環境壓力對隧道火災自然通風煙氣特性的影響研究

馬洋陽 袁中原

（西南交通大學機械工程學院 成都 610031）

0 引言

隨著城市隧道的建設，關于城市隧道火災安全問題的討論也越來越多。當隧道發生火災時，可燃物燃燒產生的高溫煙氣在隧道內進行擴散對人員產生巨大的危害，因此如何將隧道內的煙氣快速排出是火災發生時的首要問題。以往對于隧道排煙問題的研究主要聚焦在平原地區，而對于高原地區隧道排煙問題的研究還比較少，因此展開對高原隧道火災的研究具有重要的意義。

目前，高原地區隧道火災的研究主要集中在環境壓力對熱驅動煙氣流動擴散特性、頂壁下煙氣溫度分布、煙氣回流長度的影響。研究表明，環境壓力會影響煙氣運動特性和溫度分布[1]。紀杰[2]采用數值模擬的方法研究了環境壓力對隧道內煙氣流動特性的影響，得出結論：在HRR 一定的情況下，煙氣質量流量隨著環境壓力的降低而減小，環境壓力是影響空氣卷吸、溫度分布和煙氣質量流量的重要因素，研究認為低氣壓隧道火災的防排煙方法可能與常壓隧道火災的防排煙方法不同。Tang[3]對隧道內兩種環境壓力（100kPa 和64kPa）下的縱向煙氣溫度分布進行了研究，發現環境壓力越低，煙氣溫度衰減越快。Ji 的研究表明[4]，在較低的環境壓力下，由于熱損失較小，縱向煙氣溫度會升高。He 的研究表明[5]煙氣溫度是影響煙氣流速最大的因素。Fan[6]研究得出，在相同的HRR 和通風速度下，由于空氣密度減小導致縱向氣流慣性力減弱，因此煙氣逆流長度隨環境壓力的減小而增大。Zhang[7]通過理論分析和數值模擬得出在高原地區為了抑制煙氣逆流，需要較大的臨界風速。

以上研究對于了解和掌握高海拔隧道在頂部無豎井或存在縱向通風情況下的煙氣特性具有非常重要的價值，但目前對于高海拔隧道火災自然通風煙氣特性的研究還比較少，例如環境壓力對隧道火災自然通風煙氣溫度、煙氣流速、煙氣濃度、能見度的影響研究，因此本文采用數值模擬的方法研究環境壓力對隧道火災自然通風煙氣特性的影響。

1 數值模型

本文采用數值模擬的方法，對不同環境壓力下隧道火災的煙氣特性進行研究。

1.1 數值模型建立

1.1.1 模型參數及測點布置

（1）模型及參數

數值模型隧道長130m，寬和高均為5m，兩自然通風豎井的間距為60m，隧道參數與數值模型如圖1 和圖2 所示。

圖1 隧道參數Fig.1 Tunnel Parameters

圖2 隧道數值模型Fig.2 Tunnel Numerical Model

（2）測點布置

溫度測點沿隧道縱向中心線布置，距離隧道頂壁0.2m，間距為1m，煙氣流速測點布置與煙氣溫度測點布置在火源段（兩豎井內邊距之間的區域）相同，如圖1 所示。頂壁下煙氣濃度和能見度測點沿隧道縱向中心線布置，距離隧道頂壁0.2m，間距為2m，如圖1 所示。在人員高度處（2m）也進行了能見度的測點布置，測點距離隧道頂壁3m，其他與頂壁下能見度的測點布置相同。

1.1.2 火源設置

本文采用穩態火源，火源熱釋放率為3MW，燃料為正庚烷。根據FDS 用戶指導手冊中的推薦值[8]，正庚烷燃燒產生的CO 的系數為0.01；產煙系數為0.008。火源位置如圖1 所示，火源左側外邊緣位于豎井內邊緣正下方（最不利火源位置[9]）。

1.1.3 邊界條件

（1）壁面邊界

隧道壁面的材料為鋼筋混凝土，厚度為0.5m其中導熱系數取為1.28W/(m·K)，密度取為2200kg/m3，比熱取為0.88kJ/kg/K。鋼筋混凝土的外側為土壤層，土壤層設置為恒溫條件。

