障礙物對隧道火災中豎井自然排煙效果的影響*

鐘 委，韓 寧，孫超鵬

(鄭州大學 力學與安全工程學院，河南 鄭州 450001)

0 引言

近年來，隨著國民經濟和交通運輸系統的快速發展，我國修建了大量的隧道[1]。由于隧道結構的特殊性以及高溫煙氣對人體巨大的危害性，一旦隧道內部發生火災，煙氣難以排出，會造成嚴重的人員傷亡和結構破壞[2]。當發生火災時，停放在隧道內的部分車輛或貨物會對煙氣流動造成一定的干擾，進而影響煙氣的排放。目前，有關研究較少考慮障礙物對豎井排煙的影響機制。因此，研究在火災中有障礙物存在時及時有效地排出高溫煙氣十分必要。

隧道排煙方式可以分為機械排煙和自然排煙2種[3-4]。由于機械排煙成本較高，設備復雜，近年來國內外學者針對城市淺埋隧道豎井自然排煙開展大量研究，證明了該方式的可行性，并在實際隧道中得到廣泛運用。Fan等[5]通過數值模擬分析出隨著火源與豎井縱向距離增加，豎井排出煙氣的質量會降低；韓見云等[6]在1∶6尺寸城市隧道實驗臺上開展一系列實驗,研究不同條件下隧道自然排煙豎井的排煙效果，結果表明,豎井的橫截面尺寸直接影響排煙效果；Zhong等[7]分析隧道內縱向通風對豎井排煙的影響規律，結果表明存在1個臨界縱向風速，此時豎井排煙效果最佳；叢海勇[8]通過實驗和數值模擬說明豎井下方設置擋板能夠有效改善吸穿現象。但以上研究均未考慮隧道內障礙物的影響。

目前，國內外學者對障礙物作用下隧道火災的煙氣流動特性也有較多研究。Gannouni等[9]通過數值模擬討論隧道火災發生時上游障礙物的存在對于煙氣羽流分層的影響，得出隧道內的障礙物促進了熱源上游的煙流分層，此種阻塞影響會導致下游氣流進一步推動煙氣流動；馬志欣[10]通過小尺寸隧道實驗臺研究阻塞效應作用下隧道火災頂棚射流火焰發展特性，結果表明障礙物距火源較近時會強化燃燒；Tang等[11]通過1∶6小尺寸隧道模型實驗，提出在縱向通風隧道里火源與障礙物距離變化情況下的頂棚下最高溫度經驗公式；Luo等[12]通過數值模擬分析不同阻塞率下的縱向通風隧道內煙氣擴散情況，隨著上游障礙物阻塞比的增加，隧道頂棚下最高溫度會降低，同時煙氣擴散范圍也會變小。

本文采用FDS對某城市隧道建立模型，采用大渦模擬方法分析下游障礙物對隧道煙氣流動特性的影響，并對豎井排煙效果進行討論。

1 數值模擬

1.1 FDS軟件介紹

FDS(Fire Dynamic Simulation)是由美國國家標準與技術協會研究開發的1種基于場模擬的火災模擬軟件，適用于火災引起的煙氣擴散和熱傳遞的計算機模擬。FDS軟件減少了在建模時的假設條件，并具有良好的編程基礎，所以其適用范圍較廣[13]。目前，FDS軟件主要的模擬方法有直接數值模擬方法和大渦模擬法。微分方程數值解直接計算大尺度運動，模擬實體模型的狀態和結構，并利用子網格模型模擬小尺度運動對大尺度運動的影響。采用濾波方法對包括脈動在內的瞬態湍流模型進行分解，降低了計算量，更適用于火災模擬。

1.2 隧道火災模型的建立

本文建立的水平隧道物理模型長為100 m，寬為10 m，高為5 m，豎井高為5 m，橫截面面積為2 m×2 m，縱向風入口位于隧道左側，選取風速為0～2 m/s之間的5種風速[14]，選取火源位于隧道中心線距左側入口31.5 m處為典型的小汽車火災場景，火源熱釋放速率為3 MW，定義火源燃燒為穩態燃燒。豎井位于離隧道左側進口55 m處，為保證計算結果準確，在豎井上方增加一塊額外的計算域。障礙物幾何尺寸為長4 m，寬3 m，高3 m，將其分別放置在火源下游0～12 m區段，將障礙物性質設為不可燃燒，環境溫度設為20 ℃。綜合考慮數值模擬精度和計算機性能，模擬時網格尺寸大小選取0.1 m×0.1 m×0.1 m。水平隧道模型如圖1所示。為更好地計算豎井排出熱量情況，在豎井頂部開口處布置熱電偶測點進行煙氣溫度的測量，每隔0.5 m布置1個測點，共16個測點；同時在相同界面位置處布置等數量的速度測點，用來測量煙氣從豎井口流出的速度。測點布置情況如圖1～2所示。

