在交通擁堵的隧道火災(zāi)中縱向通風(fēng)的合理送風(fēng)風(fēng)速研究

李俊梅， 謝 飛， 李炎鋒， 畢 強(qiáng)， 王澤航， 常默寧， 董啟偉

(1.綠色建筑環(huán)境與節(jié)能技術(shù)北京市重點(diǎn)實驗室， 北京 100124； 2.北京工業(yè)大學(xué)城市建設(shè)學(xué)部，北京 100124;3.北京市市政工程設(shè)計研究總院有限公司， 北京 100082)

對于隧道通風(fēng)而言，縱向通風(fēng)系統(tǒng)由于其系統(tǒng)簡單、工程造價低、設(shè)備投資和運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)勢在隧道通風(fēng)及排煙系統(tǒng)中的使用越來越普遍[1]. 由于通風(fēng)風(fēng)向沿交通流方向，日常通風(fēng)可借助于交通風(fēng)力排出污染物，從而降低射流風(fēng)機(jī)的運(yùn)行費(fèi)用. 但隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時，火源上游盡管可通過實施臨界風(fēng)速產(chǎn)生無煙環(huán)境以利于人員逃生，但在火源下游，如無交通擁堵，汽車可盡快駛出隧道，以逃出危險的火災(zāi)環(huán)境. 但若下游發(fā)生交通擁堵或周期性的擁堵，縱向通風(fēng)系統(tǒng)能否使用仍是疑問.

1 縱向通風(fēng)在隧道煙氣控制中的應(yīng)用

關(guān)于縱向通風(fēng)系統(tǒng)在隧道火災(zāi)工況下的使用，世界公路學(xué)會PIARC[2-3]在其研究報告中建議：在不發(fā)生交通擁堵的單洞單向交通隧道可采用縱向通風(fēng)煙氣控制方式；對于可能發(fā)生交通擁堵的單向交通隧道或單洞雙向交通隧道，當(dāng)采用縱向通風(fēng)進(jìn)行煙氣控制時，需進(jìn)行風(fēng)險評估以確保安全，且火災(zāi)工況下應(yīng)根據(jù)交通量的不同采用不同的通風(fēng)運(yùn)行模式. 縱向通風(fēng)用于火災(zāi)工況時，其運(yùn)行控制策略為：對于沒有交通擁堵的單向交通隧道，通風(fēng)風(fēng)速應(yīng)阻止上游煙氣回流或使煙氣回流長度最短；對于有交通擁堵的單向隧道，在交通方向上應(yīng)施以較低的風(fēng)速，以減少煙氣向上游的擴(kuò)散，保持煙氣分層，從而能有助于隧道內(nèi)人員逃生.

歐盟的EU-Directive 2004/54/EC[4]規(guī)定：對于雙向交通隧道或交通擁堵的單向交通隧道，應(yīng)在進(jìn)行風(fēng)險分析或采取一些特殊的措施如進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕煌ò才拧⒂休^短的疏散通道距離或每隔一定距離可將煙氣排出等以確保安全的情況下可采用縱向通風(fēng)系統(tǒng).

美國NFPA 502[5]規(guī)定：對于縱向通風(fēng)煙氣控制系統(tǒng)，在行車方向上縱向風(fēng)速不應(yīng)小于臨界風(fēng)速以阻止煙氣的回流；為防止煙氣分層遭到破壞，初始時應(yīng)開啟遠(yuǎn)離火源處的射流風(fēng)機(jī)，火源附近的射流風(fēng)機(jī)不應(yīng)開啟.

我國的《公路隧道通風(fēng)設(shè)計細(xì)則：JTG/T D70/2-02—2014》[6]對于采用縱向排煙的單向交通隧道，火災(zāi)排煙設(shè)計時應(yīng)遵循：隧道內(nèi)的排煙方向應(yīng)與隧道行車方向相同，煙霧應(yīng)由隧道出口或就近排煙口排出；火災(zāi)煙霧在隧道內(nèi)的最大行程不宜大于5 000 m；縱向排煙風(fēng)速不應(yīng)小于臨界風(fēng)速.

綜合上述規(guī)定可以看出，對于單向無交通擁堵的隧道，縱向通風(fēng)排煙系統(tǒng)可無條件使用. 但對于有交通擁堵的單向隧道，若縱向通風(fēng)系統(tǒng)能與人員疏散相結(jié)合實施不同的通風(fēng)風(fēng)速控制策略，則也可使用.

