特長水下隧道側(cè)向排煙模式的排煙效果研究

陳宏杰 馮 煉

特長水下隧道側(cè)向排煙模式的排煙效果研究

陳宏杰 馮 煉

（西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 成都 610031）

為了研究特長水下隧道側(cè)向排煙系統(tǒng)的排煙效果，以某特長城市水下隧道工程為例，借助FDS軟件建立模型。對比有、無縱向風(fēng)情況下，隧道內(nèi)不同車道上方煙氣層高度及人眼高度處能見度分布。結(jié)果表明：側(cè)向排煙模式下，隧道內(nèi)不同車道煙氣分布差異明顯，縱向風(fēng)對排煙系統(tǒng)的排煙效果有明顯影響。

側(cè)向排煙；縱向風(fēng)；煙氣層；能見度

0 引言

特長水下隧道工程在過江、跨海時，水下段越來越長，目前國內(nèi)建成及在建城市公路隧道水下段已超過10km。水下隧道在過江、跨海時由于工程施工風(fēng)險性極大及江海條件限制，僅能在兩岸設(shè)置排煙風(fēng)井，則會造成排煙區(qū)段超過規(guī)范要求的長度。若按照規(guī)范分段排煙分段設(shè)置排煙風(fēng)井控制區(qū)段不大于3000m[1]，則難以實施。目前我國建成及在建的特長水下隧道已經(jīng)開始采用側(cè)向集中排煙方式。

對于特長水下隧道火災(zāi)通風(fēng)排煙，目前已有大量學(xué)者做過相關(guān)研究。研究結(jié)果表明：在排煙作用下，非火源段煙氣溫度急劇下降[2]。采取集中排煙模式，通過排煙風(fēng)機(jī)抽吸作用，將火災(zāi)煙氣從排煙口吸入，經(jīng)排煙道排出，排煙效果較好，利于人員逃生，排煙速率、排煙口尺寸及位置對排煙效果影響較大[3-5]。當(dāng)火災(zāi)功率較大時，采取縱向風(fēng)+集中排煙模式，可以有效抑制煙氣沉降，提高隧道排煙系統(tǒng)的排煙效率[6,7]。

本文將以江蘇某特長城市水下隧道為例，利用FDS火災(zāi)軟件進(jìn)行數(shù)值模擬。分析有無縱向誘導(dǎo)風(fēng)下，隧道內(nèi)不同車道煙氣層高度、人眼高度處能見度分布情況，研究側(cè)向排煙系統(tǒng)的煙氣控制效果。以滿足煙氣層高度大于2m、人眼高度處能見度大于10m作為符合人員逃生的標(biāo)準(zhǔn)。

1 計算模型

1.1 工程概況

該隧道總長7740m，其中暗埋段7210m。總體布置：隧道橫斷面采用兩孔一管廊的結(jié)構(gòu)，中間管廊，兩側(cè)孔為車行隧洞。排煙風(fēng)道尺寸為5m×3m，隧道內(nèi)總高度為7.35m，單個車道孔總寬為17.45m。沿隧道長度方向每隔60m設(shè)置一個電動排煙口，尺寸2m×3m，如圖1所示。

圖1 隧道暗埋段橫斷面圖

1.2 模型建立

本文采用火災(zāi)計算軟件FDS對沉管隧道水平段進(jìn)行數(shù)值模擬。取隧道長度為700m，火源上游250m，下游450m。縱向風(fēng)為上游單側(cè)。均勻開啟火源上下游各3排煙口。

對隧道主隧道采用0.1倍火源特征直徑的網(wǎng)格尺寸，在火源附近50m區(qū)域內(nèi)對網(wǎng)格進(jìn)行局部加密，整個隧道模型總網(wǎng)格數(shù)1444100個，模擬時間360s。隧道模型如圖2所示。

圖2 隧道模型圖

1.3 火源參數(shù)

火災(zāi)發(fā)展曲線如圖3所示。

本次計算按照Runehamar實驗結(jié)果對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合后的參數(shù)[8]，火災(zāi)按以下發(fā)展：0～165s間按照6.12kW/s的增長率，165～260s間按照516.8kW/s的增長率，=260s達(dá)到50MW。本次模擬采用的燃料為庚烷（HEPTANE），燃燒特性按照FDS數(shù)據(jù)庫默認(rèn)值。

