縱向風(fēng)下隧道火災(zāi)頂部排煙煙氣溫度分布研究

徐夢(mèng)一 袁中原

（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(jiàn)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[1,2]。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。

縱向通風(fēng)系統(tǒng)可在著火點(diǎn)上游方向形成無(wú)煙疏散通道，便于人員逃生，且能夠有效降低隧道內(nèi)溫度，建造和運(yùn)維成本低，但容易出現(xiàn)風(fēng)流紊亂的現(xiàn)象，能見(jiàn)度低，影響逃生救援；而半橫向排煙系統(tǒng)能及時(shí)地將煙氣排出隧道，有效控制煙氣蔓延，但其建造復(fù)雜，造價(jià)和運(yùn)維成本較高。近年來(lái)隨著隧道排煙技術(shù)的發(fā)展，縱向通風(fēng)和頂部排煙系統(tǒng)協(xié)同作用下的耦合系統(tǒng)廣受關(guān)注，其綜合了兩種排煙方式的優(yōu)點(diǎn)，使得排煙效果更好，又相對(duì)降低了成本。

目前，對(duì)于縱向通風(fēng)和頂部排煙協(xié)同作用下的排煙系統(tǒng)，一些學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了初步研究[3-5]。Ingason 和Li[6]進(jìn)行了小尺寸試驗(yàn)，研究了在有無(wú)縱向風(fēng)情況下單個(gè)排煙口和兩個(gè)排煙口的頂部排煙系統(tǒng)對(duì)于大型貨車火災(zāi)煙氣的控制作用。陳龍飛等[7]推導(dǎo)了排煙口位于火源上方的頂部排煙系統(tǒng)同縱向通風(fēng)系統(tǒng)共同作用下的回流煙氣長(zhǎng)度預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行了小尺寸試驗(yàn)驗(yàn)證其準(zhǔn)確性；唐飛等[8,9]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，當(dāng)火源位于頂棚排煙口正下方時(shí)，機(jī)械排煙系統(tǒng)對(duì)煙氣前緣速度的影響最為顯著，并且在一定的無(wú)量綱放熱速率下，臨界流速隨吊頂集中機(jī)械排煙流量的增大而減?。煌趺髂甑萚10]通過(guò)采用試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究了不同排煙策略（改變縱向風(fēng)速和排煙風(fēng)速）對(duì)縱向風(fēng)下的豎井排煙系統(tǒng)的影響，并給出了兩種火源位置下的速度擬合公式。

然而，對(duì)于縱向通風(fēng)和頂部排煙協(xié)同作用下不同因素對(duì)煙氣分布特性的影響研究較少，本文采用火災(zāi)數(shù)值模擬軟件FDS 對(duì)該系統(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，模擬隧道總長(zhǎng)取為500m，隧道寬12m，高7.4m。排煙口位于隧道頂棚中軸線上，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。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；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。

圖1 模型隧道示意圖Fig.1 The picture of tunnel model

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；在隧道出口與計(jì)算區(qū)域邊界處設(shè)置為開(kāi)口條件。隧道火災(zāi)數(shù)值模型如圖2 所示。

圖2 數(shù)值模型示意圖Fig.2 The picture of the numerical model

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3 所示，其中A 位置位于隧道縱向中心，B 位置距排煙風(fēng)口處500m，C 位置距排煙風(fēng)口處1000m。

圖3 火源位置示意圖Fig.3 The picture of fire source position

為研究縱向風(fēng)下的隧道火災(zāi)頂部排煙系統(tǒng)煙氣特性分布與縱向火源位置、排煙口長(zhǎng)度、排煙量和火源熱釋放率之間的關(guān)系，本文共設(shè)計(jì)了30 組數(shù)值模擬工況，如表1 所示。

表1 數(shù)值模擬工況Table 1 Numerical simulation of the operating conditions

本文開(kāi)展了1:10 縮尺模型隧道試驗(yàn)，選取火源熱釋放率為5.68kW，排煙量為180m3/h 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4 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4 數(shù)值模擬驗(yàn)證結(jié)果Fig.4 The result of the numerical simulation verification

為了便于分析和說(shuō)明，定義火源到排煙口之間的區(qū)域?yàn)榛鹪炊?，排煙口之外的區(qū)域?yàn)榉腔鹪炊巍?/p>

2 煙氣特性

2.1 煙氣分布規(guī)律

圖5 為在縱向風(fēng)速為臨界風(fēng)速時(shí)，排煙風(fēng)口長(zhǎng)度為6m，排煙量為120m3/s 時(shí)的煙氣分布特性。其中橫坐標(biāo)表示點(diǎn)離開(kāi)火源的距離，單位為m，縱坐標(biāo)表示熱電偶測(cè)得的溫度與室內(nèi)溫度的溫差，單位為℃。以風(fēng)機(jī)向隧道內(nèi)送風(fēng)的方向?yàn)椤癌€”，火源位于橫坐標(biāo)為“0”處，圖中溫度突變處為風(fēng)口所在位置。

圖5 隧道頂壁煙氣特性分布Fig.5 The smoke characteristics distribution of tunnel beneath ceiling