圖1 隧道模型示意Fig.1 Schematic diagram of tunnel model

圖2 豎井頂部測點分布情況Fig.2 Distribution of measuring points at shaft top

模擬實驗以縱向通風風速和障礙物與火源之間的縱向距離為變量，研究障礙物附近區域的溫度場、流場分布情況以及豎井頂部開口處的排出熱量。模擬實驗工況見表1。

表1 實驗工況匯總Table 1 Summary of experimental conditions

2 結果與討論

2.1 障礙物對隧道煙氣流動的影響機制

在不同縱向風速條件下，當火源與障礙物縱向距離為2 m時，隧道中心線處的縱向切片流場圖如圖3所示。由圖3和流體力學[15]知識可知，當氣體流過障礙物，會在障礙物前沿和后方發生邊界層分離，并在前沿和后方出現負壓區，吸引周圍流體進入負壓區形成渦旋。障礙物前沿產生的負壓區會吸引火羽流和煙氣向障礙物貼附；障礙物后方產生的負壓區會將流經的煙氣向隧道下方吸引，使得煙氣層沉降，增大煙氣層厚度。隨著縱向風速的增大，障礙物前沿和后方形成的負壓區變得更加明顯，對流經煙氣的影響作用不斷加強。

圖3 不同縱向風速下隧道內流場變化(縱向距離2 m)Fig.3 Change of flow field in tunnel under different longitudinal wind speeds (longitudinal distance is 2 m)

在縱向風速2.0 m/s下，火源與障礙物縱向距離變化下的隧道中心線處縱向溫度場切片圖如圖4所示。

由圖4可知，縱向距離逐漸增加到2 m時，由于火源離障礙物較近，火焰容易貼壁，高溫羽流長度較長，隧道內障礙物后方煙氣層厚度變厚；當縱向距離增加到6 m時，火羽流和煙氣被向下吸引貼近障礙物，隧道內煙氣進一步發生沉降，在6 m時流動到障礙物后方的30°煙氣已經下落到地面，隧道內部溫度再次增加；而當縱向距離增加到12 m時，由于離豎井口較近，煙囪效應增強，豎井排煙引起的誘導風速增大，隧道內煙氣層厚度相比之前也開始變薄，但是較大縱向風速使得煙氣的摻混作用更加明顯。

當縱向距離為2 m時，隧道內縱向風速從0 m/s逐漸增大到2.0 m/s時的隧道中心線處煙氣縱向溫度切片變化情況如圖5所示。由圖5可知，當縱向距離一定時，縱向風速的增加會導致火焰向隧道下游傾斜。隨著縱向風速的增加，火焰的傾斜角度逐漸增大，當縱向風速達到2.0 m/s時，火焰最貼近障礙物壁面。同時當風速不斷增大到1.5 m/s時，大部分煙氣吹向障礙物后方，高溫區域增大，煙氣層不斷變厚，隧道內部溫度升高；風速繼續增大到2.0 m/s，隧道入口處的新鮮空氣水平速度過大且與煙氣摻混作用明顯，隧道上游不再出現煙氣逆流情況，高溫區域減小，低溫區域增加，煙氣層變薄。

圖4 不同縱向距離下隧道內溫度變化(縱向風速2.0 m/s)Fig.4 Change of temperature in tunnel under different longitudinal distances (longitudinal wind speed is 2.0 m/s)

圖5 不同縱向風速下隧道內溫度變化(縱向距離2 m)Fig.5 Change of temperature in tunnel under different longitudinal wind speeds (longitudinal distance is 2 m)

由圖4～5可知，縱向風速和縱向距離的變化將引起隧道內煙氣輸運與摻混行為的改變，從而對豎井的溫度分布及豎井排出的熱量造成影響。

2.2 豎井內溫度變化

通過測量豎井內部的溫度分布可以判斷豎井內是否發生吸穿現象。以隧道內縱向風速1.0 m/s為例，縱向距離從0 m到12 m時的豎井內溫度分布如圖6所示。由圖6可知，在縱向距離增加到2 m時，豎井中上游溫度明顯比下游溫度高，溫差可達45 ℃，同時可以看出豎井均在下游出現低溫區域，且其溫度僅為25 ℃左右，這表明豎井排煙時發生了吸穿現象，將空氣吸入豎井內部，導致豎井下游溫度降低；當縱向距離增加到8 m時，豎井底部低溫區域面積不斷減小，豎井上下游溫度差變小，吸穿程度得到改善；當縱向距離增加到12 m時，由于靠近豎井口，煙囪效應增強，豎井內部溫度略有降低并接近50 ℃，豎井下方不發生吸穿。

