UTLT類隧道半橫向排煙方式下排煙閥參數及排煙量對排煙效果影響

李 彪 馮 煉

UTLT類隧道半橫向排煙方式下排煙閥參數及排煙量對排煙效果影響

李 彪 馮 煉

（西南交通大學機械工程學院 成都 610031）

為了解和掌握半橫向通風排煙模式下城市地下交通聯系隧道的火災工況變化規律，基于FDS數值模擬軟件，以某城市地下交通聯系隧道實際工程作為研究對象，建立全尺寸的隧道物理模型。通過分析對比不同排煙閥面積、不同排煙閥開啟個數、不同排煙閥間距及不同排煙速率大小的四種排煙方案下隧道內煙氣溫度場及煙氣蔓延范圍分布規律變化，探究了不同工況下各參數對火災煙流特性的影響。結果表明，在半橫向通風排煙模式下選取排煙閥面積大小為3m2、排煙閥間距為24m、排煙閥開啟個數為6個以及設置排煙速率為60m3/s時，隧道火災煙流控制效果較好。

UTLT類隧道；半橫向通風排煙；數值模擬；煙流特性

0 引言

隨著城市化發展步伐的進一步加快，城市人流量及車流量的急劇增長，使得城市地面道路交通變得越來越擁擠，大力發展城市地下交通方式是減緩地面交通擁堵現狀的方法之一，而城市地下交通聯系隧道（以下簡稱：UTLT類隧道）就是其中的一種。該類隧道一般為環形結構，位于城市核心區域，隧道內的車流量較大且車速較慢，使得該類隧道火災排煙不同于一般公路隧道。

目前關于UTLT類隧道火災研究主要對火災排煙方案做了系統的探討[1-7]，而對于該類隧道在采用半橫向通風排煙方式下，排煙閥參數、排煙速率對火災煙流特性的影響研究還存在不足之處。因此，本文基于FDS數值模擬軟件對其進行了更為深入的分析研究，探究半橫向通風排煙模式下城市地下交通聯系隧道火災煙流特性。

目前國內已建成的部分UTLT類隧道工程，如表1所示。

表1 部分城市環隧及排煙方式統計[3,8]

1 基本理論方程

隧道火災研究一般采用實體試驗和數值模擬兩種方法，由于數值模擬計算較實體試驗有著成本低、操作簡單和縮短研究周期等優點，使得數值模擬在隧道火災研究中應用較為廣泛。火災發生后隧道內煙氣流動是一個復雜的三維非穩態流動過程，其遵循流體動力學基礎方程。

（1）質量守恒方程：

參加化學反應各物質的質量總和，等于反應后生成各物質的質量總和。

（2）組分守恒方程：

系統內某種化學組分質量對時間的變化率，等于通過系統界面凈擴散流量與通過化學反應產生的該組分生產率之和。

（3）動量守恒方程：

系統相互作用開始時的總動量等于相互作用結束時(或某一中間狀態時)的總動量。

（4）能量守恒方程：

微元體中能量的增加率等于進入微元體的凈熱量加上外界對微元體所做的功。

本文設置火源為面火源模型，大小為4m×2m，火災規模設為7.5kW，其發展速率為超快速增長方式，模擬采用丙烯作為代替火源，碳煙粒子產量系數按軟件默認值設置。

2 計算模型

2.1 隧道物理模型建立

計算模型截取實際地下交通聯系隧道工程的一段，全長約為700m，本文主要考慮火災發生在主隧道直線段時的情況，一旦發生火災，立即開啟排煙風機，將火災煙氣通過拱頂排煙道排至外界。考慮到隧道物理建立的可行性，對主隧道截面做簡化處理，如忽略送風管道、消防栓管、噴淋主管及橋架等結構，如圖1所示。本文采用Pyrosim軟件建立隧道物理模型，隧道物理模型如圖2所示。

圖1 簡化后的隧道斷面圖

圖2 隧道物理模型示意圖

2.2 工況設置

在半橫向通風排煙方式下，設置三種不同的排煙閥面積，分別為1.0m2、2.0m2、3.0m2；以及設置三種不同的排煙閥間距，分別為24m、30m、40m；火源附近排煙閥開啟個數分別為2、4、6；設置兩種不同排煙速率分別為50m3/s、60m3/s。具體模擬工況設置如表2所示。

表2 模擬工況設置

2.3 煙氣有效控制指標

城市地下交通聯系隧道煙控目標，主要是為隧道內滯留人員提供安全的疏散環境，由隧道火災實驗結論，確定安全疏散時間為6min。結合目前對于該類隧道的研究成果[9,10]及世界道路協會PIARC標準，設置6min疏散時間內距離火源點30m外區域的火災煙氣控制效果指標：

