縱向風(fēng)下隧道頂部和側(cè)向排煙特性對(duì)比研究

周偉軍 徐夢(mèng)一 袁中原

（1.北京市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司成都分公司 成都 610096；2.西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 成都 610031）

0 引言

隧道因其特殊的管狀封閉結(jié)構(gòu)，在發(fā)生火災(zāi)時(shí)常伴隨著高溫、能見度低、排煙困難，會(huì)造成逃生疏散困難，隧道結(jié)構(gòu)嚴(yán)重破壞等后果[1]。通過(guò)設(shè)計(jì)一個(gè)合理的排煙系統(tǒng)，能夠及時(shí)有效地降低煙氣溫度并控制煙氣蔓延及沉降，對(duì)于減輕人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失尤為重要。

前人關(guān)于隧道頂棚排煙系統(tǒng)的研究主要集中在其排煙效果和吸穿現(xiàn)象。Ingason H 等[2]發(fā)現(xiàn)如果從兩側(cè)提供足夠的新風(fēng)，限制火源和排煙口或兩個(gè)排煙口之間的區(qū)域，就可以建立起有效的排煙系統(tǒng)。Ji 等[3]進(jìn)行了一組燃燒實(shí)驗(yàn)，揭示了排煙口高度和排風(fēng)速度對(duì)機(jī)械排煙效率的影響，結(jié)果表明，較高的排煙口或較小的排煙速度，排煙效率更高，并使用弗勞德數(shù)預(yù)測(cè)了吸穿現(xiàn)象的發(fā)生。He L 等[4]研究了機(jī)械排煙口附近的卷吸現(xiàn)象，結(jié)果表明，隨著火源功率和排煙速度的增加，卷吸的空氣量增加。Tang 等[5,6]通過(guò)進(jìn)行小尺寸試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)火源和頂棚排煙口的相對(duì)方向?qū)熶h流速有較大影響。王明年等人[7]進(jìn)行了1:4.8 的小尺寸試驗(yàn)，同時(shí)用FDS建立了全尺寸的數(shù)值模擬，研究了不同的排煙策略（改變縱向風(fēng)速和排煙風(fēng)速）對(duì)縱向通風(fēng)和豎井通風(fēng)的耦合系統(tǒng)的影響。

近年來(lái)，側(cè)向機(jī)械排煙系統(tǒng)（在隧道側(cè)壁設(shè)置排煙口）在隧道中得到了較多的采用。Xu 等[8]使用數(shù)值模擬研究了隧道側(cè)向機(jī)械排煙系統(tǒng)。提出了排熱系數(shù)的預(yù)測(cè)模型，并對(duì)吸穿現(xiàn)象進(jìn)行了定性分析。袁園[9]和張甫仁[10]等人利用FDS 數(shù)值模擬研究方法研究了排煙口參數(shù)、排煙風(fēng)量以及縱向通風(fēng)風(fēng)速對(duì)公路隧道側(cè)向集中排煙系統(tǒng)的影響，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的排煙效率隨排煙風(fēng)量的增加呈現(xiàn)先增后減的變化趨勢(shì)，并針對(duì)簡(jiǎn)化公路隧道模型得到了較為合理的排煙控制策略。姜學(xué)鵬[11]等人利用數(shù)值模擬初步分析了隧道側(cè)部單點(diǎn)集中排煙模式下的煙氣逆流行為進(jìn)行研究，探討了火源功率、縱向風(fēng)速、排煙量以及排煙口與火源相對(duì)位置對(duì)煙氣逆流長(zhǎng)度的影響。

目前隧道內(nèi)對(duì)集中排煙系統(tǒng)相關(guān)研究的重點(diǎn)大部分都在頂棚集中排煙，而若隧道地鐵等建筑無(wú)法在頂棚安裝排煙管道，便可使用側(cè)向排煙系統(tǒng)。對(duì)于縱向風(fēng)下的機(jī)械排煙，風(fēng)口位置的不同對(duì)隧道火災(zāi)煙氣特性分布有很大的不同，然而，大多學(xué)者僅研究一種通風(fēng)系統(tǒng)，關(guān)于縱向風(fēng)和頂部或側(cè)向排煙耦合系統(tǒng)的研究以及排煙效果的對(duì)比研究較少。本文采用火災(zāi)數(shù)值模擬軟件FDS 對(duì)縱向風(fēng)下兩種排煙系統(tǒng)的煙氣分布特性進(jìn)行了研究。

