障礙物對(duì)隧道火災(zāi)中豎井自然排煙效果的影響*

鐘 委，韓 寧，孫超鵬

(鄭州大學(xué) 力學(xué)與安全工程學(xué)院，河南 鄭州 450001)

0 引言

近年來，隨著國民經(jīng)濟(jì)和交通運(yùn)輸系統(tǒng)的快速發(fā)展，我國修建了大量的隧道[1]。由于隧道結(jié)構(gòu)的特殊性以及高溫?zé)煔鈱?duì)人體巨大的危害性，一旦隧道內(nèi)部發(fā)生火災(zāi)，煙氣難以排出，會(huì)造成嚴(yán)重的人員傷亡和結(jié)構(gòu)破壞[2]。當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，停放在隧道內(nèi)的部分車輛或貨物會(huì)對(duì)煙氣流動(dòng)造成一定的干擾，進(jìn)而影響煙氣的排放。目前，有關(guān)研究較少考慮障礙物對(duì)豎井排煙的影響機(jī)制。因此，研究在火災(zāi)中有障礙物存在時(shí)及時(shí)有效地排出高溫?zé)煔馐直匾?/p>

隧道排煙方式可以分為機(jī)械排煙和自然排煙2種[3-4]。由于機(jī)械排煙成本較高，設(shè)備復(fù)雜，近年來國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)城市淺埋隧道豎井自然排煙開展大量研究，證明了該方式的可行性，并在實(shí)際隧道中得到廣泛運(yùn)用。Fan等[5]通過數(shù)值模擬分析出隨著火源與豎井縱向距離增加，豎井排出煙氣的質(zhì)量會(huì)降低；韓見云等[6]在1∶6尺寸城市隧道實(shí)驗(yàn)臺(tái)上開展一系列實(shí)驗(yàn),研究不同條件下隧道自然排煙豎井的排煙效果，結(jié)果表明,豎井的橫截面尺寸直接影響排煙效果；Zhong等[7]分析隧道內(nèi)縱向通風(fēng)對(duì)豎井排煙的影響規(guī)律，結(jié)果表明存在1個(gè)臨界縱向風(fēng)速，此時(shí)豎井排煙效果最佳；叢海勇[8]通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬說明豎井下方設(shè)置擋板能夠有效改善吸穿現(xiàn)象。但以上研究均未考慮隧道內(nèi)障礙物的影響。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)障礙物作用下隧道火災(zāi)的煙氣流動(dòng)特性也有較多研究。Gannouni等[9]通過數(shù)值模擬討論隧道火災(zāi)發(fā)生時(shí)上游障礙物的存在對(duì)于煙氣羽流分層的影響，得出隧道內(nèi)的障礙物促進(jìn)了熱源上游的煙流分層，此種阻塞影響會(huì)導(dǎo)致下游氣流進(jìn)一步推動(dòng)煙氣流動(dòng)；馬志欣[10]通過小尺寸隧道實(shí)驗(yàn)臺(tái)研究阻塞效應(yīng)作用下隧道火災(zāi)頂棚射流火焰發(fā)展特性，結(jié)果表明障礙物距火源較近時(shí)會(huì)強(qiáng)化燃燒；Tang等[11]通過1∶6小尺寸隧道模型實(shí)驗(yàn)，提出在縱向通風(fēng)隧道里火源與障礙物距離變化情況下的頂棚下最高溫度經(jīng)驗(yàn)公式；Luo等[12]通過數(shù)值模擬分析不同阻塞率下的縱向通風(fēng)隧道內(nèi)煙氣擴(kuò)散情況，隨著上游障礙物阻塞比的增加，隧道頂棚下最高溫度會(huì)降低，同時(shí)煙氣擴(kuò)散范圍也會(huì)變小。

本文采用FDS對(duì)某城市隧道建立模型，采用大渦模擬方法分析下游障礙物對(duì)隧道煙氣流動(dòng)特性的影響，并對(duì)豎井排煙效果進(jìn)行討論。

1 數(shù)值模擬

1.1 FDS軟件介紹

FDS(Fire Dynamic Simulation)是由美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)協(xié)會(huì)研究開發(fā)的1種基于場(chǎng)模擬的火災(zāi)模擬軟件，適用于火災(zāi)引起的煙氣擴(kuò)散和熱傳遞的計(jì)算機(jī)模擬。FDS軟件減少了在建模時(shí)的假設(shè)條件，并具有良好的編程基礎(chǔ)，所以其適用范圍較廣[13]。目前，F(xiàn)DS軟件主要的模擬方法有直接數(shù)值模擬方法和大渦模擬法。微分方程數(shù)值解直接計(jì)算大尺度運(yùn)動(dòng)，模擬實(shí)體模型的狀態(tài)和結(jié)構(gòu)，并利用子網(wǎng)格模型模擬小尺度運(yùn)動(dòng)對(duì)大尺度運(yùn)動(dòng)的影響。采用濾波方法對(duì)包括脈動(dòng)在內(nèi)的瞬態(tài)湍流模型進(jìn)行分解，降低了計(jì)算量，更適用于火災(zāi)模擬。

