基于防煙空氣幕作用下的多岔式隧道火災(zāi)模擬分析

蘇紫敏 林建業(yè) 蘇天德

摘要：為研究新型防排煙技術(shù)——防煙空氣幕在多岔式隧道中的應(yīng)用效果，文章采用數(shù)值模擬方式，研究了防煙空氣幕的火災(zāi)控制性能。研究結(jié)果表明：防煙空氣幕具有良好的隔熱和隔煙效果，改變不同的火源位置，空氣幕的隔熱效率均能達(dá)到70%以上，且能有效隔絕燃燒產(chǎn)生的煙氣蔓延擴(kuò)散。同時(shí)，還分析了不同空氣幕風(fēng)速對(duì)空氣幕性能的影響，結(jié)果表明風(fēng)速越大，隔熱效果越好。

關(guān)鍵詞：多岔式隧道;防煙空氣幕;數(shù)值模擬;隔熱效率;煙氣蔓延

0 引言

隨著現(xiàn)代城市土地資源快速減少，地下交通成為拓展更多城市用地的最佳選擇。城市隧道雖然屬于隧道交通的一種，但因其結(jié)構(gòu)交叉連通、出入口不單一的特點(diǎn)，使其與一般隧道存在一定區(qū)別。多岔式隧道發(fā)生火災(zāi)時(shí)與單線隧道火災(zāi)有較大不同：（1）由于主隧道風(fēng)速與支隧道不同，煙氣易向氣壓低處擴(kuò)散;（2）由于通道不單一使得氣流組織不穩(wěn)定，導(dǎo)致隧道內(nèi)風(fēng)速不恒定，排煙設(shè)備的參數(shù)難以確定;（3）多岔式隧道結(jié)構(gòu)復(fù)雜，消防撲救與救援難度大。基于以上特點(diǎn)，多岔式隧道火災(zāi)比普通隧道火災(zāi)危害性大，鑒于目前國(guó)內(nèi)多岔式隧道的數(shù)量龐大，對(duì)多岔式隧道進(jìn)行火災(zāi)模擬分析是非常有必要的。

多岔式隧道屬于狹長(zhǎng)空間，高溫和煙氣是威脅人身安全的重要因素，如何在保證人員疏散的同時(shí)有效控制煙氣蔓延和高溫控制是亟須探究的問(wèn)題。城市隧道內(nèi)通常采用傳統(tǒng)的防排煙設(shè)施，如擋煙垂壁、防火卷簾，但傳統(tǒng)防排煙設(shè)施在阻擋煙氣擴(kuò)散的同時(shí)增加了結(jié)構(gòu)上的阻礙，對(duì)人員的疏散會(huì)造成一定影響。防煙空氣幕作為一種新型的防排煙技術(shù)，既能衰減火災(zāi)熱輻射，亦能在阻隔煙氣蔓延的同時(shí)不妨礙人員進(jìn)行安全疏散。梅秀娟等[1]利用FDS軟件對(duì)空氣幕作用于隧道火災(zāi)煙氣蔓延的規(guī)律進(jìn)行研究，結(jié)果表明在隧道內(nèi)設(shè)置空氣幕可有效防止火災(zāi)煙氣的蔓延;吳振坤等[2]在地鐵車站敞開(kāi)樓梯口開(kāi)展空氣幕擋煙效果現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，得到了不同參數(shù)下空氣幕對(duì)煙氣蔓延控制的影響;陳濤等[3]根據(jù)空氣幕火災(zāi)時(shí)的流場(chǎng)建立數(shù)學(xué)模型，并通過(guò)理論推導(dǎo)求出數(shù)值解析。

從國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究中可以發(fā)現(xiàn)防煙空氣幕具有一定的研究基礎(chǔ)和成果，在工程上也有部分先進(jìn)企業(yè)采用空氣幕作為防煙設(shè)施。但是由于多岔式隧道是近十年來(lái)的建設(shè)重點(diǎn)，與單隧道存在一定差異，前人的研究缺少普遍適用性。綜上所述，開(kāi)展防煙空氣幕作用下城市多岔式隧道的火災(zāi)模擬分析是十分有必要的。

