“L”型排風(fēng)斜井對隧道煙氣蔓延特性及排煙效率的影響研究

王豫港 趙江平

（西安建筑科技大學(xué)資源工程學(xué)院，陜西 西安 710055）

0 引言

近年來，我國隧道建設(shè)發(fā)展迅速，新型隧道結(jié)構(gòu)逐漸發(fā)展起來。長度大于3 km的特長公路隧道通常會將施工過程中留下的斜井用于隧道通風(fēng)，現(xiàn)有某特長公路隧道設(shè)計“L”型排風(fēng)斜井，以達到其無動力通風(fēng)的目的，由于排風(fēng)斜井?dāng)嗝孑^大，在發(fā)生火災(zāi)時，排風(fēng)斜井作為排煙通道對隧道內(nèi)煙氣蔓延特性和機械排煙將造成很大的影響。因此，研究“L”型排風(fēng)斜井對隧道火災(zāi)煙氣蔓延特性及排煙效率影響非常必要。

學(xué)者們在煙氣蔓延特性和排煙效率方面做了較多研究，KURIOKA H等［1］通過縮尺實驗，得出隧道火源上方頂棚最高溫度理論預(yù)測模型。LI YZ等［2］通過縮尺實驗，并結(jié)合火羽流理論，建立縱向通風(fēng)條件下隧道頂棚下方最高溫升預(yù)測模型。HUL H等［3-4］結(jié)合全尺寸公路隧道火災(zāi)實驗數(shù)據(jù)，并與理論方程進行了比較，得出煙溫的衰減速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于CO濃度衰減速度，CO沿隧道縱向呈指數(shù)分布。LUH等［5］分析了熱釋放速率及排煙速度對機械排煙口附近夾帶現(xiàn)象的影響，建立了下游煙氣溫度的簡化預(yù)測模型，并考慮了空氣卷吸對煙氣溫度變化的影響。胡嘉偉等［6］基于隧道火災(zāi)不同橫向火源位置的非對稱卷吸影響，通過模擬計算分析了中心火源和偏置火源產(chǎn)生的煙氣沿縱向最大溫升變化規(guī)律，提出偏置火源縱向空間最大頂棚溫升公式。陶亮亮等［7］研究了火源高度對隧道內(nèi)溫度分布及煙氣質(zhì)量流量的影響，火源高度對拱頂溫度分布有著明顯的影響，火源高度越高，火源附近溫度衰減越慢。HARISHR等［8］對浮力誘導(dǎo)隧道頂部通風(fēng)排煙系統(tǒng)下火源位置、通風(fēng)口間距、尺寸等對隧道內(nèi)溫度場的影響進行了研究，分析了單個和多個通風(fēng)口下火災(zāi)煙氣蔓延特性。VAUQUELI O等［9］運用低密度的混合氣體模擬火源，通過小尺寸試驗研究了排煙口布置、形狀及火源功率對機械排煙系統(tǒng)排煙效率的影響。以上學(xué)者研究了大量的隧道火災(zāi)溫度場、煙氣蔓延、排煙效率的影響因素及規(guī)律，但對“L”型排風(fēng)斜井的研究較少，本文采用PyroSim數(shù)值模擬，研究在不同火源熱釋放速率和不同火源位置，排風(fēng)斜井對煙氣蔓延特性、排煙效率的影響規(guī)律。

1 數(shù)值模擬模型

1.1 建立模型

本文采用PyroSim模擬隧道火災(zāi)，建立模型如圖1所示，隧道長3 650 m，寬10.5 m，高7.3 m，排風(fēng)斜井寬9.5 m，高6.7 m，隧道坡度1.8%。在隧道右側(cè)與隧道連接，隧道和排風(fēng)斜井截面均為拱形?；鹪次恢迷O(shè)置在距離排風(fēng)斜井入口右側(cè)25 m處，為邊長1 m×1 m的正方形正庚烷火，設(shè)置機械排煙口，位于排風(fēng)斜井入口左側(cè)22 m處。隧道壁面材料設(shè)置為輻射率為0.9的混凝土導(dǎo)熱材料。