1.2 隧道火災(zāi)模型的建立

本文建立的水平隧道物理模型長為100 m，寬為10 m，高為5 m，豎井高為5 m，橫截面面積為2 m×2 m，縱向風(fēng)入口位于隧道左側(cè)，選取風(fēng)速為0～2 m/s之間的5種風(fēng)速[14]，選取火源位于隧道中心線距左側(cè)入口31.5 m處為典型的小汽車火災(zāi)場(chǎng)景，火源熱釋放速率為3 MW，定義火源燃燒為穩(wěn)態(tài)燃燒。豎井位于離隧道左側(cè)進(jìn)口55 m處，為保證計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確，在豎井上方增加一塊額外的計(jì)算域。障礙物幾何尺寸為長4 m，寬3 m，高3 m，將其分別放置在火源下游0～12 m區(qū)段，將障礙物性質(zhì)設(shè)為不可燃燒，環(huán)境溫度設(shè)為20 ℃。綜合考慮數(shù)值模擬精度和計(jì)算機(jī)性能，模擬時(shí)網(wǎng)格尺寸大小選取0.1 m×0.1 m×0.1 m。水平隧道模型如圖1所示。為更好地計(jì)算豎井排出熱量情況，在豎井頂部開口處布置熱電偶測(cè)點(diǎn)進(jìn)行煙氣溫度的測(cè)量，每隔0.5 m布置1個(gè)測(cè)點(diǎn)，共16個(gè)測(cè)點(diǎn)；同時(shí)在相同界面位置處布置等數(shù)量的速度測(cè)點(diǎn)，用來測(cè)量煙氣從豎井口流出的速度。測(cè)點(diǎn)布置情況如圖1～2所示。

圖1 隧道模型示意Fig.1 Schematic diagram of tunnel model

圖2 豎井頂部測(cè)點(diǎn)分布情況Fig.2 Distribution of measuring points at shaft top

模擬實(shí)驗(yàn)以縱向通風(fēng)風(fēng)速和障礙物與火源之間的縱向距離為變量，研究障礙物附近區(qū)域的溫度場(chǎng)、流場(chǎng)分布情況以及豎井頂部開口處的排出熱量。模擬實(shí)驗(yàn)工況見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)工況匯總Table 1 Summary of experimental conditions

2 結(jié)果與討論

2.1 障礙物對(duì)隧道煙氣流動(dòng)的影響機(jī)制

在不同縱向風(fēng)速條件下，當(dāng)火源與障礙物縱向距離為2 m時(shí)，隧道中心線處的縱向切片流場(chǎng)圖如圖3所示。由圖3和流體力學(xué)[15]知識(shí)可知，當(dāng)氣體流過障礙物，會(huì)在障礙物前沿和后方發(fā)生邊界層分離，并在前沿和后方出現(xiàn)負(fù)壓區(qū)，吸引周圍流體進(jìn)入負(fù)壓區(qū)形成渦旋。障礙物前沿產(chǎn)生的負(fù)壓區(qū)會(huì)吸引火羽流和煙氣向障礙物貼附；障礙物后方產(chǎn)生的負(fù)壓區(qū)會(huì)將流經(jīng)的煙氣向隧道下方吸引，使得煙氣層沉降，增大煙氣層厚度。隨著縱向風(fēng)速的增大，障礙物前沿和后方形成的負(fù)壓區(qū)變得更加明顯，對(duì)流經(jīng)煙氣的影響作用不斷加強(qiáng)。

圖3 不同縱向風(fēng)速下隧道內(nèi)流場(chǎng)變化(縱向距離2 m)Fig.3 Change of flow field in tunnel under different longitudinal wind speeds (longitudinal distance is 2 m)

在縱向風(fēng)速2.0 m/s下，火源與障礙物縱向距離變化下的隧道中心線處縱向溫度場(chǎng)切片圖如圖4所示。

由圖4可知，縱向距離逐漸增加到2 m時(shí)，由于火源離障礙物較近，火焰容易貼壁，高溫羽流長度較長，隧道內(nèi)障礙物后方煙氣層厚度變厚；當(dāng)縱向距離增加到6 m時(shí)，火羽流和煙氣被向下吸引貼近障礙物，隧道內(nèi)煙氣進(jìn)一步發(fā)生沉降，在6 m時(shí)流動(dòng)到障礙物后方的30°煙氣已經(jīng)下落到地面，隧道內(nèi)部溫度再次增加；而當(dāng)縱向距離增加到12 m時(shí)，由于離豎井口較近，煙囪效應(yīng)增強(qiáng)，豎井排煙引起的誘導(dǎo)風(fēng)速增大，隧道內(nèi)煙氣層厚度相比之前也開始變薄，但是較大縱向風(fēng)速使得煙氣的摻混作用更加明顯。

