側(cè)向排煙方式下隧道寬度對(duì)煙氣特性的影響

曾清珣 畢海權(quán) 茍紅松 王 菁 劉方吉

（1.西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 成都 610031；2.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司 成都 610031）

0 引言

中國(guó)公路網(wǎng)不斷向崇山峻嶺、離岸深水區(qū)延伸，公路隧道總量和建設(shè)規(guī)模持續(xù)增大。近40年來，中國(guó)公路隧道由單洞2 車道逐步向雙洞4 車道、6 車道、8 車道隧道發(fā)展[1]。隨著所建隧道的長(zhǎng)度及寬度日趨增大，隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時(shí)的危害也隨之增大。隧道內(nèi)通風(fēng)排煙系統(tǒng)多采用自然排煙[2]、縱向通風(fēng)排煙[3]及頂部排煙[4]方式。但側(cè)向排煙方式具有節(jié)省隧道凈高、降低造價(jià)等優(yōu)點(diǎn)，因此這一排煙方式在高度方向受限制、兩孔一管廊隧道中被廣泛應(yīng)用[5]。

熱煙氣的浮力效應(yīng)為垂直向上[6]，頂部設(shè)置排煙口有利于煙氣的排出，而當(dāng)排煙口位于隧道側(cè)壁面時(shí)，排煙口開口方向與煙氣浮力方向不同，在側(cè)向排煙方式下隧道內(nèi)的煙氣特性將不同于以往研究。目前關(guān)于側(cè)向排煙的研究主要是基于單洞3 車道隧道，研究排煙量[7]、排煙口設(shè)置[8]、縱向風(fēng)速[9]等影響因素的最佳設(shè)置以及其對(duì)人員疏散安全的影響，而對(duì)采用側(cè)向排煙系統(tǒng)的隧道在斷面寬度改變后的煙氣特性方面研究不足。

本文通過數(shù)值模擬研究隧道斷面為不同寬度時(shí)，各行車道處拱頂處、人員高度處煙氣溫度的分布規(guī)律以及側(cè)向排煙口的排煙效率，研究結(jié)果以期為火災(zāi)探測(cè)、消防救援、隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等提供參考。

1 數(shù)值計(jì)算模型及參數(shù)設(shè)置

1.1 控制方程

火災(zāi)的發(fā)生、發(fā)展為非穩(wěn)態(tài)、非定常變化的復(fù)雜的三維過程，但是流體的流動(dòng)都遵循質(zhì)量、動(dòng)量、能量及組分守恒等基本定律，在FDS 中的基本控制方程如下[10]：

質(zhì)量守恒方程：

動(dòng)量守恒方程：

組分守恒方程：

能量守恒方程：

氣體狀態(tài)方程：

式中，ρ為密度，kg/m3；t為時(shí)間，s；為速度矢量，m/s；p為環(huán)境壓力，Pa；g為重力加速度，m/s2；f為除去重力的外力，N；τij為粘性應(yīng)力張量；im′ 為單位體積內(nèi)第i種組分的質(zhì)量生成率，kg/(m3·s)；Di為i組分質(zhì)量擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；Yi為i組分體積分?jǐn)?shù)；qr輻射熱通量向量，W/m2；hs為顯焓，J/kg；T為熱力學(xué)溫度，K；k為導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)。R為氣體常數(shù)，J/(mol·K)；為氣體混合物的分子量，kg/mol。

1.2 數(shù)值模型

本文根據(jù)某隧道實(shí)際尺寸建立計(jì)算模型，為了保證在模擬中隧道內(nèi)氣流能達(dá)到充分的發(fā)展，建立的隧道長(zhǎng)度為600m，模擬時(shí)間設(shè)置為500s。隧道出入口設(shè)置為Open 邊界，排煙道兩端開口設(shè)置為Exhaust 邊界，環(huán)境溫度設(shè)置為20℃。隧道壁面材料為混凝土，該材料導(dǎo)熱系數(shù)為1.8W/(m·K)，比熱為1.04kJ/(kg·K)。以隧道正中位置為中心，在兩側(cè)對(duì)稱位置各布置兩個(gè)排煙口，排煙口尺寸為3m×2m，排煙口間距為60m，排煙口底部距行車道的垂直高度為4.6m。隧道模型示意圖（以單洞4車道隧道為例）如圖1所示。

圖1 隧道模型示意圖（以單洞4 車道隧道為例）Fig.1 Schematic diagram of the tunnel model(a single-hole four-lane tunnel as an example)