從圖5（a）中可以看出，隧道頂壁煙氣溫度在離火源20m 距離處達(dá)到最大，并在沿隧道縱向擴(kuò)散過(guò)程中逐漸減小，在風(fēng)口處有明顯的突變。這是由于縱向風(fēng)的作用，使得火源向下風(fēng)方向傾斜，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到臨界風(fēng)速時(shí)，通風(fēng)抑制煙氣向火源上游的擴(kuò)散，回流長(zhǎng)度為0，此時(shí)頂壁最高溫度位置偏離火源上方，火源上游幾乎無(wú)煙氣擴(kuò)散；隨著煙氣在火源段擴(kuò)散，熱煙氣不斷卷吸冷空氣并與隧道壁面換熱，煙氣溫度下降；當(dāng)煙氣擴(kuò)散到風(fēng)口下方時(shí)，在頂部排煙的作用下，大量的煙氣被直接排出隧道，排煙口處溫度急劇下降，越過(guò)排煙口的煙氣繼續(xù)沿隧道縱向擴(kuò)散，溫度進(jìn)一步降低；最終煙氣浮升力與進(jìn)入隧道的新鮮空氣的慣性力相等，煙氣停止向前擴(kuò)散。

而火源上游的溫度衰減速度明顯比下游衰減快。這是由于縱向通風(fēng)，使得火源上游的空氣與煙氣流動(dòng)方向相反，這對(duì)煙氣流動(dòng)產(chǎn)生阻礙作用，增加了隧道空間內(nèi)的熱對(duì)流，且煙氣在沿隧道流動(dòng)的過(guò)程中不斷地與隧道壁面?zhèn)鳠岵⒉粩嗑砦車睦淇諝?，溫度進(jìn)一步降低，因此火源上游的溫度衰減相對(duì)更快。

從圖5（b）中可以看出，火源附近的CO 濃度較高，在沿隧道縱向擴(kuò)散的過(guò)程中煙氣不斷卷吸冷空氣，煙氣濃度降低，CO 濃度減??；隨后由于大量煙氣從風(fēng)口排出，風(fēng)口處CO 濃度驟減，其余煙氣繞過(guò)風(fēng)口繼續(xù)向前擴(kuò)散，CO 濃度降低；最終，煙氣浮升力與進(jìn)入隧道的新鮮空氣的慣性力相等，煙氣不再向前擴(kuò)散。

2.2 縱向火源位置對(duì)煙氣溫度分布的影響

以火源功率為5MW，風(fēng)口長(zhǎng)度為7m，排煙量為120m3/s 的工況為例，圖6 展示了不同縱向火源位置下隧道頂壁縱向煙氣分布的情況。可以看出，火源段內(nèi)，煙氣溫度沿隧道縱向方向逐漸降低，A、B、C 三個(gè)位置下的煙氣縱向溫度分布幾乎一致，火源位置的改變不會(huì)明顯影響頂壁煙氣縱向溫度分布。這說(shuō)明由排煙引起的隧道補(bǔ)風(fēng)氣流的增加不會(huì)影響火源段的空氣卷吸。而當(dāng)煙氣擴(kuò)散至風(fēng)口附近時(shí)，火源位于C 位置時(shí)的溫度相對(duì)較低，A 位置時(shí)的風(fēng)口下方溫度相對(duì)較高。這是因?yàn)殡S著離火源距離的增大，熱煙氣在蔓延過(guò)程中與冷空氣和隧道壁面不斷換熱，溫度降低，火源位置與風(fēng)口間距越大，煙氣蔓延距離越長(zhǎng)，溫度下降得越多。

圖6 縱向火源位置對(duì)溫度分布的影響Fig.6 Effect of the longitudinal fire source location on smoke temperature distribution

2.3 排煙口長(zhǎng)度對(duì)煙氣溫度分布的影響

圖7 為火源熱釋放率分別為5MW 和10MW時(shí)，不同排煙風(fēng)口長(zhǎng)度對(duì)頂壁縱向煙氣溫度分布的影響。從圖中可以看出，在排煙量一定的情況下，無(wú)論是火源段還是非火源段，在排煙口長(zhǎng)度為1-15m 區(qū)間時(shí)的頂部煙氣溫度分布幾乎都沒(méi)有區(qū)別，由此可以判斷出排煙風(fēng)口尺寸不會(huì)對(duì)隧道頂部的煙氣溫度造成影響。

圖7 排煙口尺寸對(duì)煙氣溫度分布的影響Fig.7 Effect of exhaust vent size on smoke temperature distribution

2.4 排煙量對(duì)煙氣溫度分布的影響

圖8 為不同排煙量對(duì)頂壁煙氣縱向溫度分布的影響。從圖中可以看出，在火源段，風(fēng)口的排煙情況不會(huì)影響到火源段的頂壁溫度分布；而在非火源段，煙氣的頂部溫度會(huì)隨著排煙量的增加而上升。這是因?yàn)樵诳v向風(fēng)速一定時(shí)，排煙風(fēng)量增大，隧道內(nèi)負(fù)壓增加，導(dǎo)致隧道口的補(bǔ)風(fēng)氣流大部分從排煙口排出或直接排出隧道，幾乎不會(huì)流入火源段，火源段煙氣的卷吸幾乎不受到由排煙引起的補(bǔ)風(fēng)氣流的影響。