圖6 不同縱向距離時豎井內的溫度分布(縱向風速1.0 m/s)Fig.6 Change of temperature in shaft under different longitudinal distances (longitudinal wind speed is 1.0 m/s)

當縱向距離為2 m時，縱向風速從0 m/s逐漸增加到2.0 m/s的豎井內部的溫度分布情況如圖7所示。

由圖7可知，縱向風速從0 m/s逐漸增加到1.5 m/s，豎井內部的高溫煙氣區域逐漸增加，內部平均溫度逐漸增加，說明此時更多的煙氣通過豎井排出；而當風速繼續增加到2 m/s時，由于冷空氣的過度摻混，低溫區域增加，使得豎井內部溫度降低。

圖7 不同縱向風速時豎井內的溫度分布(縱向距離2 m)Fig.7 Temperature distribution in shaft under different longitudinal wind speeds (longitudinal distance is 2 m)

2.3 豎井開口處的排煙效果比較

由于障礙物的存在，隧道內縱向風速和縱向距離的變化將直接影響隧道內的煙氣流動，從而導致豎井口排出煙氣的變化。豎井的排出熱量是排煙研究特別關注的問題。豎井口面積為4 m2，將其平均分成4塊，i指4個面積塊的序號，i=1,2,3,4。豎井排出熱量的計算公式如式(1)～(2)所示：

Qi=cp·ρ·ui·Ai·ΔT

(1)

Q=∑Qi

(2)

式中：Q為豎井排出熱量，kW；Qi為第i塊面積單獨排出的熱量,kW；cp為定壓比熱容，kJ/(kg·℃)，取1.005；ρ為煙氣密度，kg/m3；ui為豎井開口界面Z方向速度，m/s；Ai為截面面積，取1 m2；ΔT為煙氣溫度與空氣溫度差值，K，空氣常溫為293 K。

通過模擬計算結果將研究區域分為3個區域，即近火源區(縱向距離0～<2 m)、中間區(縱向距離2～<8 m)以及近豎井區(縱向距離8～12 m)。

豎井出口排出熱量隨障礙物與火源縱向距離變化如圖8所示。由圖8可知，2種縱向風速下的總體變化趨勢一致，但隨著火源與障礙物縱向距離的增加，排出熱量先減小再增加最后減小。

圖8 豎井出口排出熱量隨障礙物與火源縱向距離變化Fig.8 Change of exhaust heat by shaft outlet with distance between obstacle and fire source

當障礙物在近火源區時，排出熱量迅速降低，這是由于豎井下方煙氣層較薄，豎井排煙出現吸穿現象，豎井內吸入大量新鮮冷空氣，導致排出熱量減少。

當障礙物在中間區時，排出熱量逐漸升高，這是由于障礙物后方發生邊界層分離，煙氣在障礙物后方發生積聚，使得煙氣層變厚，改善近火源區出現的吸穿現象。

當障礙物在近豎井區時，排出熱量再次降低，這是因為距豎井距離較近，豎井排煙產生的豎向慣性力影響了障礙物后方的負壓區，使煙氣層變薄，排出熱量減少。

豎井出口排出熱量隨縱向風速變化情況如圖9所示。由圖9可知，在縱向距離一定時，當縱向風速不斷增大到1.5 m/s時，大部分煙氣被吹向下游，提高煙氣溫度，改善吸穿現象，使得豎井排出熱量不斷增加；當縱向風速繼續增大到2.0 m/s時，由于從隧道入口進來的冷空氣具有較大的速度，使得冷空氣與煙氣的摻混作用明顯增強，低溫區域增加，進而使排出熱量減小，這與文獻[9]的結果基本一致。

圖9 豎井出口排出熱量隨縱向風速變化Fig.9 Change of exhaust heat by shaft outlet with longitudinal wind speed

3 結論

1)障礙物在近火源區時，由于豎井下方煙氣層較薄，豎井排煙出現吸穿現象，豎井內吸入大量新鮮冷空氣，排煙效果較差；障礙物在中間區時，由于障礙物后方發生邊界層分離，煙氣在障礙物后方發生積聚，使得煙氣層變厚，排煙效果增強；當障礙物在近豎井區時，隨著距豎井距離的減少，豎井排煙產生的豎向慣性力對障礙物后方負壓區的影響加大，使煙氣層變薄，排煙效果變差。

2)在縱向距離一定時，隨著縱向風速的增加，上游煙氣被吹向下游，從而提高下游煙氣溫度，豎井排出熱量也不斷增加；當增大到1.5 m/s時排煙效果最佳；當風速繼續增大，新鮮空氣與煙氣摻混明顯，低溫區域增加，排出熱量反而減小。