基于空氣幕與排煙系統的隧道火災煙氣控制研究*

陳祉穎，牛國慶，王舒夢，郭宸瑋

(河南理工大學 安全科學與工程學院，河南 焦作 454000)

0 引言

盾構隧道因不影響地面交通及河道航運，成為現代交通系統的重要組成部分。由于隧道封閉段狹長，一旦發生火災將導致極具破壞性的后果，其中煙霧和有毒氣體是火災中最致命的因素，占火災傷亡人數的85%[1-2]。發生隧道火災時，隧道通風系統主要采用縱向、橫向或半橫向通風方式進行排煙[3]。雖然縱向通風由于易操作和成本低一直應用廣泛，但其會引起下游煙氣濃度增加且不利于人員疏散；與縱向通風模式不同，半橫向通風系統雖需要構造豎井和煙道，但可以有效消除并減少隧道頂棚附近高溫煙氣的擴散，且煙道的空氣流基本不會干擾煙層。通常為解決火災排煙問題盾構隧道會預設排煙風道，因此，本文在半橫向排煙的基礎上增設空氣幕系統，空氣幕可在允許車輛移動的同時限制煙氣流動，使1個或多個隧道段能夠從空氣動力學角度與外部和彼此隔離[4]，從而做到更安全地疏散。

在煙氣運動的預防和控制中，空氣幕在阻止通過無物理屏障的開口進行質量和熱傳遞方面起著較大的作用[5]。為找出設計參數和條件對提高防煙效果的貢獻，有必要對氣幕阻煙性能進行分析。Jung等[6]對隧道空氣幕阻煙性能進行研究得出，氣幕射流角度為0°不能阻擋不利氣流，角度20°可有效阻隔煙氣；Luo等[7]通過縮尺實驗和FDS數值模擬研究空氣幕對高層建筑火災煙氣的抑制效果，結果表明空氣幕的擋煙效果優于擋煙垂壁；Gao等[8]運用CFD探討在不同熱釋放速率下，空氣幕寬度、出口速度和角度對其煙氣約束效果的影響，并提出可用于隧道火災空氣幕設計參數與熱釋放率的關系式；Moureh等[9]基于CFD和實驗分析，研究空氣幕封閉空腔和外部側向流作用下的空氣動力學行為和有效性。近年來，越來越多的研究將空氣幕與傳統防排煙模式進行組合設置。陳靜等[10]對地鐵站臺火災的防排煙模式進行優化研究，結果表明站臺排煙與空氣幕的聯合作用可保證人員6 min的疏散時間；余明高等[11]運用FDS優化選擇車廂火災的防排煙方式，發現單獨空氣幕或機械排煙的控煙效果遠不及二者復合效果；Viegas等[12]通過全尺寸火災實驗，研究放熱率、排風量、平面射流速度、射流寬度和坡度對煙氣密性的影響，建立空氣幕的預測模型。綜上所述，高效的防排煙措施對隧道火災的防治和人員疏散具有重要意義。

目前空氣幕在隧道內的實際應用較少，法國巴黎西部地下通道的A86與A13交匯處為其中之一。關于空氣幕的研究主要針對地上建筑入口大門、地鐵樓梯口等處，研究內容多局限于單一防煙空氣幕作用下的阻煙特性，而普遍忽略機械排煙對其阻隔性能的影響，但對隧道火災時有效的防排煙措施研究甚少。因此，本文在前人研究的基礎上，利用FDS數值模擬軟件，研究射流速度、排煙量和空氣幕與排煙口間距對隧道火災時空氣幕與機械排煙復合作用下煙氣蔓延的影響，優化選擇最佳防排煙組合方式，為隧道防排煙設計參數選取提供參考依據。

1 模擬計算

1.1 物理模型

本文以武漢三陽路越江隧道盾構段為研究對象，利用FDS對截取段進行數值構建。為簡化其模型，截取隧道長160 m，下層行車道橫截面為高×寬等于5.2 m×12 m的矩形，上層排煙道橫截面為高1.8 m的拱形，為便于觀察，將拱形部分隱藏，隧道模型如圖1所示。