圖1 隧道模型（單位：m）

1.2 工況設(shè)置

火源功率設(shè)置5、15、30 MW，分別對應(yīng)兩輛小汽車、面包車、重型卡車的最大火源功率。火源燃燒模型采用t2模型來反映燃燒時間和火源熱釋放速率的關(guān)系?；鹪垂β蔬_到最大的時間分別為163、286、400 s。

根據(jù)GB 50016—2014《建筑設(shè)計防火規(guī)范》（2018版）12.3.2條規(guī)定，機械排煙的排煙量選取100 m3/s，機械排煙口設(shè)置在排風(fēng)斜井入口左側(cè)22 m處。設(shè)置9種工況進行模擬研究（見表1），關(guān)閉狀態(tài)對應(yīng)無排風(fēng)斜井隧道。

表1 工況設(shè)計

1.3 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格尺寸可由無量綱表達式D*/x進行估算，D*/x取值在4~16之間較為準(zhǔn)確。其中D*為網(wǎng)格尺寸，x為火源特征直徑。

式中，D*為火源特征直徑，m；Q為熱釋放速率，kW；T∞為環(huán)境溫度，K，取T∞=293 K；∞為空氣密度，kg/m3，取∞=1.205 kg/m3；Cp為空氣的定壓熱容，取1.004 kJ/（kg·K）；g為重力加速度，取g=9.81 m/s2。

經(jīng)過網(wǎng)格無關(guān)性檢驗，5~30 MW的正庚烷火的網(wǎng)格尺寸加密設(shè)置范圍為0.182 5~0.932 5。根據(jù)網(wǎng)格計算準(zhǔn)則，合理劃分網(wǎng)格可節(jié)省計算時間且不影響模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，故對近火源網(wǎng)格尺寸加密設(shè)置為0.5 m，其余網(wǎng)格為1 m。

2 結(jié)果分析

2.1 溫度分布

2.1.1 最高溫升預(yù)測模型

頂棚最高溫升是判斷隧道火災(zāi)情況下結(jié)構(gòu)損壞的重要依據(jù)。前人的研究提出了不同的經(jīng)驗公式，其中廣泛應(yīng)用的是LI Y Z等［2］提出的經(jīng)驗公式，結(jié)合工況1—9的模擬數(shù)據(jù)，得出頂棚最高溫升修正擬合公式見式（2）：

如圖2所示，模擬結(jié)果與修正公式擬合良好，火源功率較小時，數(shù)據(jù)低于LI YZ的模型計算結(jié)果，原因是部分熱量通過火源下游排風(fēng)斜井排出，且隧道側(cè)壁對高溫?zé)煔獾南拗谱饔幂^小，高溫?zé)煔庋厮淼揽v向蔓延，使頂棚最高溫升降低。隨著火源功率增大，火源產(chǎn)生大量高溫?zé)煔?，隧道?cè)壁對高溫?zé)煔獾南拗谱饔迷鰪?，排風(fēng)斜井無法及時排出，使高溫?zé)煔饣亓髦了淼理斉?，造成煙氣積聚，故頂棚最高溫升高于LI Y Z的計算結(jié)果。

圖2 頂棚最高溫升模擬值與經(jīng)驗公式預(yù)測值對比

2.1.2 縱向溫度分布

由圖3可知，排風(fēng)斜井狀態(tài)對隧道頂棚最高溫度具有顯著影響，成為影響隧道縱向溫度分布狀態(tài)的主要因素。排風(fēng)斜井開啟，火源下游煙氣分流至排風(fēng)斜井內(nèi)，火源下游大量煙氣和熱量通過排風(fēng)斜井排出，隧道縱向溫度相較關(guān)閉狀態(tài)時顯著降低。

圖3 隧道頂棚溫度分布

排風(fēng)斜井開啟狀態(tài)下，高溫?zé)煔庠谂棚L(fēng)斜井入口處分流，一部分煙氣通過排風(fēng)斜井排出，一部分通過機械排煙排出。圖4是火源功率為15 MW時的溫度云圖，當(dāng)煙氣蔓延至排煙口處時溫度迅速衰減，溫度云圖上呈倒“V”型分布，火源上游高溫區(qū)域長度長于火源下游?；鹪垂β瘦^低時，排煙口處溫度中心火源要略高于右側(cè)火源，火源功率增大至30 MW時，大量高溫?zé)煔庋杆俪錆M隧道頂棚，中心火源與右側(cè)火源幾乎無差異。

