機械排煙對隧道火災煙氣控制效果的模擬研究

邢艷軍，楊 暉，孫大會

（北京建筑工程學院 環境與能源工程學院，北京 100044）

1 引言

火災導致人員傷亡慘重的一個主要原因是煙氣未能及時排出造成人員窒息。而隧道由于其特殊的管狀封閉空間，火災往往伴隨著高溫、煙氣難以及時排除、能見度低，造成逃生困難以及短時間內外部救援很難到達現場開展施救工作。因此，對隧道煙氣進行有效的控制就顯得尤為重要。

那艷玲［1］用CFD方法模擬了幾種火災狀況下的溫度場和氣流場，分析了火災發生位置和排煙量對車站流場的影響，并用鹽水實驗驗證了數值模擬研究。鐘靈杰［2］依據美國國家防火協會的建筑防火性能設計標準，模擬了臺北地鐵站臺發生人為縱火情況下的溫度分布與煙氣擴散情況，并與SES的計算結果進行了對比分析，得出了地鐵排煙系統只有采用CFD方法才能真正達到性能防火設計要求的結論。Vauquelin等學者采用1／20縮尺模型，選擇輕質氣體模擬熱煙氣，研究水平隧道內的煙氣運動，得到火災熱釋放率（HRR）、煙氣擴散距離與排煙風速的變化關系，并進一步指出排煙風速是衡量系統排煙效果的重要指標［3，4］。徐琳、張旭［5］結合某集中排煙隧道通風設計，通過CFD模擬，分析了排煙風口形狀、風口間距對煙氣控制效果的影響，結果表明:排風誘導風速隨著排煙口下游煙氣擴散范圍的縮小而增大；煙氣擴散距離一定時，排煙風口形狀由正方形變為橫向矩形時可以降低排風誘導風速。王軍［6］等人借助CFD技術分析了縱向風速和排煙風量對隧道排煙系統排煙風口流量分配特性的影響，結果表明:排煙風口的排煙能力依賴于縱向風速和排煙風量的合理匹配。

數值分析方法進行模擬研究能夠對各種復雜條件下的隧道火災進行模擬，不但可以減少成本，還可以得到許多珍貴的數據。另外，CFD模擬還可以為隧道火災的實驗方案設計提供參考。目前，數值模擬的方法已經廣泛應用于對隧道火災的研究。

本文用CFD模擬方法對HRR和火源與排煙口的間距L對隧道發生火災時排煙量的影響進行了研究；同時對隧道發生火災時人員的安全疏散范圍進行了研究。

2 數值模擬

2.1 幾何模型

本文以1／20的模型隧道為原型建立了數值模擬的幾何模型如圖1所示，其長、寬和高分別為10m、0.4m和0.4m，火源為直徑200mm的圓形，位于隧道底面幾何中心位置，圓形排煙口及排煙風道位于隧道頂部。

圖1 物理模型

2.2 數學模型

火災時隧道中煙氣流動狀況符合流動和傳熱的基本規律，由于隧道采用了機械排煙，Re數范圍為1.73×104～2.46×106，因此流動狀態為紊流，計算采用了帶有浮力修正的k－ε方程，流動與傳熱問題的控制方程都可以表達為統一的形式（表1），即通用控制方程［7］:

ηeff為有效粘滯系數；ηt為湍流脈動粘滯系數；η為動力粘滯系數；β、ν、ρ、P、T 分別為流體熱膨脹系數、運動粘度、密度、壓力、溫度；ρref為流體相對密度；CD為經驗常數；cp為定壓比熱容；g，重力加速度；k為湍流動能；ε為湍流動能耗散率。方程中其他系數的取值見表2。