圖1 隧道幾何模型Fig.1 Geometric model of tunnel

1.2 模擬計算條件

參考美國防火協會NFPA502[13]中有關公路隧道火災規模的設計，選取經典車輛火災規模的功率為20 MW，火源燃料為庚烷，尺寸為6.2 m×2 m，采用非穩態t2超快速火，火源增長系數為0.187 8，火源中心置于隧道地面的橫向中心處。隧道兩端出入口設置為“Open”表面，排煙口設為“Exhaust”表面，空氣幕開口設為速度入口邊界條件，隧道內所有的壁面均取絕熱邊界條件。環境溫度設為20 ℃，進出口大氣壓強為0.101 3 MPa，模擬時長取360 s。

1.3 排煙口與空氣幕設置

空氣幕射流速度、角度及其寬度對其阻隔性能有較大影響，根據文獻[6]，空氣幕最佳射流角度為20°，空氣幕寬度0.4 m，因此，本文將空氣幕射流角度及寬度分別設定為20°與0.4 m。空氣幕安裝在隧道頂部且與隧道同寬，由從長條形出口吹出的氣流形成，尺寸為12 m×0.4 m。空氣幕射流流速設置為15～30 m/s。

參考《鐵路隧道防災疏散救援工程設計規范》(TB 10020—2017)[14]和文獻[15]關于排煙量的設置，排煙量取80～120 m3/s。該隧道頂部設有排煙道，且沿頂隔板中心線每隔60 m均勻布置尺寸為4 m(橫向)×1.5 m(縱向)的電動排煙口，相隔空氣幕間均勻設置2個排煙口并針對火源呈對稱分布。

防排煙系統在火災發生時立即開啟，為研究空氣幕與機械排煙復合作用下對煙氣流動的影響，設置火災模擬工況，見表1，其中，v為空氣幕射流速度，m/s；Vp為排煙量，m3/s；d為空氣幕與排煙口間距(以下稱間距)，m。

表1 火災模擬工況設置Table 1 Setting of fire simulation conditions

1.4 計算域網格

參照Kevin等相應的網格獨立性測試實驗可知，火源特征直徑D*與計算網格尺寸δx的比例在4～16之間時[16]，可得出合理的求解結果。其中火源特征直徑計算如式(2)所示：

(1)

式中:Q為火源熱釋放速率，kW；g為重力加速度，m/s2，取9.8 m/s2；cp為空氣的定壓比熱，kJ/(kg·K)；ρ0為空氣密度，kg/m3；T0為環境初始溫度，K。

火源熱釋放速率為20 MW時，計算可得D*≈3.18 m。綜合考慮計算結果以及計算機的性能，本文選用0.1D*網格尺寸對空氣幕附近10 m范圍進行加密，其他部分采用0.2D*計算。

1.5 監測點與安全標準設置

依據相關規范[14]選取人眼特征高度2 m處煙氣溫度低于60 ℃、可見度高于10 m作為人員安全疏散的標準。

在Z=2，5 m平面，沿隧道中心線均勻布置熱電偶和可見度測點，間隔1 m；在各排煙口中心點布置CO2質量流量測點；在右排煙口中心及左右兩側豎直方向分別布置8個熱電偶，相鄰熱電偶串間距為5 m，并在Y=0平面設置速度及溫度切片，監測煙氣參數的變化規律。

2 模擬計算結果分析

以火源位置為原點，隧道左側距火源的距離用負值表示，隧道右側距火源的距離用正值表示。由于煙氣流動的非穩定性，溫度、可見度選取火源釋熱速率達到最大值后的330～360 s內控煙區-80～-20 m段的平均值。

2.1 實驗驗證

2.1.1 小尺寸實驗

文獻[15]建立武漢越江隧道的排煙實驗，結果可用于驗證本文數值模擬的可靠性。為保證模型與實體內流體動力學相似，需滿足式(2)～(4)比例關系[17]：

Qm/Qf=(Lm/Lf)5/2

(2)

Tm/Tf=Lm/Lf

(3)

Vm/Vf=(Lm/Lf)5/2

(4)