1 數(shù)值模擬

本文選取某山嶺隧道建立幾何模型，如圖1 所示，隧道斷面上部取半徑6m 的半圓，下部取高為1.4m 矩形，隧道寬12m，高7.4m，模擬隧道的入口至火源段與風(fēng)口至出口段的長(zhǎng)度不變，距離和為500m，火源與風(fēng)口的間距變化。將火源設(shè)置在隧道縱向中軸線上，火源與排煙風(fēng)口的相對(duì)位置如圖2 所示，其中A 位置距隧道入口250m，B 位置距排煙風(fēng)口處500m，C 位置距排煙風(fēng)口處1000m。

圖1 頂部機(jī)械排煙系統(tǒng)示意圖Fig.1 The picture of the top mechanical smoke exhaust system

圖2 火源位置示意圖Fig.2 The picture of fire source position

兩種機(jī)械排煙系統(tǒng)的排煙口形狀和大小完全一致，寬為5m，其內(nèi)邊緣距隧道入口320m，寬為5m，設(shè)置了五種不同的風(fēng)口長(zhǎng)度：1m、5m、7m、10m、15m。頂部機(jī)械排煙系統(tǒng)風(fēng)口設(shè)置如圖1 所示，排煙口位于隧道頂棚中軸線上；側(cè)向排煙系統(tǒng)的設(shè)置如圖3 所示，排煙口位于隧道側(cè)壁，其下邊緣與隧道底部平齊。兩種機(jī)械排煙系統(tǒng)的排煙量均設(shè)置在60-180m3/s 之間。在隧道縱向中軸線上設(shè)置了縱向溫度測(cè)點(diǎn)和CO 濃度測(cè)點(diǎn)及其切片，間隔為10m；分別在排煙口前30m、10m、5m 和排煙口后5m、10m、20m 處設(shè)置了豎向和橫向的溫度測(cè)點(diǎn)和CO 濃度測(cè)點(diǎn)；在排煙口與隧道交界面處設(shè)置速度測(cè)點(diǎn)，用于監(jiān)測(cè)排煙變化情況，有關(guān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置如圖4 所示。

圖3 側(cè)向機(jī)械排煙系統(tǒng)示意圖Fig.3 The picture of lateral mechanical smoke exhaust system

圖4 測(cè)點(diǎn)位置分布示意圖Fig.4 Location distribution map of measuring points

本文選取5MW、10MW、30MW 三種火源熱釋放率進(jìn)行數(shù)值模擬研究，總模擬時(shí)間為600s。隧道壁面的材料設(shè)置為“concrete”，厚度為0.5m，環(huán)境初始溫度設(shè)置為25℃。本文研究的是縱向風(fēng)下的隧道火災(zāi)排煙，在隧道入口與隧道交界面處設(shè)置“supply”，向隧道內(nèi)送風(fēng)，風(fēng)速設(shè)為臨界風(fēng)速（回流長(zhǎng)度為0），經(jīng)過(guò)多次模擬試算，得到的不同工況下的臨界風(fēng)速如表1 所示；在隧道出口與計(jì)算區(qū)域邊界處設(shè)置為開口條件。隧道火災(zāi)數(shù)值模型如圖5 所示。

表1 不同工況下的臨界風(fēng)速結(jié)果Table 1 Critical wind speed results under different operating conditions

圖5 數(shù)值模型示意圖Fig.5 The picture of the numerical model

本文開展了1:10 縮尺模型隧道試驗(yàn)，選取火源熱釋放率為5.68kW，火源位于隧道縱向中心位置，排煙口尺寸長(zhǎng)為0.1m，寬為0.5m，縱向風(fēng)速為0.62m/s，排煙量為180m3/h，環(huán)境溫度為35℃的典型試驗(yàn)工況驗(yàn)證了本文數(shù)值模型的準(zhǔn)確性，如圖6 所示，數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，可用于模擬計(jì)算隧道火災(zāi)。

圖6 數(shù)值模擬驗(yàn)證結(jié)果Fig.6 The result of the numerical simulation verification

為了便于分析和說(shuō)明，定義火源到風(fēng)口之間的區(qū)域?yàn)榛鹪炊危L(fēng)口到隧道出口的區(qū)域?yàn)榉腔鹪炊?。本?jié)使用的縱向風(fēng)速均為臨界風(fēng)速。