圖4 火源功率15 MW工況的隧道溫度分布云圖

圖5為工況1—9的排煙口溫度，排風(fēng)斜井開啟狀態(tài)下，高溫?zé)煔庋厮淼理斉锵蛩淼纼啥寺樱噍^于關(guān)閉狀態(tài)下，高溫?zé)煔饨?jīng)過分流，排煙口溫度比關(guān)閉狀態(tài)下低10~60℃。隨著火源功率的增大，煙氣量增多，高溫?zé)煔庠谂艧熆谔幘奂?，排煙口溫度超過300℃，超出規(guī)范中規(guī)定的最高工作溫度250℃。

圖5 工況1—9排煙口溫度

2.1.3 溫度縱向衰減

根據(jù)HUL H等［3］實驗數(shù)據(jù)及所列公式，結(jié)合本文模擬數(shù)據(jù)確定頂棚溫度縱向衰減呈冪指數(shù)分布，公式如式（3）所示：

式中，Tx為距參考點x（m）處頂棚溫度，℃；Tmax為頂棚最高溫度，℃；T0為環(huán)境溫度，℃。

如圖6所示，排風(fēng)斜井位于火源下游，當(dāng)排風(fēng)斜井處于開啟狀態(tài)時，火源上游和下游溫度分布存在差異，火源下游煙氣和熱量從排風(fēng)斜井排出，下游頂棚溫度低于上游頂棚溫度，火源下游溫度衰減速率高于火源上游，火源功率和衰減速率差值呈正相關(guān)。

圖6 排風(fēng)斜井開啟狀態(tài)火源上下游溫度縱向衰減

排風(fēng)斜井處于關(guān)閉狀態(tài)時，無排風(fēng)斜井的“分流作用”排出熱量，頂棚最高溫度高出開啟狀態(tài)下的25.73%~38.42%，導(dǎo)致排風(fēng)斜井關(guān)閉狀態(tài)下的頂棚縱向溫度衰減速率高于開啟狀態(tài)下的衰減速率。

圖7排風(fēng)斜井不同狀態(tài)、不同火源功率火源下游溫度縱向衰減

圖7為排風(fēng)斜井不同狀態(tài)、不同火源功率火源下游溫度縱向衰減圖，火源功率和排風(fēng)斜井不同狀態(tài)頂棚最高溫度衰減速率差值呈負(fù)相關(guān)，隨著火源功率的增大，排風(fēng)斜井的“分流作用”對頂棚最高溫度的影響逐漸減小，排風(fēng)斜井兩種狀態(tài)下的溫度衰減速率差值減小。

2.2 CO分布

2.2.1 CO縱向分布

圖8（a）為各工況隧道頂棚CO體積分?jǐn)?shù)分布，與溫度分布相似，火源上方CO濃度最高，沿隧道縱向逐漸降低，火源位于隧道右側(cè)時，CO濃度分布比中心火源低，隨著火源功率增大，濃度差值越大。煙氣蔓延一段距離后，煙氣層逐漸達到穩(wěn)態(tài)，達到穩(wěn)態(tài)之后的濃度平均比火源上游低17.42%。圖中標(biāo)注為標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定長度大于3 km的隧道的最大CO設(shè)計濃度線，火源功率不超過30 MW，排風(fēng)斜井開啟時工況1—6最大值未超過設(shè)計濃度最大值。

圖8 CO體積分?jǐn)?shù)分布

圖8（b）為工況1—9人眼特征高度CO體積分?jǐn)?shù)分布圖，考慮到隧道疏散平臺高度，選取2 m高度為人眼特征高度［10］?；馂?zāi)發(fā)生10 min時，工況1—9人眼特征高度處CO濃度未超過安全標(biāo)準(zhǔn)，排風(fēng)斜井開啟，3種火源功率對應(yīng)的人眼特征高度CO濃度相較于斜井關(guān)閉時顯著降低。