1.3 網(wǎng)格尺寸

在進(jìn)行數(shù)值計(jì)算時(shí)，合理的網(wǎng)格尺寸設(shè)置可以在保證計(jì)算精度的同時(shí)節(jié)約計(jì)算時(shí)間。前人研究指出，通過1/4 到1/16 倍的火源特征直徑D*來確定著火點(diǎn)附近的網(wǎng)格尺寸可以與試驗(yàn)結(jié)果很好的吻合[11]，并且相關(guān)研究表明，火源區(qū)、浮力羽流區(qū)、煙氣層區(qū)對(duì)于網(wǎng)格密度的敏感程度依次遞減，加密火源區(qū)的網(wǎng)格可以在控制計(jì)算時(shí)間的同時(shí)有效提高計(jì)算精度[12]。火源特征直徑D*由公式（6）計(jì)算得出：

式中，D*為火源特征直徑，m；Q為總熱釋放速率，kW；ρ∞為環(huán)境空氣密度，此處取1.204kg/m3；Cp為環(huán)境空氣比熱，此處取1.005，kJ/kg·K；T∞為環(huán)境空氣溫度，K。

計(jì)算出火源功率30MW 所對(duì)應(yīng)的火源特征直徑為3.7m?？紤]到火源附近溫度梯度較大，本文中火源附近縱向50m 區(qū)域內(nèi)采用0.2m 的網(wǎng)格進(jìn)行加密，沿隧道縱向其他區(qū)域的網(wǎng)格尺寸為0.4m。

1.4 火源參數(shù)

在同一時(shí)間，考慮隧道內(nèi)只發(fā)生一次火災(zāi)，并且發(fā)生火災(zāi)的位置均位于隧道正中位置?；鹪垂β蕿?0MW，尺寸為8m×2.4m，使用軟件自帶的甲烷燃燒反應(yīng)進(jìn)行隧道火災(zāi)模擬。由于本文主要研究火災(zāi)發(fā)展到最大并達(dá)到穩(wěn)定時(shí)隧道內(nèi)的煙氣特性，所以采用恒定火源。

1.5 煙氣特性參數(shù)監(jiān)測(cè)

在隧道中，拱頂及人員高度處的溫度分布、排煙口處的排煙效率反映了排煙系統(tǒng)的排煙效果、系統(tǒng)性能，關(guān)乎發(fā)生火災(zāi)時(shí)人員的安全疏散。因此，本文對(duì)這些關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行研究，以分析在不同斷面寬度的隧道中采用側(cè)向排煙時(shí)，隧道內(nèi)的煙氣特性。溫度測(cè)點(diǎn)在拱頂下方以及人員高度處沿隧道縱向布置，在隧道橫向方向上，溫度測(cè)點(diǎn)布置在第一行車道的內(nèi)邊沿以及各個(gè)行車道的正中位置。對(duì)于排煙效率，本文選取CO2作為參考依據(jù)，計(jì)算CO2的生成量和測(cè)定排煙口處的CO2排出量，以此得到排煙口的排煙效率。各個(gè)排煙孔的排煙效率為單位時(shí)間內(nèi)該排煙孔的煙氣排出量占火源產(chǎn)生煙氣總量的百分比，排煙系統(tǒng)總排煙效率為單位時(shí)間內(nèi)所有排煙孔的煙氣排出量占火源產(chǎn)生煙氣總量的百分比，即所有排煙孔排煙效率之和。

式中：η為排煙效率，%；me為排煙孔的煙氣排出量，kg/s；mei為第i個(gè)排煙孔的煙氣排出量，kg/s；mp為煙氣產(chǎn)生量，kg/s。

通過計(jì)算得到30MW 火災(zāi)在單位時(shí)間甲烷燃燒熱值為52043.68kJ/kg，對(duì)應(yīng)的CO2生成量為1.56kg/s。

1.6 計(jì)算工況

為研究不同隧道寬度采用側(cè)向排煙時(shí)隧道內(nèi)的煙氣特性，對(duì)單洞2 車道、3 車道、4 車道、5車道、6 車道隧道進(jìn)行了計(jì)算模型建立。模型隧道寬度分別10.5m、14.4m、17m、23.1m 和28m，高度均為7m，如圖2所示。

圖2 不同隧道寬度數(shù)值計(jì)算模型橫截面Fig.2 Cross-sections of numerical calculation models for different tunnel widths

如表1所示為不同隧道寬度數(shù)值模擬工況設(shè)置。

表1 不同隧道寬度數(shù)值計(jì)算工況Table 1 Numerical calculation conditions of different tunnel widths