2 煙氣特性

2.1 煙氣縱向分布規(guī)律

圖7（a）為火源功率為10MW，火源位于A位置，兩種風(fēng)口位置的縱向溫度分布規(guī)律。在火源段時(shí)，頂部排煙和側(cè)壁排煙的頂部煙氣溫度分布幾乎沒(méi)有區(qū)別，而排煙口后方的縱向溫度要高于風(fēng)口在側(cè)壁時(shí)的溫度。這說(shuō)明在火源段高溫?zé)煔獠粫?huì)卷吸來(lái)自排煙口后方的補(bǔ)風(fēng)氣流，補(bǔ)風(fēng)氣流一部分經(jīng)過(guò)排煙口直接排出，一部分與擴(kuò)散到排煙口后方的熱煙氣混合從出口排出。

圖7 隧道頂壁煙氣特性分布Fig.7 The smoke characteristics distribution of tunnel beneath ceiling

而在非火源段，頂部排煙系統(tǒng)風(fēng)口處的頂壁煙氣溫度有明顯突變，溫度明顯低于火源段，而側(cè)壁排煙系統(tǒng)風(fēng)口處的溫度沒(méi)有明顯突變，風(fēng)口外的溫度梯度與火源段接近，溫度隨著離火源距離的增加而減小。這是由于兩種排煙方式的煙氣吸入方式差別較大。一方面，側(cè)風(fēng)口上邊緣低于隧道頂壁，通過(guò)側(cè)壁排煙口排出的煙氣主要來(lái)自排煙口上方和正前方的煙氣層，排煙需要克服的浮力較大，因此排出的氣體中煙氣占比較少；另一方面，由于側(cè)向排煙口更接近煙氣層與空氣邊界，煙氣層的不穩(wěn)定加劇了空氣的卷吸，使得通過(guò)排煙口排出的混合氣體含有大量空氣，仍有大量高溫?zé)煔庠竭^(guò)排煙口向后擴(kuò)散，非火源段的溫度未得到有效降低。而頂部排煙口排出的煙氣主要來(lái)自風(fēng)口正下方的煙氣層，排出的氣體中的煙氣含量高，越過(guò)排煙口的煙氣少，頂壁溫度得到有效降低。

圖7（b）為火源功率為5MW，不同風(fēng)口位置對(duì)CO 濃度縱向分布的影響。從圖中可以看出，兩種風(fēng)口位置對(duì)火源段的CO濃度縱向分布幾乎沒(méi)有影響，火源附近的濃度衰減較快，在離開火源一段距離后，頂壁縱向CO 濃度分布衰減變慢。這是因?yàn)榛鹪锤浇敱诘臒煔鈹U(kuò)散為三維擴(kuò)散流動(dòng)，而隨著離火源距離變遠(yuǎn)，由于側(cè)壁的限制，煙氣變?yōu)檠厮淼揽v向的一維擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。在非火源段，頂部排煙在風(fēng)口處CO 濃度驟減，而側(cè)向排煙的濃度變化很小，整體CO 濃度高于頂部排煙。

由以上分析可知，兩種排煙方式的頂壁煙氣特性在火源段內(nèi)無(wú)明顯區(qū)別，而在非火源段內(nèi)差別較大，下面著重分析非火源段內(nèi)頂壁風(fēng)口和側(cè)壁風(fēng)口的豎向和橫向煙氣特性分布規(guī)律。

2.2 煙氣豎向分布規(guī)律

圖8 分別為火源功率為10MW，兩種風(fēng)口位置在風(fēng)口后的煙氣溫度和CO 濃度豎向分布規(guī)律。側(cè)壁機(jī)械排煙系統(tǒng)頂壁附近的煙氣溫度最高且變化緩慢，在離頂壁一定距離之后，豎向測(cè)點(diǎn)溫度大幅降低；頂壁排煙系統(tǒng)的整體豎向溫度比側(cè)壁排煙低。這說(shuō)明不同風(fēng)口位置會(huì)對(duì)非火源段的煙氣豎向溫度分布有影響。由于排煙風(fēng)口會(huì)帶走部分來(lái)自火源段的高溫?zé)煔?，使繞過(guò)風(fēng)口的煙氣量大幅減少，再加上側(cè)風(fēng)口上邊緣比頂壁低，風(fēng)口吸入的煙氣含量低，越過(guò)排煙口到下游的高溫?zé)煔庾匀痪投?，此時(shí)的排煙口無(wú)法有效降低風(fēng)口后方的豎向溫度。

圖8 風(fēng)口后的溫度豎向分布Fig.8 Vertical distribution of the temperature behind the tuyere