①人員高度處煙氣溫度不得超過60℃；

②火災煙氣控制在火源附近300m范圍內。

3 頂部排煙口參數研究

3.1 排煙閥面積大小影響

圖3 不同排煙閥面積下人員高度處煙氣溫度分布

圖3為不同排煙閥尺寸面積下火源附近人員高度處煙氣溫度分布情況，及火源上下游煙氣蔓延距離對比如表3所示。

表3 不同排煙閥面積尺寸下煙氣蔓延距離

由模擬結果可知，火災煙氣蔓延范圍隨著排煙閥面積的增大而縮短，當排煙閥尺寸面積為3m2時，火災煙氣蔓延距離為295m，且人員高度處煙氣溫度小于60℃，均滿足煙氣控制指標，而當排煙閥面積為1m2及2m2時，火源上下游煙氣蔓延距離均超過了300m，不滿足煙氣控制指標。故排煙閥面積取3m2，煙氣控制效果更好。

3.2 排煙閥間距影響

圖4為不同排煙閥間距下火源附近人員高度處煙氣溫度分布情況及火源上下游煙氣蔓延范圍的對比情況，如表4所示。

圖4 不同排煙閥間距下人員高度煙氣溫度分布

表4 不同排煙閥間距下煙氣蔓延范圍

通過分析三種不同排煙閥間距下煙流擴散情況，可知排煙閥間距為30m時，火源30m外區域內人員高度處煙氣溫度超過了60℃，不滿足煙氣控制指標；排煙閥間距為40m時，煙氣蔓延距離為320m，不滿足煙氣控制指標；排煙閥間距為24m時，煙氣蔓延距離及人員高度處溫度均滿足煙控指標，故選取排煙閥間距為24m，火災煙控效果更好。

3.3 排煙閥開啟個數影響

圖5 不同排煙閥開啟個數下人員高度處溫度分布

圖5為不同排煙閥開啟個數下火源附近隧道拱頂處煙氣溫度分布情況及火源上下游煙氣蔓延距離的對比情況，如表5所示。

表5 不同排煙閥開啟個數下煙氣蔓延范圍

對比分析不同排煙閥開啟個數下的煙流擴散情況，當排煙閥開啟個數為2個時，煙氣擴散范圍為345m，不滿足煙控指標；當排煙閥開啟個數大于4個時，火災煙氣擴散范圍及人員高度處溫度分布情況均滿足煙控指標，綜合分析，選取排煙閥開啟個數為4個較為合理。

3.4 排煙速率影響

圖6為不同排煙速率下火源附近人員高度處煙氣溫度分布情況及火源上下游煙氣蔓延距離的對比情況，如表6所示。

圖6 不同排煙速率下人員高度處煙氣溫度分布

表6 不同排煙速率下煙氣蔓延范圍

對比發現，兩種不同排煙速率下煙氣蔓延范圍及人員高度處溫度分布均滿足煙控指標，在滿足煙控要求的前提下，選取排煙速率為50m3/s時更為經濟合理。

4 結論

本文針對城市地下交通聯系隧道半橫向通風排煙模式下，在主隧道直線段內發生火災時，對不同排煙閥面積大小、間距及開啟個數及不同排煙速率對隧道內火災煙氣流動特性影響進行研究分析，研究結果表明，在滿足火災煙氣控制指標的情況下：

（1）選取排煙閥尺寸面積為3m2時，具有更好的煙控效果。

（2）排煙閥間距為24m時，有利于火災煙氣控制，繼續增大間距時，反而導致排煙效果降低。

（3）當排煙閥開啟個數為4個時的煙流控制效果較好。

（4）排煙道內的排煙速率取50m3/s時，對于火災煙氣控制更為有利。

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The Parameters of Smoke Exhaust Valve and the Amount of Smoke Exhaust in UTLT Tunnel with Semi-horizontal Smoke Exhaust Mode Affect the Smoke Exhaust Effect

Li Biao Feng Lian

( Southwest Jiaotong University, School of Mechanical Engineering, Chengdu, 610031 )

In order to understand and master the changing law of fire conditions in urban traffic link tunnel under semi-lateral ventilation mode, this paper based on FDS numerical simulation software, taking the actual project of urban traffic link tunnel of a city as the research object, and establishing full-scale tunnel physics Model. By analyzing and comparing the distribution of smoke temperature field and smoke spread range under the different smoke exhaust valve area, the number of different exhaust valve opening, the different exhaust valve spacing and the different smoke exhaust rate of the tunnel. The changes were explored to investigate the effects of various parameters on fire smoke characteristics under different working conditions. The results show that in the semi-horizontal ventilation and exhaust mode, the area of the exhaust valve is 3m2, the distance between the exhaust valves is 24m, the number of exhaust valves is 6, and the exhaust rate is 60m3/s, the smoke flow control effect of tunnel fire is the best.

UTLT; Semi-lateral ventilation; Numerical simulation; Smoke flow characteristics

TU83

A

1671-6612（2019）06-577-05

李 彪（1995.06-），男，在讀碩士研究生，E-mail：15983615289@163.com

馮 煉（1964-），女，博士，教授，E-mail：lancyfeng90@163.com

2019-03-09