當(dāng)縱向距離為2 m時(shí)，隧道內(nèi)縱向風(fēng)速從0 m/s逐漸增大到2.0 m/s時(shí)的隧道中心線處煙氣縱向溫度切片變化情況如圖5所示。由圖5可知，當(dāng)縱向距離一定時(shí)，縱向風(fēng)速的增加會(huì)導(dǎo)致火焰向隧道下游傾斜。隨著縱向風(fēng)速的增加，火焰的傾斜角度逐漸增大，當(dāng)縱向風(fēng)速達(dá)到2.0 m/s時(shí)，火焰最貼近障礙物壁面。同時(shí)當(dāng)風(fēng)速不斷增大到1.5 m/s時(shí)，大部分煙氣吹向障礙物后方，高溫區(qū)域增大，煙氣層不斷變厚，隧道內(nèi)部溫度升高；風(fēng)速繼續(xù)增大到2.0 m/s，隧道入口處的新鮮空氣水平速度過大且與煙氣摻混作用明顯，隧道上游不再出現(xiàn)煙氣逆流情況，高溫區(qū)域減小，低溫區(qū)域增加，煙氣層變薄。

圖4 不同縱向距離下隧道內(nèi)溫度變化(縱向風(fēng)速2.0 m/s)Fig.4 Change of temperature in tunnel under different longitudinal distances (longitudinal wind speed is 2.0 m/s)

圖5 不同縱向風(fēng)速下隧道內(nèi)溫度變化(縱向距離2 m)Fig.5 Change of temperature in tunnel under different longitudinal wind speeds (longitudinal distance is 2 m)

由圖4～5可知，縱向風(fēng)速和縱向距離的變化將引起隧道內(nèi)煙氣輸運(yùn)與摻混行為的改變，從而對(duì)豎井的溫度分布及豎井排出的熱量造成影響。

2.2 豎井內(nèi)溫度變化

通過測(cè)量豎井內(nèi)部的溫度分布可以判斷豎井內(nèi)是否發(fā)生吸穿現(xiàn)象。以隧道內(nèi)縱向風(fēng)速1.0 m/s為例，縱向距離從0 m到12 m時(shí)的豎井內(nèi)溫度分布如圖6所示。由圖6可知，在縱向距離增加到2 m時(shí)，豎井中上游溫度明顯比下游溫度高，溫差可達(dá)45 ℃，同時(shí)可以看出豎井均在下游出現(xiàn)低溫區(qū)域，且其溫度僅為25 ℃左右，這表明豎井排煙時(shí)發(fā)生了吸穿現(xiàn)象，將空氣吸入豎井內(nèi)部，導(dǎo)致豎井下游溫度降低；當(dāng)縱向距離增加到8 m時(shí)，豎井底部低溫區(qū)域面積不斷減小，豎井上下游溫度差變小，吸穿程度得到改善；當(dāng)縱向距離增加到12 m時(shí)，由于靠近豎井口，煙囪效應(yīng)增強(qiáng)，豎井內(nèi)部溫度略有降低并接近50 ℃，豎井下方不發(fā)生吸穿。

圖6 不同縱向距離時(shí)豎井內(nèi)的溫度分布(縱向風(fēng)速1.0 m/s)Fig.6 Change of temperature in shaft under different longitudinal distances (longitudinal wind speed is 1.0 m/s)

當(dāng)縱向距離為2 m時(shí)，縱向風(fēng)速從0 m/s逐漸增加到2.0 m/s的豎井內(nèi)部的溫度分布情況如圖7所示。

由圖7可知，縱向風(fēng)速從0 m/s逐漸增加到1.5 m/s，豎井內(nèi)部的高溫?zé)煔鈪^(qū)域逐漸增加，內(nèi)部平均溫度逐漸增加，說明此時(shí)更多的煙氣通過豎井排出；而當(dāng)風(fēng)速繼續(xù)增加到2 m/s時(shí)，由于冷空氣的過度摻混，低溫區(qū)域增加，使得豎井內(nèi)部溫度降低。

圖7 不同縱向風(fēng)速時(shí)豎井內(nèi)的溫度分布(縱向距離2 m)Fig.7 Temperature distribution in shaft under different longitudinal wind speeds (longitudinal distance is 2 m)