[=XQS（]基于防煙空氣幕作用下的多岔式隧道火災(zāi)模擬分析/蘇紫敏，林建業(yè)，蘇天德[=JP2]1 火災(zāi)模型設(shè)計(jì)

1.1 FDS軟件介紹

FDS是美國(guó)NIST（National Institute of Standards and Technology）研發(fā)的對(duì)于火災(zāi)場(chǎng)景模擬流體運(yùn)動(dòng)的軟件。本文將利用FDS軟件對(duì)城市多岔式隧道火災(zāi)進(jìn)行數(shù)值模擬研究。

1.2 多岔式隧道的數(shù)值模型建立

本文模型參考實(shí)際多岔式隧道尺寸建立，選取主隧道長(zhǎng)度為100 m，寬度為10 m;分叉口位于隧道中部，支隧道與主隧道夾角為40°，支隧道長(zhǎng)度為50 m，寬度為5 m。本次模擬采用的火源材料為正庚烷，以t2快速增長(zhǎng)，位置距分叉口30 m。空氣幕厚度為0.5 m[4]，長(zhǎng)度為6 m（即分叉口寬度）（見(jiàn)圖1）。

在FDS數(shù)值模擬過(guò)程中，網(wǎng)格大小的選取對(duì)于結(jié)果的計(jì)算至關(guān)重要，在FDS模擬研究中常通過(guò)公式計(jì)算和模擬對(duì)比，得到合適的網(wǎng)格尺寸，在不影響實(shí)驗(yàn)?zāi)M數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度的情況下，確保模擬實(shí)驗(yàn)時(shí)間的充分[5]。現(xiàn)FDS模擬中常采用的計(jì)算方法是D*，其計(jì)算公示為：

D*=（Q .ρ0cpT0g）2/5（1）

式中：D*——火源特征直徑;

Q .——火源熱釋放速率（kW）;

ρ0——空氣密度（kg/m3）;

cp——比熱容（kJ/kg·k）;

T0——環(huán)境溫度（K）;

g——重力加速度（m/s2）。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)研究表明，D*的計(jì)算取值介于4～16之間時(shí)，能夠較好模擬火災(zāi)中煙氣的下沉和煙氣的運(yùn)輸情況。通過(guò)式（1）的計(jì)算結(jié)果，如表1所示，當(dāng)火源功率為10 MW時(shí)，網(wǎng)格尺寸取值最小值為0.14;當(dāng)火源功率為5 MW時(shí)，網(wǎng)格尺寸取值取值最大值為0.45。綜合考慮模擬精度和模擬運(yùn)算時(shí)間，確定網(wǎng)格精度為0.4×0.4×0.4，網(wǎng)格數(shù)量300 000個(gè)。

1.3 研究工況

本文將改變火源功率、空氣幕的出口流速、隧道口臨界風(fēng)速來(lái)探究空氣幕的防煙效果，從而得到不同工況下空氣幕的最佳流速[6]，探究臨界風(fēng)速和機(jī)械排煙條件下空氣幕的防煙效果。具體研究工況如表2所示。

2 防煙空氣幕對(duì)城市多岔式隧道火災(zāi)蔓延控制的影響2.1 防煙空氣幕隔熱效果分析

為表示防煙空氣幕的隔熱能力，本文采用隔熱效率表征空氣幕衰減火災(zāi)熱輻射的能力[7]。隔熱效率（η）定義為燃燒區(qū)和有空氣幕分隔的非燃燒區(qū)同一試點(diǎn)溫度差值與燃燒區(qū)該點(diǎn)溫度的比值，表示為：

η=T1-T2T1（2）

式中：T1——燃燒區(qū)的測(cè)點(diǎn)溫度（℃）;