圖3 火災(zāi)發(fā)展曲線圖

根據(jù)目前國內(nèi)規(guī)范[1]對火災(zāi)自動報警系統(tǒng)的要求，從火災(zāi)開始，感煙設(shè)備感應(yīng)到火災(zāi)信息，到把信息傳遞到控制室開啟設(shè)備的時間不超過60s。從火災(zāi)信息啟動風(fēng)機(jī)開始，到風(fēng)機(jī)啟動排煙，時間不應(yīng)大于30s，故從火災(zāi)發(fā)生到排煙口開始排煙按90s控制。

1.4 工況設(shè)定

本次模擬設(shè)置兩組工況，環(huán)境溫度為20℃，總的排煙量為200m3/s，上下游各100m3/s。兩組對照工況如表1所示。

表1 模擬工況設(shè)計

2 計算結(jié)果與分析

2.1 不同車道煙氣層高度分布

圖4 內(nèi)側(cè)車道煙氣層高度分布

內(nèi)側(cè)車道煙氣層高度分布情況如圖4所示，當(dāng)隧道內(nèi)無縱向風(fēng)時，在內(nèi)側(cè)車道下游150m處，煙氣層高度降到2m以下，不滿足人員逃生標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)隧道內(nèi)縱向風(fēng)速為1.5m/s時，均在2m以上，滿足人員逃生標(biāo)準(zhǔn)。說明風(fēng)有利于限制煙氣蔓延，從而有利于煙氣從排煙口排出。

中間車道煙氣層高度分布情況如圖5所示，當(dāng)隧道內(nèi)無縱向風(fēng)時，在中間車道上游150m處，煙氣層高度低于2m，此時不滿足人員逃生標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)隧道內(nèi)縱向風(fēng)速為1.5m/s時，隧道內(nèi)煙氣層均在2m以上，滿足人員逃生標(biāo)準(zhǔn)。

圖5 中間車道煙氣層高度分布

外側(cè)車道煙氣層高度分布情況如圖6所示，無論隧道內(nèi)有、無縱向風(fēng)，在外側(cè)車道上，煙氣層高度均大于2m，滿足人員逃生標(biāo)準(zhǔn)。這是由于排煙口的抽吸作用與煙氣本身的擴(kuò)散，導(dǎo)致煙氣沒有在外側(cè)車道上聚集。

圖6 外側(cè)車道煙氣層高度分布

應(yīng)急車道煙氣層高度分布情況如圖7所示，當(dāng)隧道內(nèi)無縱向風(fēng)時，在應(yīng)急車道上游，煙氣層高度均高于2m，但在下游180m處，煙氣層高度低于2m，不滿足人員逃生標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)隧道內(nèi)縱向風(fēng)速為1.5m/s時，隧道內(nèi)煙氣層均在2m以上，滿足人員逃生標(biāo)準(zhǔn)。由于煙氣擴(kuò)散到側(cè)壁，受側(cè)壁阻擋，從而沿側(cè)壁下沉，導(dǎo)致應(yīng)急車道煙氣層高度較低。

圖7 應(yīng)急車道煙氣層高度分布

2.2 不同車道人眼高度處能見度分布

內(nèi)側(cè)車道人眼高度處能見度分布情況如圖8所示，當(dāng)隧道內(nèi)有、無縱向風(fēng)時，內(nèi)側(cè)車道人眼高度處能見度均大于10m，滿足人員逃生標(biāo)準(zhǔn)。

圖8 內(nèi)側(cè)車道人眼高度處能見度分布

圖9 中間車道人眼高度處能見度分布

中間車道人眼高度處能見度分布情況如圖9所示，當(dāng)隧道內(nèi)有、無縱向風(fēng)時，中間車道人眼高度處能見度均大于10m，滿足人員逃生標(biāo)準(zhǔn)。

外側(cè)車道人眼高度處能見度分布情況如圖10所示，無論隧道內(nèi)、無縱向風(fēng)，外側(cè)車道人眼高度處能見度均大于10m，且能見度良好，滿足人員逃生標(biāo)準(zhǔn)。