圖8 排煙量對(duì)頂部縱向溫度分布的影響Fig.8 Effect of smoke exhaust volume on smoke temperature distribution

2.5 火源功率對(duì)煙氣溫度分布的影響

圖9 為不同火源功率對(duì)頂壁煙氣縱向溫度分布的影響。從圖中可以看出，隨著火源熱釋放率的增大，隧道內(nèi)相同位置處的頂部煙氣溫度也隨之增加。這是因?yàn)榛鹪礋後尫怕试酱?，釋放的熱量越多，火源上方的煙氣溫度就越高；而在離火源距離增加時(shí)，和其他因素的規(guī)律相同，隨著煙氣擴(kuò)散時(shí)與隧道壁面換熱，頂壁溫度逐漸降低。

圖9 火源功率對(duì)頂部縱向溫度分布的影響Fig.9 Effect of fire source heat release rate on smoke temperature distribution

3 煙氣溫度縱向衰減

通過(guò)以上研究，表明在相同火源條件下，縱向火源位置、排煙口長(zhǎng)度和排煙量在火源段的頂壁溫升幾乎一致，隨離火源距離的增加，火源下游煙氣溫度呈指數(shù)函數(shù)衰減。根據(jù)胡隆華等[11]的研究分析得出了隧道頂棚無(wú)量綱煙氣衰減模型，見(jiàn)式（1）。

式中：k為常數(shù)；ΔT為某縱向位置處溫升，℃；ΔTref是參考位置溫升，℃；x為與火源之間的距離；xref為參考位置與火源之間的距離。

Fan和Ji等[12]研究得到了隧道頂棚縱向溫度的衰減公式。

式中：α，k、y0均為常數(shù)。

參考位置選取火源段頂壁煙氣最高溫度位置處，則無(wú)量綱煙氣溫升模型可以表示為：

由于風(fēng)口處溫度變化浮動(dòng)較大，且風(fēng)口下游的溫度滿足人員安全逃生要求，本文只對(duì)火源上方最高溫度位置至風(fēng)口位置處的頂壁縱向溫度進(jìn)行擬合。利用式（1）縱向溫度衰減模型對(duì)本文煙氣溫度進(jìn)行擬合，其擬合度系數(shù)小于0.80，說(shuō)明胡隆華的煙氣衰減溫度模型不能很好的預(yù)測(cè)縱向通風(fēng)和頂部排煙協(xié)同作用下的隧道火災(zāi)煙氣溫度分布。利用式（2）對(duì)不同風(fēng)口長(zhǎng)度下隧道火源段的無(wú)量綱煙氣溫度進(jìn)行擬合，擬合曲線如圖10 所示，得到k值為0.838，相關(guān)系數(shù)大于0.95，可以說(shuō)明Fan和Ji 等的模型能很好地預(yù)測(cè)縱向通風(fēng)和頂部排煙協(xié)同作用下的隧道火災(zāi)煙氣溫度分布。通過(guò)對(duì)參考位置處的試驗(yàn)數(shù)據(jù)取平均值，得出參考位置處的無(wú)量綱煙氣溫升=2.034，無(wú)量綱溫升的定義如式（4）。

圖10 火源段縱向溫度衰減Fig.10 Longitudinal temperature decay of the fire source section

將公式（4）代入公式（3），得到公式（5），即為縱向通風(fēng)和頂部排煙協(xié)同作用下的隧道火災(zāi)煙氣溫度計(jì)算模型：

式中：α=0.606，k=0.0838，y0=0.446。

圖11 為不同縱向火源置下模擬計(jì)算所測(cè)溫度與公式（5）計(jì)算所得溫度對(duì)比圖，可以看出公式（5）可以較好地表達(dá)不同火源位置下，不同風(fēng)口長(zhǎng)度頂壁下方縱向煙氣溫升的分布情況。

圖11 公式（5）計(jì)算結(jié)果與模擬結(jié)果的對(duì)比Fig.11 Comparison between numerical simulation data and results predicted with Eq(5)

4 結(jié)論

（1）在縱向風(fēng)和排煙口抽吸的作用下，隧道頂壁煙氣溫度隨離火源距離的增大而逐漸減小，在風(fēng)口處驟減，隨后逐漸趨近室溫。

（2）火源功率增加，火源段隧道頂壁煙氣溫度也隨之增大，縱向火源位置、排煙口長(zhǎng)度和排煙量對(duì)火源段隧道頂壁煙氣溫度幾乎沒(méi)有影響。

（3）通過(guò)Fan 和Ji 等建立的縱向溫度衰減模型，得到了縱向風(fēng)下隧道火災(zāi)頂部排煙系統(tǒng)內(nèi)的頂壁下方無(wú)量綱煙氣溫度衰減模型。