（2）進出口邊界

本文研究對象為高原隧道火災自然通風的煙氣特性，因此隧道豎井頂部和隧道兩端開口皆設置為實際的外界環境壓力。

1.2 網格劃分

隧道火災三維數值模型通常采用火源特征直徑來確定網格尺寸，火源特征直徑的定義為：

式中，D*為火源特征直徑；Q為火災熱釋放率，kW。

FDS 用戶手冊推薦的網格尺寸為0.06D*～0.25D*之間，而以往的研究表明[10]：網格尺寸為 0.1D*時，可以較好地兼顧計算的準確性和計算時長，因此本文網格尺寸取為 0.1D*，具體為0.1m×0.1m×0.1m。

1.3 模型驗證

為驗證數值計算方法的準確性，本文開展了1:10 的模型試驗，并將數值計算結果與試驗結果進行了對比，如圖3 所示（模型試驗中火源為庚烷，火災熱釋放率為3.28kW、4.03kW、5.94kW，豎井長度為0.16m，豎井與隧道等寬寬度為0.5m，豎井間距為6m，環境溫度為25℃，環境壓力為66.2kPa）。

圖3 試驗與模擬縱向溫度對比Fig.3 Experimental and Simulated Longitudinal Temperature comparison

從圖3 可以看出，除火源正上方和距火源中心0.1m 的熱電偶相差較大外，其余位置處的誤差均在15%以內，表明本文的數值模型能夠較好的模擬隧道火災自然通風。

2 結果分析

2.1 煙氣溫度

隧道火災頂壁下煙氣縱向溫度分布變化規律如圖4 所示。

圖4 不同環境壓力下隧道頂壁煙氣縱向溫度分布Fig.4 Smoke Longitudinal Temperature Distribution of Tunnel Roof Wall under different Ambient Pressures

當隧道內發生火災時，火源不斷卷吸周圍的新鮮空氣，形成火羽流[11]。

由理想氣體狀態方程：

式中，P為氣體壓強，Pa；V為氣體體積，m3；n為氣體的物質的量，mol；T為體系溫度，K；R為理想氣體常數，J/mol·K。

可得：

式中，ρ為空氣密度，kg/m3；M為摩爾質量，g/mol。

由式（3）可知隨著環境壓力的降低空氣密度逐漸減小。

由比熱容公式

可得：

式中，Q為吸收的熱量，kg/m3；cp為定壓比熱，kJ/(kg·K)；

由式（6）和隧道發生火災時火羽流的形成過程，可知當Q不變ρ減小時ΔT增大，因此當環境壓力降低時，隧道頂壁下的煙氣溫度升高。

2.2 煙氣流速

隧道頂壁下火災縱向煙氣流速分布變化規律如圖5 所示。

圖5 不同環境壓力下隧道頂壁縱向煙氣流速分布Fig.5 Distribution of Smoke Velocity in Tunnel Roof Wall under different Ambient Pressures

圖5 顯示出，隧道火源段煙氣縱向流速隨著距火源中心距離的增加先急劇下降而后趨于平穩，最后在豎井處急劇上升。這主要是因為，煙氣在火源附近時為徑向擴散轉向一維擴散階段[12,13]，因此煙氣流速隨著距火源中心距離的增加而急劇下降。在煙氣進入一維擴散段后，因為煙氣與隧道頂壁的粘性力使得煙氣在流動過程中流速緩慢減小。但當煙氣流動到距豎井較近時煙氣流速突然增大，這主要是因為豎井對于煙氣的抽吸作用，會使得靠近豎井的煙氣流速增大。

從圖5 還可以看出，在火源段的煙氣流速隨著環境壓力的降低而逐漸增大，這主要是因為隨著環境壓力的降低，火源正上方的煙氣溫度升高，羽流對于隧道頂壁的沖擊作用增強造成煙氣在火源上方的煙氣流速增加，進而其他點的煙氣流速也隨之增加。