2.3 豎井開口處的排煙效果比較

由于障礙物的存在，隧道內(nèi)縱向風(fēng)速和縱向距離的變化將直接影響隧道內(nèi)的煙氣流動(dòng)，從而導(dǎo)致豎井口排出煙氣的變化。豎井的排出熱量是排煙研究特別關(guān)注的問題。豎井口面積為4 m2，將其平均分成4塊，i指4個(gè)面積塊的序號(hào)，i=1,2,3,4。豎井排出熱量的計(jì)算公式如式(1)～(2)所示：

Qi=cp·ρ·ui·Ai·ΔT

(1)

Q=∑Qi

(2)

式中：Q為豎井排出熱量，kW；Qi為第i塊面積單獨(dú)排出的熱量,kW；cp為定壓比熱容，kJ/(kg·℃)，取1.005；ρ為煙氣密度，kg/m3；ui為豎井開口界面Z方向速度，m/s；Ai為截面面積，取1 m2；ΔT為煙氣溫度與空氣溫度差值，K，空氣常溫為293 K。

通過模擬計(jì)算結(jié)果將研究區(qū)域分為3個(gè)區(qū)域，即近火源區(qū)(縱向距離0～<2 m)、中間區(qū)(縱向距離2～<8 m)以及近豎井區(qū)(縱向距離8～12 m)。

豎井出口排出熱量隨障礙物與火源縱向距離變化如圖8所示。由圖8可知，2種縱向風(fēng)速下的總體變化趨勢(shì)一致，但隨著火源與障礙物縱向距離的增加，排出熱量先減小再增加最后減小。

圖8 豎井出口排出熱量隨障礙物與火源縱向距離變化Fig.8 Change of exhaust heat by shaft outlet with distance between obstacle and fire source

當(dāng)障礙物在近火源區(qū)時(shí)，排出熱量迅速降低，這是由于豎井下方煙氣層較薄，豎井排煙出現(xiàn)吸穿現(xiàn)象，豎井內(nèi)吸入大量新鮮冷空氣，導(dǎo)致排出熱量減少。

當(dāng)障礙物在中間區(qū)時(shí)，排出熱量逐漸升高，這是由于障礙物后方發(fā)生邊界層分離，煙氣在障礙物后方發(fā)生積聚，使得煙氣層變厚，改善近火源區(qū)出現(xiàn)的吸穿現(xiàn)象。

當(dāng)障礙物在近豎井區(qū)時(shí)，排出熱量再次降低，這是因?yàn)榫嘭Q井距離較近，豎井排煙產(chǎn)生的豎向慣性力影響了障礙物后方的負(fù)壓區(qū)，使煙氣層變薄，排出熱量減少。

豎井出口排出熱量隨縱向風(fēng)速變化情況如圖9所示。由圖9可知，在縱向距離一定時(shí)，當(dāng)縱向風(fēng)速不斷增大到1.5 m/s時(shí)，大部分煙氣被吹向下游，提高煙氣溫度，改善吸穿現(xiàn)象，使得豎井排出熱量不斷增加；當(dāng)縱向風(fēng)速繼續(xù)增大到2.0 m/s時(shí)，由于從隧道入口進(jìn)來的冷空氣具有較大的速度，使得冷空氣與煙氣的摻混作用明顯增強(qiáng)，低溫區(qū)域增加，進(jìn)而使排出熱量減小，這與文獻(xiàn)[9]的結(jié)果基本一致。

圖9 豎井出口排出熱量隨縱向風(fēng)速變化Fig.9 Change of exhaust heat by shaft outlet with longitudinal wind speed

3 結(jié)論

1)障礙物在近火源區(qū)時(shí)，由于豎井下方煙氣層較薄，豎井排煙出現(xiàn)吸穿現(xiàn)象，豎井內(nèi)吸入大量新鮮冷空氣，排煙效果較差；障礙物在中間區(qū)時(shí)，由于障礙物后方發(fā)生邊界層分離，煙氣在障礙物后方發(fā)生積聚，使得煙氣層變厚，排煙效果增強(qiáng)；當(dāng)障礙物在近豎井區(qū)時(shí)，隨著距豎井距離的減少，豎井排煙產(chǎn)生的豎向慣性力對(duì)障礙物后方負(fù)壓區(qū)的影響加大，使煙氣層變薄，排煙效果變差。

2)在縱向距離一定時(shí)，隨著縱向風(fēng)速的增加，上游煙氣被吹向下游，從而提高下游煙氣溫度，豎井排出熱量也不斷增加；當(dāng)增大到1.5 m/s時(shí)排煙效果最佳；當(dāng)風(fēng)速繼續(xù)增大，新鮮空氣與煙氣摻混明顯，低溫區(qū)域增加，排出熱量反而減小。