隧道火災(zāi)中煙氣在不同縱向風(fēng)速作用下的流動示意圖如圖1所示，圖中v為縱向風(fēng)速，vc為臨界風(fēng)速.從圖1中可以看出，如果隧道內(nèi)縱向風(fēng)速小于臨界風(fēng)速，火源上游的煙氣有一定的回流，但火源上下游的煙氣仍可能維持一定的分層；若以臨界風(fēng)速通風(fēng)，則火源上游無煙氣回流，下游火源附近煙氣可能有一定的分層；若以大于臨界風(fēng)速的風(fēng)速通風(fēng)，在上游無煙氣，下游的煙氣分層完全遭到破壞，火源下游人員的逃生環(huán)境遭到破壞，無法保證人員的疏散安全.因此，若能在人員疏散初期施以較低的通風(fēng)風(fēng)速以保持煙氣分層，創(chuàng)造有利于人員疏散的環(huán)境，而人數(shù)疏散完畢后施以較大的風(fēng)速，輔助消防員滅火，則是縱向通風(fēng)用于交通擁堵隧道的最佳通風(fēng)運(yùn)行控制策略.無通風(fēng)時，雖說煙氣可以保持分層，但煙氣溫度及有害氣體濃度高，對人員的疏散有一定的影響.如果進(jìn)行一定的通風(fēng)，則有助于降低隧道內(nèi)煙氣的溫度和稀釋有毒氣體，但縱向通風(fēng)的風(fēng)速為多大，仍可保持煙氣分層，則需進(jìn)行進(jìn)一步的研究.

圖1 不同縱向風(fēng)速煙氣流動示意圖Fig.1 Smoke flow under different longitudinal ventilation speed

過往的研究表明，煙氣層的豎向分層特性與Froude數(shù)Fr有關(guān)[7-8]，其中

(1)

式中：ΔTcf=Tc-Tf，即隧道斷面頂棚溫度Tc與地面溫度Tf之差，K；Tavg為隧道斷面平均溫度，K；uavg=uTavg/Ta，其中，u為來流速度，m/s；Ta為環(huán)境溫度，K；g為重力加速度，9.8 m/s2；H為隧道高度，m.

Newman[7]的研究表明，F(xiàn)r<0.9時，煙氣分層能夠得以維持，當(dāng)Fr>10時，煙氣分層完全遭到破壞. 其他學(xué)者也對維持煙氣分層的Fr進(jìn)行了研究[8-12]，但不同學(xué)者的研究結(jié)果并不一致.

由于實際火災(zāi)中隧道內(nèi)煙氣流動和卷吸過程的復(fù)雜性，煙氣溫度、速度沿縱向及斷面高度方向的分布特性仍不能準(zhǔn)確地預(yù)測，要想準(zhǔn)確計算出Fr相對困難. 通過數(shù)值模擬或全尺寸實驗的方法，得到不同火源功率作用下，煙氣在不同縱向風(fēng)速作用下的分層效果，以此確定出不同火源功率作用下有利于人員疏散的煙氣分層的縱向風(fēng)速的臨界值，用于指導(dǎo)煙氣控制系統(tǒng)的有效運(yùn)行，是隧道火災(zāi)中常用的研究方法之一. 由于全尺寸實驗耗費(fèi)大、周期長、實驗工況有限. 基于此，本文將采用數(shù)值模擬的方法對低風(fēng)速作用下火災(zāi)煙氣的擴(kuò)散特性進(jìn)行研究，并在此基礎(chǔ)上找出不同火災(zāi)規(guī)模有利于火源上、下游人員疏散煙氣保持分層的適宜的風(fēng)速值，為隧道擁堵工況制定合理的通風(fēng)運(yùn)行策略提供依據(jù).

2 縱向通風(fēng)作用下隧道內(nèi)火災(zāi)環(huán)境的數(shù)值模擬研究

本研究采用美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院(National Institute of Science and Technology,NIST)開發(fā)的火災(zāi)動力學(xué)模擬專用軟件(fire dynamics simulator,FDS)對煙氣在隧道內(nèi)的擴(kuò)散特性進(jìn)行模擬評估. FDS是目前非常通用的研究火災(zāi)煙氣擴(kuò)散的場模型之一，該軟件自開發(fā)以來，經(jīng)過大量的實驗和實際工程驗證，取得令人滿意的結(jié)果[11]. 有關(guān)FDS的詳細(xì)技術(shù)及應(yīng)用介紹可參看其技術(shù)手冊和用戶手冊[13-14].