2.3 煙氣濃度

隧道頂壁下縱向煙氣濃度分布變化規律如圖6所示。

圖6 不同環境壓力下隧道頂壁縱向煙氣濃度分布Fig.6 Longitudinal Smoke Density Distribution of Tunnel Roof Wall under different Ambient Pressures

圖6 顯示出，隧道火災火源段的煙氣濃度在火源中心處最大，隨著距火源中心距離的增加煙氣濃度先急劇減小到一定值之后開始緩慢減小。這主要是因為在距火源中心距離較近時煙氣處于徑向擴散轉向一維擴散階段，因此煙氣濃度急劇下降。在煙氣進入一維擴散段之后，煙氣在縱向流動過程中會逐漸卷吸少量隧道下部的空氣，因此煙氣濃度會隨著距火源中心距離的增加而緩慢減小。當煙氣經過豎井時一部分煙氣會從豎井排出，因此煙氣濃度在經過豎井后突然下降。

圖7 煙氣濃度的計算公式為：

圖7 不同環境壓力隧道頂壁縱向煙氣能見度分布Fig.7 Longitudinal Smoke Visibility Distribution of Tunnel Roof Wall under different Ambient Pressures

式中，η為體積分數；ny為煙氣物質的量，mol；nz為總物質的量，mol。

由式（7）可得：

式中，MK為空氣的摩爾質量，g/mol；mK為空氣的質量，mol。

如圖6 所示，當環境壓力降低時，隧道火災煙氣縱向濃度分布的變化規律與縱向溫度分布變化規律基本相同，由式（8）可得當環境壓力降低時單位體積的空氣質量減小mK減小，進入空氣中的煙氣摩爾質量為定值，煙氣的體積分數增大，因此隨著環境壓力的降低煙氣濃度逐漸增大。

2.4 煙氣能見度

隧道頂壁下煙氣縱向能見度分布變化規律如圖7 所示。

圖7 顯示出，隧道火災煙氣能見度在火源正上方最低，隨著據火源中心距離的增加，頂壁下煙氣的能見度先快速上升到一定值之后開始緩慢增加，這主要是因為在距火源距離較近時煙氣處于徑向擴散轉向一維擴散階段，因此煙氣能見度快速上升。在煙氣進入一維擴散段后，煙氣在縱向流動過程中會逐漸卷吸少量隧道下部的空氣，因此隧道頂壁下煙氣的能見度在一維擴散段會隨著距火源中心距離的增加而緩慢增加。

如圖7 所示當環境壓力降低時火源段的煙氣能見度上升，這主要是因為環境壓力降低時空氣密度減小，相同煙氣生成量進入到空氣中時所占空氣的比重增加，煙氣濃度增大，但煙氣與空氣的整體密度減小，因此頂壁下煙氣的能見度隨著環境壓力的降低而逐漸增大。

由于距離火源中心30m 外人員高度處的能見度在不同環境壓力下都為30m，這表明煙氣并沒有沉降到人員高度處，因此本文只展示了頂壁下的煙氣能見度隨環境壓力的變化情況。

2.5 豎井排煙

根據圖4、圖6 豎井后方的煙氣特性隨環境壓力的變化規律可以得出，當環境壓力降低時豎井后方的煙氣溫度逐漸升高、煙氣濃度逐漸增大，并根據圖5 可知，當環境壓力降低時煙氣流速逐漸增大。因此豎井的排煙效果會隨著環境壓力的降低而逐漸變差。這意味著環境壓力對隧道火災自然通風完全排煙的臨界豎井高度也有影響。

3 結論

環境壓力的變化對隧道火災自然通風的煙氣特性有很大的影響，因此本文采用數值模擬軟件對不同環境壓力下的隧道火災煙氣特性進行研究得到以下結論：

（1）隨著環境壓力的降低隧道頂壁下的煙氣溫度和濃度逐漸增大。豎井后方的煙氣溫度和濃度也隨環境壓力的降低而逐漸增大。

（2）隧道火源段煙氣流速和能見度速隨著環境壓力的降低而逐漸增大。

（3）豎井的排煙效果隨著環境壓力的降低而逐漸減弱。