tǒng)后能見度降低率的4.37%，是采用排風型半橫向通風系統(tǒng)后能見度降低率的7.27%，是采用送風型半橫向通風系統(tǒng)后能見度降低率的4.72%，是采用全橫向通風系統(tǒng)后能見度降低率的8.49%，見圖5（a）。采用不同通風模式逃生通道內(nèi)近火源溫度是不斷上升的，見圖5（b），除工況三外，HVES 系統(tǒng)邊部逃生通道內(nèi)整體溫度低于其他的通風模式，而縱向通風無法控制隧道下游區(qū)的火災煙氣，清潔干凈的空氣從隧道一端流入，流經(jīng)火源帶走火源產(chǎn)生的火災煙氣，然后從隧道的另一端流出，這就使得流經(jīng)火源的空氣必然和煙氣充分混合，下游區(qū)充滿煙氣，人員只能從上游疏散，這是不利于隧道火災人員疏散逃生的。圖5（c）給出了CO 濃度變化趨勢，工況二是自然通風，煙氣的流動動力是煙氣本身的浮升力向上運動并在頂棚形成射流，沒有機械通風的擾動，所以2 m 高度處的測點CO 濃度較低。工況四是由于半橫向排煙風機的抽吸作用降低了CO 濃度，工況三、五和六機械通風模式不利于人員逃生。

圖5 不同通風系統(tǒng)邊部通道近火源點參數(shù)對比

HVES 能夠營造一個非常明顯的無煙氣的邊部逃生通道。相比于其他傳統(tǒng)隧道通風系統(tǒng)，應用HVES后隧道內(nèi)的煙氣主要集中在上部空間，而3 m 以下空間整體保持15 m 以上的能見度，邊部逃生方向僅有少量高溫煙氣的進入，能見度保持在30 m 左右。邊部的逃生系統(tǒng)通道的溫度場和CO 濃度場比傳統(tǒng)的五種通風方式更低，見圖6～8，邊部通道內(nèi)的整體溫度保持在60 ℃以下，僅在近火源點局部小范圍內(nèi)升高達到117 ℃。另外CO 濃度整體保持在10 ppm 以下。

圖6 不同通風系統(tǒng)下隧道能見度等值線（y=-6.5 m、x=10 m）

圖7 不同通風系統(tǒng)下隧道溫度等值線（y=-6.5 m、x=10 m）

雖然傳統(tǒng)通風系統(tǒng)降低了隧道內(nèi)火災煙氣的平均濃度，提高逃生通道內(nèi)的能見度，降低了隧道的溫度和CO 濃度，為人員逃生提供了疏散途徑，但是傳統(tǒng)通風系統(tǒng)作用的是整個隧道，隧道下部空間仍然具有較高的煙氣濃度，這非常不利于人員的逃生。而HVES是專門針對隧道的下邊部局部空間設(shè)計的，其主旨就是通過送風形成一個干凈清潔的空氣隔煙通道，而不是僅僅去排除隧道內(nèi)的煙氣，所以HVES 相對于傳統(tǒng)系統(tǒng)更有利于人員進行疏散。

2.2 HVES 噴口風速比的優(yōu)化

為了獲得兩噴口送風速度的最優(yōu)速度比，本文模擬實驗了不同的送風比率。第一噴口速度V1從0 m/s遞增為1 m/s，第二噴口速度V2從1 m/s 遞減為0 m/s?；鹪垂β示鶠?5 MW，火源高度Z=1 m。

第一噴口V1與第二噴口V2是不同的，安裝在側(cè)墻上的呼吸區(qū)送風噴口V1是用來保證呼吸區(qū)新鮮空氣的，而安裝擋煙板下的送風噴口V2是用來保證通道內(nèi)正壓并排除由于脈動性進入的部分煙氣。因此第一及第二噴口的送風速度應該是不同的，當V1:V2=0.7:0.3=2.33 時，是逃生通道內(nèi)近火源點處能見度，CO 濃度和溫度的轉(zhuǎn)折點，隨著V1增大V2減小，逃生通道內(nèi)能見度均值保持在29 m，CO 濃度均值下降到10 ppm以下，溫度均值下降到90 ℃以下，見圖9。但是無論V1與V2噴口送風風速的比值為多少，逃生通道內(nèi)的能見度，CO 濃度以及溫度值均能滿足人員逃生要求。

圖9 噴口送風風速優(yōu)化

2.3 火源高度對HVES 的影響

隧道內(nèi)火災發(fā)生高度是影響煙氣流動擴散的一個重要因素，考慮隧道內(nèi)主要是車輛通行后由于某些原因車輛底部，車身以及車頂發(fā)生火災，因此本文火源高度設(shè)置了四種工況（Z=0 m、Z=1 m、Z=2 m 與Z=3 m），火源功率均為35 MW，火源設(shè)置在隧道正中間，且HVES 中噴口V1與噴口V2的速度比為V1:V2=1 m/s:0 m/s，即為側(cè)送風形式，逃生通道上方有水平擋煙。

