環(huán)境風(fēng)作用下淺埋隧道自然排煙豎井組高度研究*

李森生

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 武漢 430063)

0 引言

自然通風(fēng)豎井因其運(yùn)營更加經(jīng)濟(jì)環(huán)保，已成為城市淺埋隧道的重要設(shè)計(jì)方式[1-2]。相較于整體式單口豎井布置，分離式豎井組可增強(qiáng)豎井排煙效果[3]。自然排煙豎井是利用煙囪效應(yīng)進(jìn)行排煙，其排煙效果受豎井高度和外界環(huán)境風(fēng)共同影響，故環(huán)境風(fēng)作用下自然排煙豎井組高度的確定非常重要。

部分學(xué)者已對隧道豎井高度展開研究。LI Y 等[4]通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)豎井高度的增加可增強(qiáng)自然排煙效果；鄒金杰等[5]提出豎井臨界高度的概念并建立預(yù)測模型；ZHAO S Z等[6]和ZHANG S G等[7]通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)豎井中煙氣質(zhì)量流量隨豎井高度的增加而增加，且豎井高度到達(dá)臨界值后，質(zhì)量流量增加緩慢；ZHAO P等[8]通過1/20縮尺寸實(shí)驗(yàn)研究縱向著火位置、HRR對自然排煙隧道煙氣蔓延的影響，發(fā)現(xiàn)臨界豎井高度與HRR無關(guān)，提出預(yù)測臨界豎井高度的理論模型；鐘委等[9]研究堵塞情況下環(huán)境風(fēng)對自然排煙效果的影響；JIANG X P等[10]通過數(shù)值模擬研究豎井?dāng)?shù)量、位置和熱釋放速率對自然排煙的影響。綜上，前人大多僅對豎井高度或環(huán)境風(fēng)開展排煙效果研究，較少有不同豎井高度和環(huán)境風(fēng)速對自然排煙豎井組排煙效果的影響研究。

本文采用Fluent數(shù)值模擬，對不同環(huán)境風(fēng)速(0～9 m/s)和豎井高度(4～8 m)下的隧道自然排煙效果進(jìn)行研究，以期得到不同環(huán)境風(fēng)作用下最優(yōu)豎井組高度。

1 數(shù)值模擬

1.1 建模尺寸

以武漢市某湖底隧道自然排煙段為原型，采用ANSYS軟件SCDM構(gòu)建長500 m×寬12 m×高6 m的計(jì)算模型，設(shè)置2組由3口豎井組成的豎井組，豎井截面尺寸為長2 m×寬8 m，豎井組間距為120 m。

外部流體域按照出入口距豎井4H～5H(H為豎井高度)，側(cè)面和頂面距離豎井5H～8H的原則，最終確定豎井外部流體域?yàn)殚L240 m×寬120 m×高40 m，如圖1所示。

圖1 隧道模型

1.2 火災(zāi)工況設(shè)定

設(shè)中巴車火災(zāi)熱釋放率為20 MW[11]，火源為長10 m×寬2 m×高0.5 m，位于兩豎井組的中間位置，采用體積熱源法進(jìn)行火災(zāi)模擬[12]。武漢市全年平均風(fēng)速為2.7 m/s，風(fēng)向?yàn)闁|風(fēng)[13]。考慮不同豎井高度和環(huán)境風(fēng)速，設(shè)模擬工況如表1所示。

表1 數(shù)值模擬工況

1.3 網(wǎng)格靈敏度分析

模型整體采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，選取0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.8 m等6種網(wǎng)格尺寸進(jìn)行靈敏度分析，如圖2所示。由圖可知，網(wǎng)格尺寸為0.4、0.3、0.2、0.1 m時(shí)，其溫度分布曲線相近，故選用0.4 m×0.4 m×0.4 m的網(wǎng)格，并將火源和豎井附近網(wǎng)格加密為0.2 m×0.2 m×0.2 m。

圖2 網(wǎng)格敏感性分析

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 隧道及豎井溫度場分布

隧道內(nèi)及豎井外部溫度場分布及隧道內(nèi)高溫區(qū)域?qū)Ρ热鐖D3～圖6所示。由圖3、圖5可知，無環(huán)境風(fēng)作用下，隧道內(nèi)高溫區(qū)域(溫度高于60 ℃)隨豎井高度的增加而減小。當(dāng)豎井高度H<6 m時(shí)，兩豎井間高溫區(qū)域范圍較??；當(dāng)豎井高度H>6 m時(shí)，兩豎井間高溫區(qū)域范圍較大。當(dāng)豎井高度H>6 m時(shí)，3#豎井(距離火源最遠(yuǎn)的豎井)下方出現(xiàn)低溫區(qū)域，即發(fā)生了吸穿現(xiàn)象，如圖6所示。