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 拱頂煙氣溫度分布

如圖3所示為不同隧道寬度下各行車道上方拱頂煙氣溫度對(duì)比。從圖中可以看出，同一側(cè)向排煙量下，隧道越寬，同一行車道上方的拱頂煙氣溫度越低。特別是在兩個(gè)排煙口之間，溫差明顯，在y=60m 處，單洞2 車道隧道與6 車道隧道拱頂煙氣溫度相差50℃左右。當(dāng)煙氣經(jīng)過第二個(gè)排煙口后，溫差減小，在y=120m 處，溫差降至20℃左右。行車道1 邊沿（x=1m）及行車道1（x=2.8m）離排煙口較近，兩個(gè)排煙口附近發(fā)生了溫度的陡降（見圖a、b），這是由于排煙口不斷抽吸走高溫?zé)煔?。單? 車道、3 車道隧道在第二個(gè)排煙口（y=90m）處溫度陡降較其余工況更為明顯，并且在單洞2 車道隧道中，煙氣在經(jīng)過第二個(gè)排煙口后，溫度回升，呈現(xiàn)出v 型溫度曲線。

圖3 各行車道上方拱頂煙氣溫度縱向分布Fig.3 Longitudinal distribution of flue gas temperature on the vault above each carriageway

如表2所示為拱頂煙氣溫度在火源所在位置處橫向方向上的分布情況，表中L與R分別代表在火源左側(cè)及右側(cè)各行車道上方的溫度測(cè)點(diǎn)，其中火源左側(cè)（L）為排煙道與火源之間的橫向位置。下標(biāo)代表了與火源橫向距離，下標(biāo)越大，離火源橫向距離越遠(yuǎn)，以4 車道隧道為例，L1、L2及R1、R2位置示意圖如圖4所示。由表2 可知，隨著橫向位置遠(yuǎn)離火源，拱頂煙氣溫度逐漸降低。由于左側(cè)測(cè)點(diǎn)離排煙道更近，受側(cè)向排煙作用更顯著，溫度下降程度較右側(cè)更大，火源處的拱頂煙氣溫度橫向分布呈“左低右高”的非對(duì)稱分布形態(tài)。

表2 火源處橫向方向上拱頂煙氣溫度Table 2 The vault smoke temperature in the transverse direction at the fire source

圖4 L1、L2 及R1、R2 位置示意Fig.4 Location of L1,L2,R1,R2

2.2 人員高度處煙氣溫度分布

如圖5所示為人員高度處溫度縱向分布，從圖中可以看出，在兩個(gè)排煙口之間，人員高度處溫度隨著隧道寬度的增加而降低，在經(jīng)過第二個(gè)排煙口后，規(guī)律相反。由于排煙口附近的抽吸力擾動(dòng)了煙氣分層，加強(qiáng)了卷吸，以及在隧道縱向方向上煙氣蔓延的最遠(yuǎn)端，上層煙氣與下層冷空氣運(yùn)動(dòng)方向相反，剪切力導(dǎo)致卷吸劇烈，使人員高度處溫度在這兩個(gè)位置有較明顯的增幅，對(duì)于人員疏散而言，危險(xiǎn)性較高。

圖5 人員高度處溫度縱向分布Fig.5 Longitudinal distribution of temperature at personnel height

2.3 排煙效率

如圖6所示為不同寬度隧道采用側(cè)向排煙方式時(shí)的排煙效率。從圖6 中可以看出，在該排煙方式下，排煙效率隨著隧道寬度增加而降低。從單洞2 車道隧道至6 車道隧道，排煙效率從89.2%減小為61.7%，降低了31%。從2 車道隧道至3 車道隧道及從3 車道隧道至4 車道隧道，排煙效率的衰減率均為8%，在此之后，衰減率隨著隧道寬度的增加而增加。

圖6 排煙效率Fig.6 Smoke exhaust efficiency

3 結(jié)論

本文采用數(shù)值計(jì)算方法對(duì)采用側(cè)向排煙系統(tǒng)的不同寬度隧道內(nèi)的煙氣特性進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，分析各行車道上方拱頂處、人員高度處的溫度分布及排煙口處排煙效率，主要結(jié)論如下：

（1）增加隧道寬度有利于降低拱頂煙氣溫度、人員高度處溫度。但是增加隧道寬度也導(dǎo)致側(cè)向排煙效率下降，特別當(dāng)隧道行車道增加至4 車道及以上時(shí)，排煙效率的衰減率也逐漸增大。

（2）側(cè)向排煙系統(tǒng)使火源處橫向方向上拱頂溫度呈非對(duì)稱分布。朝向排煙道方向的拱頂溫度較遠(yuǎn)離排煙道方向更低。距離排煙風(fēng)機(jī)較近的排煙口抽吸力較強(qiáng)，在經(jīng)過該排煙口后，不同隧道斷面寬度下，同一行車道上方拱頂煙氣溫度之間的溫差減弱。對(duì)于人員疏散安全來說，在煙氣與冷空氣卷吸嚴(yán)重的排煙口附近及隧道縱向方向上煙氣蔓延的最遠(yuǎn)端，溫度存在較明顯的增幅，危險(xiǎn)性較大。