T2——有空氣幕分隔的非燃燒區(qū)的測(cè)點(diǎn)溫度（℃）。

下頁(yè)圖2（a）～（c）是自然通風(fēng)下火源距離空氣幕30 m時(shí)主隧道和支隧道的溫度切片對(duì)比圖。火源功率為5 MW，防煙空氣幕設(shè)置在虛線處，風(fēng)速為10 m/s，設(shè)置為火源燃燒30 s后開(kāi)啟。由圖2（a）～（c）可知隨著燃燒的不斷進(jìn)行，主隧道內(nèi)的溫度快速升高，當(dāng)燃燒進(jìn)行到60 s時(shí)，主隧道溫度在400 ℃～800 ℃，最高達(dá)到820 ℃;支隧道受到空氣幕的保護(hù)，溫度保持在20 ℃～160 ℃之間，最高達(dá)到158 ℃。當(dāng)燃燒持續(xù)到100 s以后，主隧道的溫度已達(dá)到500 ℃～900 ℃，此時(shí)主隧道已不具備人員生存的條件，而支隧道靠近地面的中下部溫度仍在30 ℃～150 ℃，頂棚溫度在150 ℃～240 ℃。根據(jù)式（2）計(jì)算，防煙空氣幕的隔熱效率約為80%。

圖2（d）～（f）是自然通風(fēng)下火源距離空氣幕0 m時(shí)主隧道和支隧道的溫度切片對(duì)比圖，其余參數(shù)不變。主隧道溫度迅速升高，達(dá)到900 ℃～1 400 ℃;而因火源距離空氣幕較近，支路隧道的溫度較火源距離空氣幕30 m時(shí)的溫度更高，達(dá)到150 ℃～350 ℃;同時(shí)在空氣射流的作用下，隨著燃燒的持續(xù)進(jìn)行煙氣層在隧道內(nèi)下降，煙氣層具有高溫的特點(diǎn)，導(dǎo)致在隧道中下部的溫度與頂棚溫度接近。根據(jù)式（2）計(jì)算，防煙空氣幕的隔熱效率約為73%。根據(jù)以上分析，可知空氣幕具有良好的隔熱效果。

2.2 防煙空氣幕隔煙效果分析

當(dāng)隧道發(fā)生火災(zāi)，因氧氣不足而使可燃物進(jìn)行不完全燃燒會(huì)產(chǎn)生大量煙氣，煙氣中的大量固體小顆粒和小液滴具有很強(qiáng)的遮光性，煙氣濃度越大，人的能見(jiàn)度越低，對(duì)人員逃生的威脅越大。在一般環(huán)境中，人員的能見(jiàn)度為30 m;在應(yīng)急逃生時(shí)，隧道內(nèi)的能見(jiàn)度應(yīng)滿足10 m以上為最佳。與上文中參數(shù)保持一致，圖3（a）～（c）是自然通風(fēng)下火源距離空氣幕30 m時(shí)不同時(shí)間階段隧道內(nèi)能見(jiàn)度的變化圖。通過(guò)分析可知當(dāng)燃燒進(jìn)行到60 s時(shí)主隧道整體的能見(jiàn)度已降低到8 m以下，而支隧道的能見(jiàn)度仍保持在15～25 m;當(dāng)燃燒進(jìn)行到120 s以后主隧道的能見(jiàn)度已降低到5 m以下，此時(shí)煙氣不斷產(chǎn)生且無(wú)法有效排出，向下沉積，造成整個(gè)主隧道充滿了大量濃煙;支路隧道因受到空氣幕的分隔保護(hù)，能見(jiàn)度仍能保持在15 m以上。圖3（d）～（f）是自然通風(fēng)下火源距離空氣幕0 m時(shí)能見(jiàn)度的變化圖。相對(duì)于火源距離空氣幕30 m時(shí)，支路隧道的能見(jiàn)度相對(duì)低3～5 m，這是因?yàn)榛鹪纯拷諝饽唬瑹煔馍闪看螅瑝簭?qiáng)上升向四周膨脹，當(dāng)壓力增強(qiáng)到空氣幕不足以阻擋時(shí)，煙氣就會(huì)穿過(guò)空氣幕進(jìn)入支隧道，使能見(jiàn)度降低。

隨著燃燒的不斷進(jìn)行，空氣幕的空氣輸出方向由最初的垂直向下而后逐漸發(fā)生偏移，分析認(rèn)為是隨著燃燒進(jìn)行煙氣在不斷地增加，空氣幕輸出的空氣對(duì)煙氣的運(yùn)動(dòng)造成一定的擾亂，使得火源卷吸的范圍擴(kuò)大，空氣輸出角度有所改變，但對(duì)空氣幕的隔煙效果影響較小，隔煙效果依舊良好。