2.1 隧道模型的建立及模擬工況設(shè)定

本研究以城市交通隧道中常見的三車道隧道結(jié)構(gòu)為研究模型. 隧道斷面為矩形斷面，寬12.6 m,高6.0 m. 由于城市隧道中人行橫通道的間距一般為250.0 m，本研究假定某火災(zāi)發(fā)生在某橫通道入口附近，人員只能向兩側(cè)橫通道疏散，因此，模擬長度取500.0 m. 火源大小為6.0 m×1.8 m(長×寬)的面火源，距地面高度為1.5 m，火源位于隧道中間位置，模擬的隧道示意圖見圖2.

圖2 模擬隧道示意圖Fig.2 Sketch of the tunnel

城市地下道路內(nèi)通行車輛主要為小汽車，一般禁止大貨車及運(yùn)輸危險品的車輛通行. 根據(jù)國內(nèi)外隧道規(guī)范中推薦的不同類型車輛火災(zāi)的熱釋放率值[5-6]，本研究將對3種常見的火源功率5、20、30 MW煙氣擴(kuò)散的情況進(jìn)行研究. 由于保持煙氣分層需較低風(fēng)速，而隧道中一般都有一定的自然風(fēng)速，因此，模擬中將針對3種火源功率，分別施以1.0、1.5、2.0 m/s 3種通風(fēng)工況進(jìn)行研究，以確定出不同火源功率作用下，保證隧道內(nèi)人員安全疏散的較適宜的送風(fēng)風(fēng)速.

2.2 網(wǎng)格的劃分及邊界條件設(shè)定

FDS在其用戶指南[14]中建議：在模擬浮力羽流時，網(wǎng)格尺寸的確定可以參考特征火源直徑D與網(wǎng)格尺寸δx的比值，其中，特征火源直徑的定義為

(2)

式中：Q為火源熱釋放率，kW；ρa(bǔ)為周圍環(huán)境空氣的密度，kg/m3；cp為空氣的比熱，kJ/(kg·K).研究表明，當(dāng)D/δx的取值在4～16時，數(shù)值模型可以很好地解決火災(zāi)煙氣中的湍流問題[15].國內(nèi)有學(xué)者通過研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)網(wǎng)格尺寸取0.1D時，模擬結(jié)果與實驗結(jié)果吻合較好.

為兼顧計算精度和計算效率，本模擬中針對不同的火源功率工況擬采用相同的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，模擬中網(wǎng)格的劃分采用FDS提供的復(fù)合計算區(qū)域功能，在火源上下游各30.0 m范圍內(nèi)采用較細(xì)的網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸為0.15 m×0.15 m×0.15 m，其余區(qū)域網(wǎng)格尺寸為0.30 m×0.30 m×0.15 m. 隧道內(nèi)的初始環(huán)境溫度為20 ℃，隧道壁面設(shè)定材料為混凝土材料. 隧道左側(cè)邊界設(shè)定為速度邊界，右側(cè)邊界為自由邊界.

模擬結(jié)果中選取溫度和煙氣層為代表來討論實施不同通風(fēng)時隧道內(nèi)火災(zāi)環(huán)境的變化. 為顯示在隧道內(nèi)的溫度分布及溫度分層情況，沿縱向以火源為中心(火源左側(cè)為負(fù)坐標(biāo)，右側(cè)為正坐標(biāo))，在兩側(cè)各自400.0 m范圍內(nèi)每m間隔布置熱電偶樹，每個熱電偶樹上離地1.8、3.0、4.0、5.0 m處布置溫度測點(diǎn)(見圖2). 同時，在離火源每m間隔橫斷面測量煙氣層高度.