表1 通用方程組參數項

表2 k－ε模型中系數的取值

2.3 網格劃分及求解工況

采用CFX－ICEM對模型進行“O網格”劃分，網格數量控制在40～45萬間，如圖2。將模型轉換，導入CFX中迭代求解，殘差控制在10～5內。計算采用試算方法，逐漸增加排煙風量，直至煙氣被完全控制在排煙口和火源之間，即達到煙氣得到控制時的臨界排煙量Qpc。邊界條件定義為:火源為面熱源，根據模擬工況確定熱流密度；隧道兩端給出壓力邊界條件，相對壓力為0；排煙管出口定義為流量邊界。模擬過程中忽略壁面熱損失，將壁面簡化為絕熱壁面。

圖2 模型的網格劃分

在交通隧道火災中，大部分都是隧道內的車輛著火，不同車型的火災熱釋放強度不同。目前在隧道通風設計中，隧道火災強度主要取決于車載可燃物類型及其數量、車內裝修和車載燃油量類型和數量等。目前，我國尚未對車輛火源強度做出明確規定，只有上海參照有關資料給出了已建隧道內車輛火源強度的建議值；一般參照美國國家防火協會502標準、國際道路學會建議值（PIARC，C5，1999）和根據通行車輛的種類來確定火災規模［8］。例如轎車的最大 HRR為（3～5）MW、火車車廂的最大 HRR為（15～20）MW［9］。但研究［10］表明，在隧道封閉環境內，火災熱釋放強度受環境條件、隧道斷面大小、通風方式等影響，應適當考慮其增大系數。公路隧道火災情況不盡相同，有可能是一輛車著火，或是多輛車相撞著火。本文模擬采用小尺寸模型，按與實際隧道尺寸相似比為1:20進行換算，本文模擬的相當于實際火災強度為（3.5～22）MW，具體對應關系如表3。

表3 模型所用的HRR與對應的原型HRR

本文對排煙口與火源間3種不同的間距L，即L1、L2、L3分別為1.5m、2.5m和3.5m，模擬了2kW、4kW、6kW、8kW、10kW和12kW 6種不同HRR下的煙氣運動情況，得到了煙氣被控制時的臨界排煙量Qpc，模擬工況及模擬結果見表4。

表4 模擬工況及模擬結果

3 模擬結果分析

本文所定義的達到的煙氣控制效果指在一定排煙量下，火源產生的熱煙氣以一定角度偏離火源上方上升至頂棚處后大部分煙氣經排煙口排出，少部分煙氣向BA方向流動，但逆流煙氣的前鋒位置在豎直方向上與火源過B點的垂直斷面平齊，即為煙氣得到控制的臨界狀態，此時排煙量為Qpc，即為臨界排煙量。為了便于研究，將模型分為5段，其中BC段為火源，DE段為排煙口（圖3）。

圖3 模型簡化示意

從表4中可以得知:臨界排煙量隨著排煙口中心與火源中心間距離的增大而增大。臨界狀態下，L1時的排煙量Qpc比L2時可節省大約10.5%，比L3時可節省22%，這就意味著風機風量、設備投資和運行費用的減少，有較好的經濟效益。因此在隧道發生火災時應當就近開啟排煙口排煙。由表4還可以看出:當火源與排煙風口間距離一定時，臨界狀態下的排煙量Qpc隨HRR的增大而增大。

圖4 不同模擬條件下ZX平面的溫度分布（Y＝0.2m）

以HRR為4kW時的工況為例具體分析煙氣溫度分布特性。不同L時在臨界排煙量下火源中心與排煙口間的溫度分布如圖4所示。

圖4－1是時間為2500s時的煙氣溫度分布。由圖可以看出:無機械排煙時，火源產生的煙氣隨著時間的推移逐漸向隧道兩端呈對稱狀擴散，直到充滿整個隧道。AB段距火源1m處煙氣最高溫度達到598K，EF段距火源2m處煙氣最高溫度達到523K。圖4－2、4－3、4－4分別是火源與排煙口間距為L1、L2、L3時，臨界排煙量下火源與排煙口間的溫度分布。與無機械排煙時的溫度分布明顯不同:AB、EF段沒有煙氣，溫度值約為298K左右；煙氣主要集中在CD段，CD段的煙氣有明顯的溫度分層。在AB段和EF段，火源與排煙口間的不同距離均能保證人員的安全疏散。

