付 召 王子云

（四川大學建筑與環境學院 成都 610065）

0 引言

隧道給人們的出行帶來了巨大的便利，但同時也給人們提出了諸多的安全挑戰。其中隧道火災給人們帶來的危害更是不容忽視[1,2]。隧道空間結構復雜，空間狹小，縱深較長，出入口少，封閉性強，一旦發生火災，煙霧難以排出。據統計，火災中大部分人員是因吸入煙氣等有毒氣體窒息而亡[3]。故如能將隧道煙氣及時有效排除，則能大大減少火災人員傷亡。隧道排煙一般分為縱向排煙與橫向排煙，傳統縱向排煙的缺陷在于煙氣沿隧道擴散，若遇隧道堵塞工況，高溫煙氣會對隧道堵塞人員造成嚴重傷害。而橫向排煙系統雖然成本較高，但由于不存在縱向排煙系統的諸多缺陷，其應用正日益擴大。對于前者，國內外學者已進行了深入研究，在工程應用上已較為成熟，而對于橫向排煙系統的研究還相對較少。

橫向排煙系統設計的首要任務是確定排煙量，而排煙量與煙氣層分界面處羽流質量流量密切相關。NFPA92B軸對稱羽流模型是目前隧道火災橫向排煙設計工程中廣泛采用的模型，但實際隧道火災工況與該模型的假設條件有諸多不符，這必將影響該模型公式的計算精度。

本文利用FDS火災動力學模擬軟件對隧道火災工況進行模擬，將不同工況下羽流質量流量模擬值與NFPA92B模型計算值，CIBSE模型計算值，以及本文提出的CIBSE修正模型計算值進行對比分析。

1 兩種羽流模型概述

1.1 NFPA92B軸對稱羽流模型概述

式（1）～（3）為NFPA92B軸對稱羽流模型質量流量計算公式[4]。

式中，Z1為限制高度，m；Z為火焰底部至煙氣層交界面距離，m；Qc為火源熱釋放速率的對流部分，kW，一般取Qc=0.7Q，Q為火源熱釋放速率；mp為高度Z處羽流質量流量，kg/s。

該模型是在Heskestad經驗模型基礎上加以修正提出的，而Heskestad經驗模型僅對平均火焰高度以上區域的描述較為準確；同時，僅有實驗證明在小面積火源工況下（2）式與實驗結果符合得較好，而隧道高度較低，火災釋熱率較高，一般處于Z1高度以下，須采用（3）式計算，但到目前為止，尚無關于（3）式的驗證實驗數據。

1.2 CIBSE線性火源羽流模型概述

式（4）～（6）為CIBSE線性火源羽流模型質量流量計算公式[5]。

式中，ds為火源長邊長度，m。

根據CIBSE的描述，矩形火源長邊超過短邊三倍以上，可將其視為線性火源，其不同高度處羽流質量流量可按（4）～（6）式計算得到。其中（5）式中的系數是基于Lee與Emmons[6]理論提出的。

2 模擬值與兩種模型計算值對比分析

2.1 數值模擬模型建立及網格劃分

FDS是美國國家技術標準局（NIST）開發的權威火災模擬軟件[7]，其采用的計算核心為大渦模擬，而合理的網格劃分是準確模擬的前提，結合相關資料[8]，設置網格尺寸為0.075D*。其中：

式中，D*為火源特征直徑，Q為火災總釋熱率，kW。

結合目前隧道建設的斷面類型，選取截面為9m×4.5m（寬×高），18m×4.5m與 9m×7m，18m×7m的四種常見隧道尺寸。由于在不影響羽流發展情況下，隧道寬度對羽流質量流量并無影響，故本次模擬僅考慮寬度為9m的隧道模型，具體隧道模型尺寸設置為40m×9m×4.5m（長×寬×高）與40m×9m×7m兩種。

結合PIARC，RABT，CETU，NFPA502等機構建議數據，火災工況的設計如表1所示，火源設置在隧道底部中央位置。

表1 隧道火災工況設計Table 1 The design of fire conditions

由于工程上一般將煙氣層控制在0.8H以上，故對于H=4.5m與H=7m兩種隧道模型分別監測0.8H高度平面，即3.6m與5.6m高度平面處羽流質量流量。

2.2 模擬值與模型計算值對比分析

在上述隧道火災工況下，模擬值分別與NFPA92B軸對稱羽流模型計算值，CIBSE線性火源羽流模型計算值的對比情況如圖1～圖2所示。

圖1 模擬值與NFPA92B軸對稱羽流模型計算值對比Fig.1 The comparison of value of simulationand the value calculated by NFPA92B

圖2 模擬值與CIBSE矩形火源羽流模型計算值對比Fig.2 The comparison of value of simulation and the value calculated by CIBSE

分析上圖可知，在常見隧道火災工況下，NFPA92B軸對稱羽流模型計算值普遍較模擬值偏低。這是由于由式（3）有該經驗關系式并未體現火災面積對羽流質量流量的影響，故在火源釋熱率較低時，計算值較模擬值偏小，這點在大面積火源火災工況下體現較為明顯，當火災釋熱率增加到一定程度，面積對羽流質量流量的影響減弱，故計算值超過了模擬值；CIBSE矩形火源羽流模型計算值較模擬值偏大較多，這是由于由式（5）有該經驗關系式在降低火源釋熱率對羽流質量流量影響的同時考慮了火源面積的影響，但將長邊對羽流質量流量的影響考慮過大，這點在火源釋熱率較大時體現尤為明顯。

3 CIBSE修正公式的提出及驗證

車輛尺寸一般長邊為短邊的2倍以上，一般寬度在2.5m左右，短邊長度對羽流同樣具有一定影響，故將式（4），（5）中的長邊長度ds用矩形火源當量直徑Di替代，提出如下式（7）～（9）CIBSE羽流修正模型。

式中，Di為火源當量直徑，m。其中a為火源長度，m；b為火源寬度，m。

其中，式（6）與式（9）完全相同，在隧道火災工況下基本不采用。

其在Z=0.8H高度處羽流質量流量計算值與模擬值對比如圖3所示。

圖3 模擬值與CIBSE矩形火源羽流修正模型計算值對比Fig.3 The comparison of value of simulation and the value calculated by amendment model of CIBSE

由圖1～圖3比較可知，CIBSE矩形火源羽流修正模型計算值與模擬值最為接近，這是由于將CIBSE矩形火源羽流模型中的火源長邊長度ds用當量直徑Di替代，其目的是綜合考慮長邊，短邊對羽流質量流量的影響，也即在考慮面積對羽流質量流量影響的同時減小了長邊對羽流質量流量的影響。

4 結論

預測煙氣分界面處羽流質量流量是隧道橫向排煙系統設計的基礎。目前常見的火災羽流模型均是基于實驗擬合的經驗公式，由于實驗條件不同，各自有著不同的適用范圍，僅能在一定范圍內確保其精度。在目前隧道火災橫向排煙設計中，NFPA92B軸對稱羽流模型的應用較多，CIBSE矩形火源羽流模型的應用則較少。

模擬結果表明，在常見火災工況下，CIBSE模型計算值與模擬值誤差較大，工程中不宜采用；在7m高隧道模型火災工況下，NFPA92B模型計算值與模擬值較為接近，在4.5m高隧道模型火災工況下，計算值較模擬值偏低較多，但在超大型火災釋熱率情況下（>100MW），計算值均較模擬值偏大過多，故該模型僅能滿足部分火災工況精度；而本文提出的CIBSE矩形火源羽流修正模型計算值與模擬值較為接近，并且在多種常見火災工況下與模擬值符合很好，具有良好的工程應用前景。