2.3 臨界風(fēng)速對(duì)防煙空氣幕火災(zāi)控制性能的影響

將隧道環(huán)境改為存在自然風(fēng)的情況，設(shè)置臨界風(fēng)速為2 m/s（風(fēng)向以y軸正方向?yàn)檎瑢⒒鹪垂β试O(shè)置為5 MW，火源位置分別設(shè)置在距離空氣幕30 m處和0 m處。

圖4（a）～（c）是有臨界風(fēng)速作用下火源距離空氣幕30 m時(shí)主隧道和支隧道的溫度對(duì)比圖。經(jīng)分析，主隧道和支隧道的溫度均較自然通風(fēng)時(shí)有所升高，當(dāng)燃燒進(jìn)行到100 s后，主隧道溫度在700 ℃～880 ℃，支隧道溫度在120 ℃～450 ℃，防煙空氣幕的隔熱效率約為64%，較自然通風(fēng)下的隔熱效率降低了16%。圖4（d）～（f）為臨界風(fēng)速作用下火源距離空氣幕0 m時(shí)主隧道和支隧道的溫度對(duì)比圖。與火源距離空氣幕30 m處燃燒時(shí)的情況不同，當(dāng)火源距離空氣幕0 m時(shí)，支隧道的溫度保持良好，在20 ℃～200 ℃，而主隧道的溫度在700 ℃～1 000 ℃，防煙空氣幕的隔熱效率約為87%。

圖5是有臨界風(fēng)作用下火源距離空氣30 m和0 m時(shí)主隧道和支隧道的能見(jiàn)度對(duì)比圖。可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)火源處于30 m時(shí)，在自然風(fēng)的作用下，部分煙氣進(jìn)入支隧道使得隧道內(nèi)能見(jiàn)度降低，保持在5～15 m之間，防煙空氣幕的隔煙效果不理想;當(dāng)火源位于0 m處時(shí)，在自然風(fēng)作用下煙氣沿主隧道外壁蔓延，只有小部分煙氣在燃燒后期進(jìn)入支隧道，支隧道的能見(jiàn)度較高，基本維持在23 m以上，隔煙效果良好。

分析兩種工況下溫度和能見(jiàn)度的變化規(guī)律，當(dāng)火源位于30 m時(shí)，由于正向風(fēng)的作用，部分煙氣沿著支隧道蔓延，此時(shí)支隧道的溫度較高，能見(jiàn)度較低，隔熱和隔煙效果不理想;當(dāng)火源位于0 m時(shí)，在自然風(fēng)作用下煙氣沿主隧道外壁蔓延，在空氣幕的保護(hù)下只有小部分煙氣在燃燒后期進(jìn)入支隧道，此時(shí)空氣幕的防煙和隔熱效果較理想，可以有效阻止煙氣向支隧道蔓延。在實(shí)際工程中設(shè)置空氣幕，均需考慮隧道臨界風(fēng)對(duì)空氣幕性能的影響，可考慮增大防煙空氣幕的釋放風(fēng)速，同時(shí)與機(jī)械排風(fēng)系統(tǒng)共同作用。

3 影響防煙空氣幕性能的因素

當(dāng)防煙空氣幕用于實(shí)際工程項(xiàng)目中，除了日常維護(hù)及清洗設(shè)備外，風(fēng)機(jī)的功率、出風(fēng)口的大小一般不作調(diào)整或更換。本小節(jié)主要通過(guò)改變防煙空氣幕的風(fēng)速，探尋實(shí)際工程中適合防煙空氣幕的最佳風(fēng)速。