2.3 模擬結(jié)果分析與討論

火源功率為5 MW時，不同風(fēng)速作用下不同時刻火源兩側(cè)煙氣層高度及隧道中心斷面不同高度處溫度沿隧道的縱向分布見圖3～5，圖中Hs為斷面煙氣層高度，L為離火源的縱向距離，負(fù)號表示位于火源左側(cè). 由于火源處的煙氣溫度較高，為顯示以溫度表示的煙氣分層，各溫度分布圖中火源處的溫度在圖中無顯示. 由于溫度分布在本研究中是為了輔助說明隧道內(nèi)的煙氣環(huán)境狀況，為了減少文中圖的數(shù)量，溫度分布只給出360 s時的值. 根據(jù)NFPA 130[16]給出的溫度環(huán)境的最長忍受時間：80 ℃時耐受時間為3.8 min；60 ℃時耐受時間為10.1 min；50 ℃時為18.8 min；40 ℃時為 40.2 min. 因此，如果單一從溫度方面來考慮，50 ℃以下的火場溫度對人員逃生的影響不太大，人們應(yīng)可以安全逃生.

圖3 縱向風(fēng)速為1.0 m/s時隧道內(nèi)的煙氣層高度及隧道中心斷面不同高度處煙氣溫度的縱向分布(Q=5 MW)Fig.3 Longitudinal distributions of the smoke layer heights and the smoke temperature at different heights above the road level at the longitudinal velocity of 1.0 m/s (Q=5 MW)

從圖3(a)可以看出，當(dāng)隧道內(nèi)縱向風(fēng)速為1.0 m/s時，火源上游的煙氣回流長度約為90.0 m，火源上、下游仍能保持較好的煙氣分層，煙氣層高度約在2.5 m以上，除火源附近外，距地面3.0 m高度以下，煙氣層下部的溫度在40 ℃以下，有利于人員疏散.

當(dāng)縱向風(fēng)速增大到1.5 m/s以后，見圖4，火源上游煙氣的回流長度逐漸縮短，約為30.0 m，上游煙氣分層仍可保持，但火源下游附近的煙氣層完全被破壞，且由于火焰被吹向下游，火源附近下游溫度明顯升高，不利于人員疏散. 當(dāng)通風(fēng)風(fēng)速增大到2.0 m/s時，縱向風(fēng)速大于臨界風(fēng)速，見圖5，火源上游無煙氣回流，下游火源附近的煙氣層完全被破壞，且溫度較高，不利于下游人員疏散. 因此，對于5 MW的火源功率，當(dāng)火源上、下游人員都需疏散時，初始通風(fēng)設(shè)定為1.0 m/s即可滿足上下游人員安全疏散的要求. 當(dāng)人員安全疏散后，可施以臨界風(fēng)速或大于臨界風(fēng)速的風(fēng)速加強(qiáng)送風(fēng)，以輔助消防人員接近火源滅火.

圖4 縱向風(fēng)速為1.5 m/s時隧道內(nèi)的煙氣層高度及隧道中心斷面不同高度處煙氣溫度的縱向分布(Q=5 MW)Fig.4 Longitudinal distributions of the smoke layer heights and the smoke temperature at different heights above the road level at the longitudinal velocity of 1.5 m/s (Q=5 MW)

圖5 縱向風(fēng)速為2.0 m/s時隧道內(nèi)的煙氣層高度及隧道中心斷面不同高度處煙氣溫度的縱向分布(Q=5 MW)Fig.5 Longitudinal distributions of the smoke layer heights and the smoke temperature at different heights above the road level at the longitudinal velocity of 2.0 m/s (Q=5 MW)

圖6 縱向風(fēng)速為1.0 m/s時隧道內(nèi)的煙氣層高度及隧道中心斷面不同高度處煙氣溫度的縱向分布(Q=20 MW)Fig.6 Longitudinal distributions of the smoke layer heights and the smoke temperature at different heights above the road level at the longitudinal velocity of 1.0 m/s (Q=20 MW)

圖7 縱向風(fēng)速為1.5 m/s時隧道內(nèi)的煙氣層高度及隧道中心斷面不同高度處煙氣溫度的縱向分布(Q=20 MW)Fig.7 Longitudinal distributions of the smoke layer heights and the smoke temperature at different heights above the road level at the longitudinal velocity of 1.5 m/s (Q=20 MW)

圖8 縱向風(fēng)速為2.0 m/s時隧道內(nèi)的煙氣層高度及隧道中心斷面不同高度處煙氣溫度的縱向分布(Q=20 MW)Fig.8 Longitudinal distributions of the smoke layer heights and the smoke temperature at different heights above the road level at the longitudinal velocity of 2.0 m/s (Q=20 MW)

圖9 縱向風(fēng)速為1.0 m/s時隧道內(nèi)的煙氣層高度及隧道中心斷面不同高度處煙氣溫度的縱向分布(Q=30 MW)Fig.9 Longitudinal distributions of the smoke layer heights and the smoke temperature at different heights above the road level at the longitudinal velocity of 1.0 m/s (Q=30 MW)