2.2.2 CO縱向衰減

火源產(chǎn)生的煙氣羽流首先自由向上發(fā)展，羽流撞擊隧道頂棚后開始沿隧道頂棚橫向擴散到達隧道兩邊側(cè)壁，然后沿隧道縱向往火源兩側(cè)的上下游蔓延，隨著蔓延距離的增加，煙氣的運動逐漸過渡到一維水平蔓延階段［11］。

本文通過 表示CO縱向衰減速率，見式（4）：

式中，為CO縱向衰減系數(shù)；Cx為參考點x處頂棚CO體積分?jǐn)?shù)，10-6；C0為火源處頂棚CO體積分?jǐn)?shù)，10-6。

火源下游CO衰減見圖9（a），近火源區(qū)CO衰減速率最快，煙氣進入一維蔓延狀態(tài)，CO衰減速率明顯降低并保持穩(wěn)定。在火源下游22~32 m處煙氣經(jīng)過排風(fēng)斜井分流之后，CO濃度降低，衰減速率小幅度加快，之后逐漸穩(wěn)定?；鹪瓷嫌蜟O衰減見圖9（b），排風(fēng)斜井關(guān)閉狀態(tài)下，CO衰減速率大體與火源下游類似，排風(fēng)斜井開啟狀態(tài)下，下游衰減速率明顯快于上游衰減速率。

圖9 工況1—9 CO衰減

2.3 排煙效率

排煙效率體現(xiàn)了隧道的煙氣排出情況，是衡量隧道排煙效果的重要參數(shù)。本文排煙系統(tǒng)在火源下游，將火源下游CO質(zhì)量流率與排煙系統(tǒng)排出質(zhì)量流率比值作為隧道的排煙效率，可得式（5）：

式中，為排煙效率；qcod為排出煙氣中CO質(zhì)量流率，kg/s；qcog為火源下游煙氣中CO質(zhì)量流率，kg/s。

圖10（a）為3種情況下機械排煙效率，火源功率和火源位置對機械排煙效率幾乎無影響，排風(fēng)斜井處于開啟狀態(tài)時的機械排煙效率平均低于關(guān)閉狀態(tài)下機械排煙效率的15.1%。主要原因是排風(fēng)斜井的“分流作用”將火源下游一部分煙氣通過排風(fēng)斜井排出，降低了機械排煙口煙氣層厚度，使機械排煙效率降低。但隧道整體排煙效率顯著提升，如圖10（b）所示，排風(fēng)斜井開啟狀態(tài)下，隧道的整體排煙效率相較于關(guān)閉狀態(tài)下提高了22.76%。

圖10 不同工況排煙效率對比

3 結(jié)論

1）通過數(shù)值模擬，提出了頂棚最高溫升修正公式，在較大火源功率條件下，排風(fēng)斜井的“分流作用”有效降低隧道整體溫度，使機械排煙口溫度處于250℃以下，可有效降低隧道結(jié)構(gòu)損壞、設(shè)備失效風(fēng)險。

2）隧道頂棚溫度衰減呈冪指數(shù)分布；斜井開啟時，火源下游溫度縱向衰減速率大于上游衰減速率，火源功率和火源上下游衰減速率差值呈正相關(guān)；斜井關(guān)閉狀態(tài)下溫度縱向衰減速率大于開啟狀態(tài)下衰減速率，火源功率和衰減速率差值呈負(fù)相關(guān)。

3）隧道頂棚CO分布與溫度分布類似，排風(fēng)斜井開啟，隧道CO濃度未超過設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，有效降低人眼特征高度處CO濃度，降低人員疏散及救援風(fēng)險。排風(fēng)斜井對CO衰減速率影響較大，火源功率和CO縱向衰減速率呈正相關(guān)。

4）火源位置和火源功率對機械排煙效率幾乎無影響；排風(fēng)斜井開啟狀態(tài)下，機械排煙效率相較于關(guān)閉狀態(tài)時降低，但隧道整體排煙效率顯著提高。