圖3 豎井高度對隧道溫度場影響對比

圖4 環(huán)境風(fēng)速對隧道溫度場影響對比

(a)H=4 m

圖6 3#豎井發(fā)生吸穿現(xiàn)象示意

由圖3、圖4可知，環(huán)境風(fēng)將導(dǎo)致隧道內(nèi)高溫區(qū)域增大。存在環(huán)境風(fēng)時(shí)，當(dāng)豎井高度H<6 m時(shí)，隧道內(nèi)高溫區(qū)域隨豎井高度的增加而減小；當(dāng)豎井高度H=6 m時(shí)，隧道內(nèi)高溫區(qū)域最??；當(dāng)豎井高度H>6 m時(shí)，隧道內(nèi)高溫區(qū)域隨豎井高度的增加而增大。當(dāng)豎井高度H>6 m時(shí)，隧道內(nèi)高溫區(qū)域隨環(huán)境風(fēng)的增大而增大；當(dāng)豎井高度H<6 m時(shí)，隧道內(nèi)高溫區(qū)域隨環(huán)境風(fēng)的增大先增大，當(dāng)環(huán)境風(fēng)速>2 m/s時(shí)，隧道內(nèi)高溫區(qū)域隨環(huán)境風(fēng)的增大而減小，當(dāng)環(huán)境風(fēng)速>4 m/s時(shí)，隧道內(nèi)高溫區(qū)域隨環(huán)境風(fēng)的增大而緩慢增大。

2.2 豎井組煙氣質(zhì)量流量

不同環(huán)境風(fēng)和豎井高度下的豎井組CO2質(zhì)量流量如圖7、圖8所示。不同環(huán)境風(fēng)作用下，豎井組附近CO2質(zhì)量流量基本隨豎井高度的增加而增大。環(huán)境風(fēng)的存在阻礙豎井組排煙，當(dāng)豎井高度H>6 m時(shí)，環(huán)境風(fēng)越大，排煙效果越差；當(dāng)豎井高度H<6 m時(shí)，一定程度的弱環(huán)境風(fēng)可以增強(qiáng)豎井排煙效果。

圖7 不同環(huán)境風(fēng)速下CO2質(zhì)量流量隨豎井高度變化

圖8 不同豎井高度下CO2質(zhì)量流量隨環(huán)境風(fēng)速變化

豎井高度H=6、8 m時(shí)的豎井組CO2質(zhì)量流量如圖9、圖10所示。當(dāng)豎井高度H=6 m時(shí)，弱環(huán)境風(fēng)的存在使得豎井組內(nèi)3口豎井都可以較好地進(jìn)行排煙，增強(qiáng)了豎井組排煙效果；而強(qiáng)環(huán)境風(fēng)的存在抑制了1#、2#豎井的排煙效果，導(dǎo)致總體排煙效果較差。當(dāng)豎井高度H=8 m時(shí)，隨著環(huán)境風(fēng)的增大，1#豎井排煙效果逐漸減弱，2#豎井排煙效果基本保持不變，而3#豎井排煙效果逐漸增強(qiáng)。