圖10 外側(cè)車道人眼高度處能見度分布

應(yīng)急車道人眼高度處能見度分布情況如圖11所示，當(dāng)隧道內(nèi)無縱向風(fēng)時，應(yīng)急車道上游人眼高度處能見度均在10m以上，在下游170m處，煙氣層高度降至10m以下，不滿足人員逃生要求。當(dāng)縱向風(fēng)速為1.5m/s時，上下游能見度均在10m以上，滿足人員逃生標(biāo)準(zhǔn)。由于側(cè)壁限制了煙氣的擴(kuò)散，導(dǎo)致煙氣沿側(cè)壁下沉，人眼高度處能見度降低。無縱向風(fēng)時，煙氣沉降較多，能見度不滿足人員逃生標(biāo)準(zhǔn)；當(dāng)縱向風(fēng)速為1.5m/s時，雖然滿足人員逃生標(biāo)準(zhǔn)，但是應(yīng)急車道上能見度較低。

圖11 應(yīng)急車道人眼高度處能見度分布

3 結(jié)論

通過對該特長城市水下隧道側(cè)向排煙模式下，有無縱向風(fēng)兩種工況進(jìn)行模擬，分析不同車道煙氣層高度分布以及人員高度處能見度分布，得出以下結(jié)論：

（1）在公路隧道火災(zāi)中，只采用側(cè)向集中排煙則會導(dǎo)致煙氣發(fā)生沉降，不滿足人員逃生標(biāo)準(zhǔn)。縱向風(fēng)可以有效抑制火災(zāi)煙氣往上游蔓延，同時可抑制煙氣在隧道內(nèi)沉降，有利于人員逃生。

（2）隧道內(nèi)火災(zāi)煙氣在橫向上，從火源位置向隧道兩側(cè)擴(kuò)散，沿隧道內(nèi)兩側(cè)壁沉降下來，從而導(dǎo)致隧道內(nèi)靠近側(cè)壁的兩條車道上，煙氣層高度與人眼高度處能見度較低。

（3）內(nèi)側(cè)車道、中間車道、外側(cè)車道煙氣層高度分布曲線上，在上下游排煙口附近有明顯的上升。這是由于隧道內(nèi)側(cè)壁上方排煙口的抽吸作用，使這些位置處的煙氣通過排煙口排出。說明側(cè)向排煙系統(tǒng)對于靠側(cè)壁三條車道的排煙效果較好，對于應(yīng)急車道上方火災(zāi)煙氣的排出效果不明顯。

[1] GB/T 50016-2014,建筑設(shè)計防火規(guī)范[S].北京:中國計劃出版社,2015.

[2] 雷凱榮.地鐵隧道火災(zāi)雙點排煙煙氣溫度分布特性的試驗研究[J].制冷與空調(diào),2019,33(3):319-322.

[3] 陳建忠,曹正卯,張琦.側(cè)壁排煙模式下超寬斷面沉管隧道火災(zāi)排煙效率研究[J].地下空間與工程學(xué)報,2017, (13):394-399.

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[6] 吳和俊,崔海浩.側(cè)向集中排煙應(yīng)用于海底隧道的分析優(yōu)化[J].消防科學(xué)與技術(shù),2017,36(10):1364-1367.

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Effect of Connecting Line on Ventilation and Thermal Environment of Subway

Chen Hongjie Feng Lian

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

In order to study the smoke exhausting effect of the urban special underwater tunnel lateral smoke exhaust system, a special urban underwater tunnel project is taken as an example to establish a model by means of FDS software. Comparing the situation which is there any longitudinal wind, the distribution of the smoke layer height and visibility at the height of the human eye in in different lanes in tunnel. The results show that under the lateral exhaust mode, the smoke distribution in different lanes in the tunnel is obviously different, and the longitudinal wind has a significant influence on the smoke exhausting effect of the exhaust system.

Lateral smoke exhaust; Longitudinal wind; Smoke layer height; Visibility

U459.5

A

1671-6612（2020）04-428-04

陳宏杰（1995-），男，在讀碩士研究生，E-mail：chenhj23@foxmail.com

馮 煉（1964-），女，博士，教授，E-mail：lancyfeng90@126.com

2019-11-18