試驗(yàn)?zāi)M了4種風(fēng)速、2種火源功率的試驗(yàn)工況進(jìn)行比較，如表3所示。

下頁(yè)圖6（a）為火源功率為5 MW時(shí)支隧道溫度隨空氣幕流速變化的曲線圖。根據(jù)曲線圖可發(fā)現(xiàn)設(shè)有空氣幕保護(hù)的試驗(yàn)工況溫度均低于未設(shè)有空氣幕的溫度。未開(kāi)啟空氣幕時(shí)支隧道溫度最高為800 ℃;當(dāng)空氣幕風(fēng)速為8 m/s時(shí)，最高溫度為475 ℃;當(dāng)空氣幕風(fēng)速為10 m/s時(shí)，最高溫度為315 ℃;當(dāng)空氣幕風(fēng)速為12 m/s時(shí)，最高溫度為200 ℃;當(dāng)空氣幕風(fēng)速為15 m/s時(shí)，最高溫度為150 ℃。總體分析，當(dāng)空氣幕風(fēng)速在10 m/s、12 m/s、15 m/s時(shí)支隧道的溫度基本能保持在200 ℃以下，均能達(dá)到較好的隔熱效果。圖6（b）為火源功率為10 MW時(shí)支隧道溫度隨空氣幕流速變化的曲線圖。未開(kāi)啟空氣幕時(shí)支隧道溫度最高為1 100 ℃;當(dāng)空氣幕風(fēng)速為8 m/s時(shí)，最高溫度為730 ℃;當(dāng)空氣幕風(fēng)速為10 m/s時(shí)，最高溫度為550 ℃;當(dāng)空氣幕風(fēng)速為12 m/s時(shí)，最高溫度為180 ℃;當(dāng)空氣幕風(fēng)速為15 m/s時(shí)，最高溫度為80 ℃。當(dāng)空氣幕風(fēng)速在12 m/s和15 m/s時(shí)支隧道的溫度基本能保持在180 ℃以下，隔熱效果良好。

綜上分析，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)火源功率為5 MW時(shí)，空氣幕風(fēng)速在10 m/s及以上能有較好的隔熱效果;當(dāng)火源功率為10 MW時(shí)，空氣幕風(fēng)速在12 m/s及以上能有較好的隔熱效果。研究同時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)空氣幕風(fēng)速在12 m/s及以上時(shí)，支隧道的溫度曲線較為接近甚至有所重合，說(shuō)明當(dāng)空氣幕風(fēng)速持續(xù)增加時(shí)，隔熱效果并非呈線性增加，在實(shí)際工程中應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇適當(dāng)?shù)娘L(fēng)速，在保證能發(fā)揮空氣幕作用的同時(shí)也能較好地控制成本。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）防煙空氣幕具有明顯的隔煙效果。當(dāng)火源距離空氣幕30 m時(shí)，支隧道的能見(jiàn)度均能保持在15 m以上;當(dāng)火源距離空氣幕0 m時(shí)，因火源靠近空氣幕，煙氣生成量大，壓強(qiáng)上升向四周膨脹，當(dāng)壓力增強(qiáng)到空氣幕不足以阻擋時(shí)，煙氣就會(huì)穿過(guò)空氣幕進(jìn)入支隧道，能見(jiàn)度能保持在10 m以上。

（2）防煙空氣幕具有良好的隔熱效果。當(dāng)火源距離空氣幕30 m時(shí)，主隧道溫度在500 ℃～900 ℃，而支隧道靠近地面的中下部溫度仍在30 ℃～150 ℃，隔熱效率約為80%;當(dāng)火源距離空氣幕0 m時(shí)，主隧道溫度達(dá)到900 ℃～1 400 ℃，支路隧道的溫度達(dá)到150 ℃～350 ℃，隔熱效率約為73%。

（3）在自然通風(fēng)的條件下，空氣幕風(fēng)速越大，隔熱效果越好。當(dāng)火源功率為5 MW時(shí)，空氣幕風(fēng)速在10 m/s及以上時(shí)有較好的隔熱效果;當(dāng)火源功率為10 MW時(shí)，空氣幕風(fēng)速在12 m/s及以上時(shí)有較好的隔熱效果。但空氣幕風(fēng)速越大，對(duì)實(shí)際工程中風(fēng)機(jī)的選用功率越高，且隔熱效果并非隨著風(fēng)速的增加而更好，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況合理選擇空氣幕風(fēng)速。

（4）當(dāng)有臨界風(fēng)速的作用下，當(dāng)火源位于30 m時(shí)，有部分煙氣沿著支隧道蔓延，此時(shí)支隧道的溫度較高，能見(jiàn)度較低，隔熱和隔煙效果不理想;當(dāng)火源位于0 m時(shí)，在自然風(fēng)作用下煙氣沿主隧道外壁蔓延，只有小部分煙氣在燃燒后期進(jìn)入支隧道，防煙和隔熱效果較理想。

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