對于CD段的滯留人員，具體分析其中的煙氣情況。我國《建筑設計防火規范》（GB50016－2006）對于人員安全疏散時的環境溫度規定人在疏散時能承受的最高空氣溫度不超過353K。本文以人員疏散時的安全環境溫度為333K，即疏散通道從地面起2m的逃生空間內，空氣溫度不超過333K。圖5是不同HRR條件下，不同L時，Z＝0.1m（折算到實際隧道中為2m）與Y＝0.2m兩平面的交線上的溫度分布，圖中以T＝333K的等溫線，作為劃分人員疏散時安全溫度的界線。

圖5 臨界排煙量下Z＝0.1m和Y＝0.2m平面交線上的溫度分布。

圖中X軸是隧道長度的不同坐標，火源在X＝（4.9－5.1）m處；L1時排煙口位置為 X＝（6.4－6.6）m；L2時排煙口位置在X＝（7.4－7.6）m；L3時排煙口位置是X＝（8.4－8.6）m。圖中可以看出:不同L時溫度急劇上升的位置大約在X＝5.3m左右，而不是火源的邊界線上方；不同L時的溫度線再次達到299K時的位置均在排煙口處，從而保證了AB段和EF段人員的安全疏散。不同L時溫度最大值集中在X＝（5.5－6.0）m。當環境溫度小于333K時人員可以安全疏散。由于模擬所做的是穩態情況，暫不考慮人員逃逸的安全時間。

不同L時，T≥333K的區間互有交叉，且區間長度相差很小。臨界狀態下，同一HRR下不同的L對人員安全疏散的區間影響很小，需要進一步的分析和研究。

4 結語

本文主要研究了排煙口與火源間的距離L對臨界排煙量的影響和不同HRR情況下，臨界排煙量的變化情況，在本文的試驗工況下和HRR范圍內得出以下結論:

（1）臨界排煙量隨著HRR的增大、排煙口中心與火源中心間距離的增大而增大。

（2）在相同HRR情況下，對比不同L時達到煙氣控制效果所需要的排煙量:火源與排煙口的間距為L1時，所需要的排煙量最小，比L2時節省約10.5%，比L3時節省約22%。

（3）在臨界狀態和相同HRR下，不同L對人員安全疏散區間影響很小，需要進一步進行分析研究。

［1］那艷玲.地鐵車站通風與火災的CFD仿真模擬與實驗研究［D］.天津:天津大學，2003.

［2］鐘靈杰.地下捷運排煙系統性能式設計安全驗證與改善方法研究［D］.臺北:國立臺灣大學，2005.

［3］Vauquelin O，T elle D.Definition of experimental evaluation of the smoke confinement velocity in tunnel fires［J］.Fire Safety，2005（40）:320～330.

［4］Vauquelin O，Megret O.Smoke extraction experiments in case of fire in tunnel［J］.Fire Safety，2002（37）:525～533.

［5］徐 琳，張 旭.風口特性對集中排煙隧道煙氣控制效果的影響［J］.暖通空調 HV＆AC，2008，38（3）.

［6］王 軍，張 旭.公路隧道火災排煙風口流量分配特性［J］.消防科學與技術，2008，27（10）.

［7］Yang Hui，Jia Li，Yang Lixin.Numerical analysis of tunnel thermal plume control using longitudinal ventilation［J］.Fire Safety Journal，2009（44）:1067～1077.

［8］顧 聞，喬宗昭，沈婕青.隧道通風設計中火災釋放量的取用［J］.地下工程與隧道，2005（4）.

［9］趙忠杰，蘇詩琳.公路隧道火災探測方法研究［D］.西安:長安大學，2007.

［10］BETTIS R J，JA GGER S F，MOODIE K.Reduced Scale Simulations of Fires in Partially Blocked Tunnels［C］／／EUREKA.Proceeding of the International Conferences on Fires in Tunnels.Boras:SP Fire Technology，1994.