式中：Qm，Qf分別為模型隧道與實體隧道的火源功率，kW；Tm，Tf分別為模型隧道與實體隧道的煙氣溫度，K；Vm，Vf分別為模型隧道與實體隧道的排煙量，m3/s；Lm,Lf分別為模型隧道和實體隧道距火源的距離，m。

為驗證FDS模擬軟件在隧道火災防排煙模式中的準確性，設置V1=80 m3/s，V2=100 m3/s，V3=20 m3/s 3種排煙量。依據Froude數相似準則，數值模擬全尺寸隧道與小尺寸模型隧道的設置見表2。

表2 數值模擬與小尺寸實驗Table 2 Numerical simulation and small scale experiment

2.1.2 驗證分析

將對應測點煙氣溫度實驗數據與模擬數據進行比較，結果如圖2所示。由圖2(a)可知，模擬結果與實驗值較接近，吻合較好，相對誤差小于1%；圖2(b)實驗結果具有波動性，在火源與排煙口之間靠近火源區域測點的計算值略低于實驗值，這可能是由實驗儀器誤差及火源的不穩定燃燒造成的，但總體模擬結果與實驗結果較吻合，表明FDS模擬軟件具有較高準確性，可用于組合煙氣控制方式對隧道火災防排煙的研究。

圖2 FDS模擬與實驗溫度值結果對比Fig.2 Comparison on temperature of FDS simulation and experiment

2.2 氣幕與排煙口間距優化選擇

理論上，空氣幕封閉空腔射流氣流和排煙外抽氣流作用下的空氣動力學行為相互影響，為驗證這一預想的可靠性及對防煙效果的影響，建立不同間距的防排煙模擬模型。在距排煙口5～35 m處設置安全氣幕，對工況4～9進行模擬，得出不同間距下的氣幕射流、溫度和能見度的變化情況。

2.2.1 空氣幕速度流線分析

隧道火災時，僅空氣幕作用、機械排煙與空氣幕復合作用下不同間距的空氣幕(左)速度矢量圖如圖3所示。

圖3 空氣幕射流速度矢量圖Fig.3 Vector diagram for jet velocity of air curtain

氣幕穩定運行的條件必須有足夠的動力性能強度來抵抗橫向壓力的破壞，形成1個穩定的連續氣流來發揮氣幕的屏障作用，從而阻止隧道內火災產生的煙氣向隧道出入口蔓延[18]。圖3(a)顯示在無排煙情況下，空氣幕射流未到達隧道底板，大量射流流量流向疏散區。這是由于發生火災時隨時間推移煙氣不斷累積，導致控煙區內壓力增加，使得射流曲線開始彎曲，偏轉角改變。由于排煙口的抽吸作用，增加排煙系統會緩解煙氣的累積效應。在火災初期，控煙區內形成負壓，氣幕向控煙區內部偏轉。由圖3(b)～(d)可知，隨著d的增加，氣幕射流偏轉角與路徑差異明顯，d=10 m時，氣幕受排煙系統作用較強，射流無法到達地面，偏轉角最大；d=20 m時，射流路徑呈現“S”型，這是由于空氣幕射流擾動擠壓周圍的空氣形成漩渦，該間距下形成的渦流更嚴重，使得射流不穩定波動較大；d=30 m時，空氣幕射流到達地面向兩側流去，所形成的渦流較少。因此，對比發現d=30 m較10，20 m射流更為穩定。

2.2.2 煙氣溫度

由于火災煙氣關于火源呈對稱分布，對隧道一側溫度數據進行分析即可，繪制不同間距下人體特征高度處溫度變化曲線，如圖4所示。

圖4 控煙區人眼高度處橫向溫度變化曲線Fig.4 Change curves of transverse temperature at height of human eye in smoke control zone