圖9 為兩種風(fēng)口位置在風(fēng)口后的煙氣CO 濃度隨豎向高度變化的分布規(guī)律。與上述溫度豎向分布整體趨勢(shì)相類似，側(cè)壁機(jī)械排煙系統(tǒng)頂壁附近的煙氣溫度最高，在離頂壁一定距離之后，豎向測(cè)點(diǎn)溫度大幅降低，但整體溫度與風(fēng)口前相比變化很??；頂壁排煙系統(tǒng)的整體豎向溫度比側(cè)壁排煙系統(tǒng)低。

圖9 風(fēng)口后的CO 濃度豎向分布Fig.9 Vertical distribution of the CO concentration behind the tuyere

2.3 人員高度處橫向分布規(guī)律

圖10 為火源功率為5MW 時(shí)，兩種風(fēng)口位置在風(fēng)口后的煙氣橫向溫度分布規(guī)律?？梢钥闯?，風(fēng)口后頂壁排煙方式的溫度整體比側(cè)壁排煙的溫度低，煙氣在頂壁風(fēng)口附近時(shí)的溫度趨勢(shì)呈中間低，兩邊高，而離風(fēng)口一定距離后的煙氣橫向溫度分布開始和火源段內(nèi)的橫向溫度分布趨勢(shì)相同；在側(cè)風(fēng)口附近的煙氣溫度分布趨勢(shì)為靠近風(fēng)口一側(cè)的溫度較高，遠(yuǎn)離風(fēng)口側(cè)的溫度較低。這是因?yàn)闊煔鈹U(kuò)散到風(fēng)口附近時(shí)受到排煙作用的影響，頂壁風(fēng)口下方的煙氣最先被抽吸到風(fēng)口中，部分煙氣越過(guò)排煙口繼續(xù)向下游擴(kuò)散，此時(shí)隧道中心線附近的煙氣較為稀薄，溫度低于隧道側(cè)壁附近的煙氣溫度；側(cè)邊排煙時(shí)的部分煙氣雖越過(guò)排煙口，但仍受排煙慣性力影響，貼附于風(fēng)口附近一側(cè)壁面向下游蔓延，造成了位于風(fēng)口附近一側(cè)的煙氣橫向溫度較高，遠(yuǎn)側(cè)壁面附近的煙氣溫度低。

圖10 風(fēng)口后的橫向溫度分布Fig.10 Transverse temperature distributionbehind the tuyere

圖11 分別為火源功率為30MW 時(shí)，兩種排煙方式在風(fēng)口后的CO 濃度橫向分布。可以看出，風(fēng)口后的CO 濃度橫向分布與溫度橫向分布規(guī)律類似，頂部排煙方式的CO濃度整體比側(cè)邊排煙的低，CO 濃度在頂壁風(fēng)口附近位置時(shí)的趨勢(shì)呈中間低，兩邊高，而離風(fēng)口一定距離后的煙氣CO 濃度開始和火源段內(nèi)的分布趨勢(shì)相同；在側(cè)風(fēng)口附近的煙氣CO 濃度橫向分布趨勢(shì)為靠近風(fēng)口一側(cè)的CO 濃度較高，遠(yuǎn)離風(fēng)口側(cè)的CO 濃度較低。

圖11 風(fēng)口后的橫向CO 濃度分布Fig.11 Transverse CO concentration distribution behind the tuyere

3 結(jié)論

（1）側(cè)向排煙方式與頂部排煙方式的煙氣特性規(guī)律在火源段內(nèi)幾乎無(wú)差別，而在非火源段，由于兩種排煙口位置的煙氣吸入方式差別較大，在臨界風(fēng)速的作用下，頂部風(fēng)口排煙時(shí)的煙氣溫度分布和CO 濃度分布要低于側(cè)向排煙口排煙。

（2）對(duì)于非火源段內(nèi)的豎向分布，側(cè)壁機(jī)械排煙系統(tǒng)頂壁附近的煙氣值（溫度和CO 濃度）最高，在離頂壁一定距離之后，煙氣值大幅降低，頂壁排煙系統(tǒng)的整體豎向溫度比側(cè)壁排煙低。

（3）在非火源段，頂壁排煙方式的煙氣溫度和CO 濃度整體比側(cè)壁排煙方式的低，煙氣在頂壁風(fēng)口附近時(shí)的煙氣特性趨勢(shì)呈中間低，兩邊高，而離風(fēng)口一定距離后的煙氣橫向分布開始和火源段內(nèi)的橫向分布趨勢(shì)相同；在側(cè)風(fēng)口附近的煙氣分布趨勢(shì)為靠近風(fēng)口一側(cè)較高，遠(yuǎn)離風(fēng)口側(cè)較低。