當(dāng)火源功率為20 MW時，3種風(fēng)速作用下火源兩側(cè)煙氣層及溫度的縱向分布見圖6～8. 當(dāng)縱向風(fēng)速為1.0 m/s時，火源上游煙氣回流約為180 m，火源兩側(cè)能保持較好的煙氣分層，特別是火源下游；當(dāng)通風(fēng)風(fēng)速增大到1.5 m/s時，火源上游煙氣的回流長度約為120.0 m，火源附近下游的煙氣分層受到一定破壞，但基本還能保持在2.0 m以上，由于通風(fēng)使得火焰向下游傾斜，火源下游附近的溫度明顯升高，下游人員需盡早撤離；當(dāng)通風(fēng)風(fēng)速增大到2.0 m/s時，火源上游的煙氣回流長度縮短至60.0 m左右，火源下游附近的煙氣分層受到破壞，煙氣層高度低于2.0 m，加上火焰偏向下游形成的高溫，該環(huán)境不利于人員疏散. 因此，當(dāng)火源功率為20 MW時，若火源上、下游人員都需疏散，初始通風(fēng)設(shè)定為1.5 m/s以下，即可滿足上下游人員安全疏散的要求，風(fēng)速稍大時，火源下游附近的人員需盡快離開，以保證安全.

圖10 縱向風(fēng)速為1.5 m/s時隧道內(nèi)的煙氣層高度及隧道中心斷面不同高度處煙氣溫度的縱向分布(Q=30 MW)Fig.10 Longitudinal distributions of the smoke layer heights and the smoke temperature at different heights above the road level at the longitudinal velocity of 1.5 m/s (Q=30 MW)

圖11 縱向風(fēng)速為2.0 m/s時隧道內(nèi)的煙氣層高度及隧道中心斷面不同高度處煙氣溫度的縱向分布(Q=30 MW)Fig.11 Longitudinal distributions of the smoke layer heights and the smoke temperature at different heights above the road level at the longitudinal velocity of 2.0 m/s (Q=30 MW)

當(dāng)火源功率進(jìn)一步加大為30 MW時，煙氣層和溫度分布的模擬結(jié)果見圖9～11. 從圖9可以看出，若通風(fēng)風(fēng)速為1.0 m/s，火源上、下游煙氣層仍可維持，但上游離火源較遠(yuǎn)處煙氣層偏低，對上游人員疏散不利；當(dāng)通風(fēng)風(fēng)速增大到1.5 m/s時，上游的煙氣回流長度在140.0 m左右，上游的煙氣層高度有所提高，火源上、下游的煙氣層能維持在2.5 m以上的高度，有利于上、下游人員的疏散，但火源下游附近的環(huán)境溫度較高，火源附近的人員應(yīng)盡早疏散；當(dāng)通風(fēng)風(fēng)速增大到2.0 m/s時，火源上游的煙氣回流長度進(jìn)一步縮短，在75.0 m左右，上游的疏散環(huán)境進(jìn)一步改善，而火源下游附近的煙氣層受到破壞，且環(huán)境溫度極高，達(dá)300 ℃以上，不利于人員疏散. 因此，當(dāng)火源功率為30 MW時，較適宜的火源功率約為1.5 m/s.

3 結(jié)論

1) 縱向通風(fēng)若在火災(zāi)初期施以較低的通風(fēng)風(fēng)速，維持火源上、下游良好的煙氣分層，仍可用于交通擁堵的單向交通隧道，但火源功率較大時，該措施應(yīng)審慎使用.

2) 火源功率為5 MW時，1.0 m/s的通風(fēng)風(fēng)速即可滿足保持火源上、下游煙氣分層的要求；火源功率為20 MW時，1.0～1.5 m/s的風(fēng)速可滿足保持上、下游煙氣分層的要求；火源功率為30 MW時，較適宜的送風(fēng)風(fēng)速為1.5 m/s左右.

3) 當(dāng)火源功率較大時，盡管較低的通風(fēng)可以使火源上、下游在一定范圍內(nèi)維持煙氣分層，但隨著火災(zāi)持續(xù)時間的增加，火源下游隧道內(nèi)煙氣的溫度較高，不利于人員逃生，應(yīng)盡早將火源下游的人員及時疏散.