當火源在0～3 m 高度上變化時，逃生通道內(nèi)近火源點處的溫度，能見度以及CO 濃度變化趨勢近似一致，只有Z=0 m 時溫度上升趨勢較小，這是由于熱煙氣在火羽流的作用下，到達隧道頂棚受阻后沖擊頂棚后呈放射狀水平運動，當煙氣與兩側(cè)壁碰撞后向下運動，到達測點位置所經(jīng)歷的流動路程較長，熱煙氣的溫度沿流動方向是逐漸降低的。而CO 和能見度均保持高度的一致性，CO 濃度保持在10 ppm 以下，能見度保持在29 m 以上，說明逃生通道內(nèi)并沒有煙氣的脈動進入，見圖10。因此當火源高度不同時，HVES 內(nèi)均能保持清潔、安全的逃生通道。

圖10 不同火源高度對HVES 的影響

2.4 火源功率對HVES 的影響

熱釋放率Heat Release Rate 簡稱HRR，是火災發(fā)生時由火源產(chǎn)生熱量的速率。它是影響隧道火災中煙氣生成量的一個重要參數(shù)。本文考慮了（5 MW、15 MW、25 MW、35 MW）四種火源功率下HVES 內(nèi)的溫度、可見度和CO 濃度變化，見圖11。

圖11 不同HRR 對HVES 的影響

從圖11 中可以看出，隨著火源功率的增加，HVES 通道內(nèi)近火源點處的溫度與CO 濃度是逐漸增加的，而能見度略有下降。當HRR 分別為5 MW，15 MW，25 MW 與35 MW 時，逃生通道內(nèi)的溫度則從20 ℃隨時間增長逐漸增加，250 s 后溫度值趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定后時均值分別為24.3 ℃，35.6 ℃，62.7 ℃和101.7 ℃。CO 濃度在前150 s 為0，400 s 后趨于穩(wěn)定，這是由于火災剛發(fā)生煙氣上升并水平流動后還未出現(xiàn)反浮射流，而后通道內(nèi)的CO 濃度逐漸升高，穩(wěn)定后時均值分別為0 ppm，0.04 ppm，2.5 ppm 和6.8 ppm，這里將上限值規(guī)定在10 ppm 以內(nèi)，也即采用HVES 系統(tǒng)后，其內(nèi)部空間的CO 均能低于OSHA 標準5 倍的范圍內(nèi)[11，13]。對于逃生內(nèi)的能見度變化，只有當HRR超過25 MW 時，才會出現(xiàn)煙氣的脈動進入，穩(wěn)定后能見度時均值為30 m，30 m，29.9 m 和28.4 m，均高于規(guī)范要求的10 m 能見度。因此當火源功率為35 MW時，才會出現(xiàn)少量高溫煙氣脈動性進入。

2.5 排煙與HVES 相結(jié)合作用下效果分析

為了選擇出最優(yōu)的煙氣控制效果，本文在HVES個性化通風的基礎(chǔ)上，增加了排風式半橫向通風系統(tǒng)。圖12 給出了基于HVES 情況下，增加排風式半橫向通風逃生通道內(nèi)的溫度和能見度隨時間的變化曲線以及隧道頂棚邊部（逃生通道側(cè)）的CO 濃度曲線。當增加了排風式半橫向通風系統(tǒng)時逃生通道內(nèi)距離火源最近點的溫度從117 ℃降到60 ℃。能見度由無排煙時的脈動性進入到有排煙時無煙氣進入逃生通道內(nèi)，始終維持在30 m 的能見度。而且隧道邊部頂棚的CO 濃度也有較大幅度降低，頂棚濃度1300 ppm 下降到800 ppm。因此，在HVES 的基礎(chǔ)上，增加排風式半橫向通風系統(tǒng)后降低隧道內(nèi)整體高溫煙氣濃度，可減少人員傷亡，這是非常有利于逃生通道內(nèi)人員疏散。

圖12 有無排煙對比

3 結(jié)論

基于HVES 與傳統(tǒng)隧道火災通風方式數(shù)值模擬結(jié)果對比，分析了不同噴口風速比、不同火源高度、不同HRR 以及HVES 中有無排煙對HVES 性能的影響，得出如下結(jié)論：

1）HVES 能夠營造一個非常明顯的無煙氣的邊部逃生通道。邊部通道內(nèi)的整體溫度保持在60 ℃以下，僅在近火源點局部小范圍內(nèi)有升高達到117 ℃。另外CO 濃度保持在10 ppm 以下。能見度保持在29 m 的高度。

2）HVES 逃生通道中的能見度在第一與第二噴口的送風比例V1:V2＞2.33 時，逃生通道內(nèi)近火源測點能見度均值保持在29 m，CO 濃度均值下降到10 ppm 以下，溫度均值下降到90 ℃以下?；鹪锤叨萙=0～3 m時，HVES 內(nèi)均能保持清潔干凈的安全的逃生通道。

3）隨著火源功率HRR 的增加，HVES 近火源點的溫度和CO 濃度是逐漸增加的，而能見度有所下降，但是均能滿足人員逃生要求。

4）在HVES 個性化通風的基礎(chǔ)上，當增加了排風式橫向通風系統(tǒng)時逃生通道內(nèi)距離火源最近點的溫度從117 ℃降到60 ℃。頂棚邊部CO 濃度1300 ppm下降到800 ppm，降低了隧道內(nèi)的煙氣濃度，這是非常有利于逃生通道內(nèi)人員疏散的。