由圖4可知，在排煙口附近，均出現最低溫度，在空氣幕處溫度均有一定幅度增長，這是由于空氣幕間形成相對密封空間，平面射流阻擋了橫向來流煙氣并使其向下蔓延，高溫煙氣會在空氣幕近前方產生累積效應而導致其溫度提高。當d=10，20，30 m時(對應工況6～8)空氣幕位置處人眼高度溫度分別為68，71，53 ℃，隨著d的增大控煙區溫度先增大后減少，d=20 m時，控煙區溫度最高，防煙效果最差，不可取。對d=5，35 m(工況5和9)2組工況分別進行比較，d=5 m較10 m時空氣幕處累積溫度有所降低，但控煙區平均溫度顯著增加，這是由于空氣幕與排煙口距離過近，大量氣幕的射流冷空氣被卷吸至排煙道，使得排煙效率降低所致。d=30，35 m時，控煙區的累積效應得到明顯減弱，溫度波動在50 ℃左右，但d的增加對于控煙區溫度改善作用并不明顯。因此空氣幕與排煙口間距不可過小，過小則氣幕射流受排煙口影響較大，降低排煙效率；也不可過大，過大則拉長控煙區長度不利于人員疏散，故選取30 m為最優。

從控煙區橫向與縱向溫度分布看，d=30 m的控煙效果最好。

2.2.3 可見度

不同間距下人眼高度Z=2 m中心線上可見度分布情況如圖5所示。由圖5可知，d=10，20 m時，其控煙區可見度最小值，分別為12.2，10.3 m，在火災發展階段，某時瞬可見度低于10 m，給人員安全逃生帶來威脅；在d=30 m間距下，可見度最小值為15.3 m，遠高于10 m臨界值，為人員安全疏散創造有利條件。因此，d取30 m防排煙效果最佳。

圖5 控煙區人眼高度處可見度變化曲線Fig.5 Change curves of visibility at height of human eye in smoke control zone

2.3 空氣幕與機械排煙復合作用下對煙氣蔓延影響

通過本文研究可知，復合作用下空氣幕與排煙口間距為30 m時防排煙效果最好，在此基礎上，為考察復合作用下排煙量與射流速度變化對煙氣蔓延的影響，分別對工況10～18進行模擬計算及對比分析。

2.3.1 煙氣蔓延

火災發生360 s時單獨排煙作用、單獨空氣幕作用及空氣幕與機械排煙復合作用下煙氣蔓延情況如圖6所示。

圖6 不同控煙方式作用下煙氣蔓延情況對比Fig.6 Comparison of smoke spread under different methods of smoke control

由圖6可知，僅開啟排煙系統時，煙氣沿隧道出入口方向向外蔓延，機械排煙可以有效地控制煙氣穩定在一定高度，但導致整個行車空間充滿煙氣；單獨空氣幕作用時，空氣幕有效阻擋煙氣向隧道兩側延伸，造成控煙區煙氣積聚，隨著火源持續燃燒，煙氣不可能完全被隔斷，總有部分煙氣突破氣幕向外溢出；當空氣幕與機械排煙復合作用時，空氣幕可以有效控制煙氣并限制在控煙區內，機械排煙排出控煙區積聚煙氣，一定程度上減少控煙區與外部的熱質交換，煙氣得到較好的控制。由此可見，復合作用優于任一單獨防排煙模式。

2.3.2 煙氣溫度

不同控煙方式作用下煙氣平均溫度分布曲線如圖7所示。由圖7可知，僅空氣幕作用時，控煙區最高溫度達到157 ℃，遠超人體承受溫度，疏散區溫度穩定在34 ℃左右，說明空氣幕對煙氣蔓延有較強的阻擋作用；隨著排煙系統的開啟煙氣平均溫度明顯降低，排煙口-氣幕段最高溫度僅為66 ℃，與僅空氣幕作用相比降低超61%。說明機械排煙作用顯著，可以大大降低煙氣溫度，也進一步說明復合作用的重要性。

圖7 不同控煙方式作用下煙氣平均溫度變化Fig.7 Change of average smoke temperature under different smoke control methods

空氣幕與機械排煙系統復合作用下Z=2 m煙氣平均溫度變化曲線如圖8所示。由圖8(a)可知，隨著v增大，煙氣平均溫度隨氣幕供風量增加相應降低，相同的射流速度增量造成其平均溫升的變化量逐漸減少；且與圖7對比分析可知，當Vp=100 m3/s時，增加v，煙氣溫度基本一致，這是由于射流速度的增加可能會加快熱煙氣的對流，冷空氣的注入一定程度上可以降低溫度，而空氣幕只能起到良好阻煙作用，達到一定速度后，速度的增加對溫降效果不明顯。因此，不可過度增加射流速度，取20～25 m/s即可。