圖9 豎井高度H=6 m時(shí)豎井組內(nèi)各豎井CO2質(zhì)量流量

圖10 豎井高度H=8 m時(shí)豎井組內(nèi)各豎井CO2質(zhì)量流量

2.3 豎井組流場分布

無環(huán)境風(fēng)條件下，豎井組內(nèi)流場分布如圖11所示。由圖可知，豎井組內(nèi)最大流速可達(dá)4 m/s，最小流速為-2 m/s。1#豎井(距離火源最近的豎井)內(nèi)流速最大，達(dá)3 m/s以上；不同豎井高度下的1#豎井內(nèi)都存在渦流區(qū)，這是由于豎井和隧道頂板連接處是一個(gè)直角，煙氣在流經(jīng)豎井時(shí)出現(xiàn)邊界層分離現(xiàn)象，在1#豎井左側(cè)壁面出現(xiàn)逆壓梯度，豎井內(nèi)部煙氣與空氣卷吸混合，在1#豎井左側(cè)壁面附近形成漩渦，影響排煙效率；當(dāng)豎井高度H=6、7 m時(shí)，豎井內(nèi)渦流區(qū)面積較小，排煙效率最高；當(dāng)豎井高度H=8 m時(shí)，在豎井右上角出現(xiàn)小范圍逆流現(xiàn)象。2#豎井內(nèi)流速基本處于0.5～2.5 m/s，僅當(dāng)豎井高度H=6 m時(shí)，豎井內(nèi)不存在渦流區(qū)，對豎井組排煙效果起到較好的輔助作用；當(dāng)豎井高度H>6 m時(shí)，豎井內(nèi)風(fēng)流較紊亂，嚴(yán)重影響豎井組排煙效率。3#豎井內(nèi)流速基本在0.5 m/s以下，排煙效率較差，當(dāng)豎井高度H=6 m時(shí)，豎井內(nèi)風(fēng)流流向最穩(wěn)定；當(dāng)豎井高度H>6 m時(shí)，豎井內(nèi)出現(xiàn)逆流現(xiàn)象，其主要原因是煙氣蔓延至3#豎井時(shí)，煙氣溫度大幅降低，熱浮力接近零，同時(shí)1#、2#豎井對下游煙氣存在抽吸作用，導(dǎo)致隧道內(nèi)壓強(qiáng)小于隧道外壓強(qiáng)，引起空氣倒吸。因此，當(dāng)豎井高度增加到一定程度后，繼續(xù)增加豎井高度不會增強(qiáng)排煙效果，反而會阻礙豎井排煙。

(a)1#，H=4 m (b)1#，H=5 m (c)1#，H=6 m (d)1#，H=7 m (e)1#，H=8 m

存在環(huán)境風(fēng)時(shí)，豎井組內(nèi)流場分布如圖12所示。當(dāng)豎井高度H=6 m時(shí)，無環(huán)境風(fēng)和弱環(huán)境風(fēng)條件下，1#豎井內(nèi)流線分布和最大流速區(qū)別較小，但弱環(huán)境風(fēng)條件下2#、3#豎井內(nèi)流速明顯高于無環(huán)境風(fēng)情況，對豎井組排煙起到良好的輔助作用。當(dāng)環(huán)境風(fēng)持續(xù)增大時(shí)，3口豎井內(nèi)都出現(xiàn)較大渦流區(qū)，嚴(yán)重阻礙豎井組排煙。當(dāng)豎井高度H=7 m時(shí)，弱環(huán)境風(fēng)條件下，3口豎井內(nèi)都出現(xiàn)渦流區(qū)，一定程度上影響豎井組排煙。當(dāng)豎井組高度H=8 m時(shí)，3口豎井內(nèi)都出現(xiàn)渦流區(qū)，且隨著環(huán)境風(fēng)的增大，渦流區(qū)面積增大，阻礙豎井組排煙。因此，當(dāng)豎井高度H<6 m時(shí)，弱環(huán)境風(fēng)的存在促進(jìn)豎井組排煙，強(qiáng)環(huán)境風(fēng)的存在阻礙豎井組排煙。當(dāng)豎井組高度H>6 m時(shí)，環(huán)境風(fēng)的存在阻礙豎井組排煙，且環(huán)境風(fēng)越大，豎井組排煙效果越差。

圖12 不同環(huán)境風(fēng)速下豎井內(nèi)部流場分布

3 結(jié)論

采用數(shù)值模擬研究5種豎井高度和10種環(huán)境風(fēng)速下，隧道內(nèi)溫度場分布、CO2質(zhì)量流量及流場分布，得到如下結(jié)論：

(1)無環(huán)境風(fēng)作用下，隧道內(nèi)高溫區(qū)域隨豎井高度的增加而減小，當(dāng)豎井高度H>6 m時(shí)，兩豎井間高溫區(qū)域較大。存在環(huán)境風(fēng)時(shí)，當(dāng)豎井高度H<6 m時(shí)，隧道內(nèi)高溫區(qū)域隨豎井高度的增加而減小；當(dāng)豎井高度H>6 m時(shí)，隧道內(nèi)高溫區(qū)域隨豎井高度的增加而增大。當(dāng)豎井高度H<6 m時(shí)，弱環(huán)境風(fēng)的存在可以減小隧道內(nèi)高溫區(qū)域范圍。

(2)不同環(huán)境風(fēng)作用下，豎井組附近CO2質(zhì)量流量隨豎井高度的增加而增大。環(huán)境風(fēng)的存在阻礙豎井組的排煙，當(dāng)豎井高度H>6 m時(shí)，環(huán)境風(fēng)越大，排煙效果越差；當(dāng)豎井高度H≤6 m時(shí)，弱環(huán)境風(fēng)可以增強(qiáng)豎井排煙效果；豎井高度H=6 m時(shí)，豎井排煙效果最好。