圖8 復合作用下煙氣平均溫度變化曲線Fig.8 Change curves of average smoke temperature under combined action

由圖8(b)可知，隨著排煙量從80 m3/s增加至120 m3/s，煙氣溫度呈階梯式降低，空氣幕處溫度約下降25 ℃，這是由于隨著排煙量增加，積聚的高溫煙氣減少，溫度也將相應下降，但在圖8中，當v=20或30 m/s時改變Vp，同樣發現煙氣降溫顯著。因此，機械排煙能大幅降低煙氣溫度，同一射流速度下，排煙量越大溫度越低，機械排煙對溫度影響比空氣幕作用效果顯著。由圖8可知，對比Vp一定時增加v與v一定時增加Vp的溫度差變化，后者的降幅更大，效果更為顯著，因此在某種程度上，增加排煙量可降低所需氣幕射流速度；且Vp=80 m3/s時空氣幕附近溫度高于60 ℃，因此，排煙量應不小于80 m3/s，但想要達到更好的控煙效果，亟需找出合理排煙量。

2.3.3 可見度

空氣幕與機械排煙系統復合作用下Z=2 m可見度分布如圖9所示。當Vp=80 m3/s時，v每增加5 m/s,空氣幕處可見度依次增加4，-1 m，v=30 m/s與25 m/s相比，可見度不增反降，這是因為速度的增加使得煙氣與空氣之間摻混作用增強，加快控煙區煙氣擾動降低可見度，由此可見空氣幕射流速度并不是越大越好；當Vp=100或120 m3/s時，v=20，25 m/s能見度變化情況基本一致。因此，為更好的防排煙效果，射流速度不宜過大，取20 m/s最佳。

圖9 復合作用下煙氣平均可見度變化曲線Fig.9 Change curves of average smoke visibility under combined action

當v=20 m/s時，Vp=80，100，120 m3/s的可見度依次為10.3，16.7，22.6 m，均達到人員疏散標準。

2.3.4 排煙效率

排煙效率是衡量火災排煙效果最直接的指標，排煙口的排煙效率=單位時間內所有排煙口通過的CO2量/火源生成的CO2量。氣幕射流速度20 m/s時，不同排煙量的排煙效率變化曲線如圖10所示。由圖10可知，保持射流速度為20 m/s不變，隨排煙量增大排煙效率呈增大趨勢，在排煙量從90 m3/s增加到100 m3/s時，排煙效率的增量最大，增幅超13%，繼續增加排煙量，排煙效率的變化不明顯。因此，綜合考慮防排煙的有效性和經濟性，取v=20 m/s，Vp=100 m3/s為最優防排煙組合方式。

圖10 射流速度為20 m/s時，排煙效率變化曲線Fig.10 Change curve of smoke exhaust efficiency with jet velocity of 20 m/s

3 結論

1)空氣幕與排煙口間距對射流特性與煙氣蔓延有較強影響，間距為20 m效果最差；間距過小氣幕射流與排煙口相互影響，降低排煙效率；間距過大，則拉長控煙區長度不利于人員疏散，氣幕與排煙口間距d=30 m的控煙效果最好。

2)機械排煙、空氣幕的控煙效果遠不及二者復合作用。空氣幕可有效控制煙氣并限制在控煙區內，機械排煙可排出控煙區積聚煙氣，復合作用可實現可靠擋煙和有效排煙，最大程度保證人員安全。

3)復合作用下，隨著射流速度的增大，相同的射流速度增量造成煙氣溫升的變化量逐漸減少，射流速度取20～25 m/s；機械排煙對溫度與可見度影響比空氣幕作用效果顯著，一定程度上增加排煙量可降低氣幕射流速度，排煙量需大于80 m3/s。

4)綜合考慮防排煙的有效性和經濟性，當火源功率為20 MW時，取v=20 m/s，Vp=100 m3/s為最優防排煙組合方式。