雙層盾構(gòu)公路隧道火災(zāi)煙氣蔓延特性數(shù)值模擬研究

引言

隧道發(fā)生火災(zāi)后，煙氣沿隧道縱向在火源上下游蔓延。隨著煙氣在隧道內(nèi)聚集沉降，煙氣中的有毒氣體會(huì)危害隧道內(nèi)司乘人員的生命安全。同時(shí)，由于隧道內(nèi)煙氣難以排出，能見(jiàn)度低，不利于消防救援的開(kāi)展。如何控制煙氣在隧道中的蔓延，將火災(zāi)煙氣的不利影響限定在一定區(qū)域內(nèi)，是隧道火災(zāi)煙氣控制的主要目標(biāo)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者就此開(kāi)展了相關(guān)研究[1-3]。隧道火災(zāi)起火點(diǎn)產(chǎn)生的火羽流上升到拱頂后會(huì)向上、下游流動(dòng)。當(dāng)隧道采用縱向通風(fēng)時(shí)，如果縱向通風(fēng)風(fēng)速比臨界風(fēng)速小，煙氣會(huì)在熱驅(qū)動(dòng)作用下向上游蔓延，隨著與周圍冷空氣的交流換熱，在煙氣的熱驅(qū)動(dòng)力與縱向通風(fēng)升壓力達(dá)到平衡時(shí)，煙氣不再向上游蔓延。在采用縱向通風(fēng)和側(cè)向排煙時(shí)，在隧道內(nèi)會(huì)形成分別由隧道兩端向排煙口方向運(yùn)動(dòng)的新鮮空氣流，若產(chǎn)生的新鮮空氣流速度不低于臨界風(fēng)速，可以防止煙氣回流，即阻止向火源上游蔓延。然而，如果縱向通風(fēng)風(fēng)速過(guò)高，可能破壞火源下游的煙氣分層。將產(chǎn)生的新鮮空氣氣流速度稱為誘導(dǎo)風(fēng)速，誘導(dǎo)風(fēng)速能夠阻止煙氣層向上游蔓延，使煙氣停留在某一固定位置[4]。本文將通過(guò)數(shù)值模擬的方法分析縱向通風(fēng)與側(cè)向集中排煙共同作用下隧道內(nèi)上下層行車道空間煙氣流動(dòng)形態(tài)，為火災(zāi)煙氣防控提供參考。

一、模型構(gòu)建

（一）工程背景

以某上、下兩層行車道公路隧道為研究對(duì)象，該隧道為上、下層雙層行車道斷面形式，均為兩車道布置，斷面為外徑 14.5m 、內(nèi)徑 13.3m 的圓環(huán)狀，隧道一側(cè)設(shè)置排煙道，采用縱向通風(fēng)與側(cè)向集中排煙相結(jié)合的通風(fēng)排煙方式。

（二）隧道模型的建立

利用FDS建立的隧道模型長(zhǎng)度為 800m ，橫截面按隧道中間段實(shí)際形狀及尺寸，設(shè)定火災(zāi)熱釋放速率隨時(shí)間的二次方快速增長(zhǎng)，達(dá)到20MW后保持穩(wěn)定。采用不均勻方式劃分計(jì)算網(wǎng)格，近火源區(qū)域劃分為邊長(zhǎng)為 0.25m 的立方體，在遠(yuǎn)離火源區(qū)域，網(wǎng)格尺寸為 0.5m×0.25m×0.25m_? 0

（三）工況設(shè)置

火源功率20MW，火源位置考慮上層隧道和下層隧道兩種情況，火源上游開(kāi)啟2個(gè)排煙口，下游開(kāi)啟4個(gè)排煙口，排煙口間距 60m ，單個(gè)排煙口尺寸為長(zhǎng) × 高 σ=6m×0.5m ，排煙速率為 120m³/s ，縱向通風(fēng)風(fēng)速考慮 1.0m/s-3.0m/s 。

二、隧道縱向流場(chǎng)

通過(guò)數(shù)值模擬研究不同縱向通風(fēng)風(fēng)速影響下的上、下層隧道煙氣縱向流動(dòng)規(guī)律，圖1給出了在火源功率為

20MW時(shí)的上、下層隧道縱向的流場(chǎng)云圖，圖2為隧道縱向煙氣流場(chǎng)示意圖。從中可以看出，隧道內(nèi)流場(chǎng)以火源為分界點(diǎn)在上游和下游呈現(xiàn)不同的分布規(guī)律。

在隧道上、下游，隧道行車道從上至下在縱向通風(fēng)、煙氣熱驅(qū)動(dòng)力和機(jī)械排煙引起的誘導(dǎo)風(fēng)速的綜合作用下，火源上游流場(chǎng)可以分為逆流區(qū)、過(guò)渡區(qū)和高速區(qū)，火源下游流場(chǎng)可以分為高速區(qū)、過(guò)渡區(qū)和逆流區(qū)，火源上游頂部是煙氣逆流區(qū)，火源下游底部是新鮮空氣逆流區(qū)。在隧道上游逆流區(qū)域中，當(dāng)縱向通風(fēng)風(fēng)速小于臨界風(fēng)速時(shí)，在煙氣熱驅(qū)動(dòng)力的作用下，煙氣向上游逆流，在流場(chǎng)云圖中流速表現(xiàn)為負(fù)值；在煙氣前鋒所處橫截面位置，縱向風(fēng)速沿隧道由火源上游向下游流動(dòng)，由于隧道頂部煙氣的影響，橫截面突然減小，流速增加，隧道下方流速最高，因此隧道下方為高速區(qū)；過(guò)渡區(qū)流速介于高速區(qū)流速與縱向通風(fēng)和誘導(dǎo)風(fēng)速之和之間。在隧道下游，在煙氣熱驅(qū)動(dòng)力的作用下，煙氣向下游流動(dòng)，由于煙氣流動(dòng)方向與縱向通風(fēng)方向相同，因此隧道頂部流場(chǎng)流速最高，為流場(chǎng)高速區(qū)；由于機(jī)械排煙的影響，在隧道下游會(huì)產(chǎn)生與縱向風(fēng)速流動(dòng)方向相反的誘導(dǎo)風(fēng)速，由于該誘導(dǎo)風(fēng)速大于縱向風(fēng)速、小于高速區(qū)風(fēng)速，因此會(huì)在隧道底部形成逆流區(qū)，在流場(chǎng)云圖中流速表現(xiàn)為負(fù)值；過(guò)渡區(qū)流速介于縱向通風(fēng)風(fēng)速與誘導(dǎo)風(fēng)速之間。隨著縱向通風(fēng)風(fēng)速的增加，在隧道上游，逆流區(qū)長(zhǎng)度縮短，同時(shí)由于煙氣前鋒位置長(zhǎng)度變短，流場(chǎng)高速區(qū)長(zhǎng)度也隨之縮短；在隧道下游，高速區(qū)長(zhǎng)度隨縱向通風(fēng)風(fēng)速的增加而變長(zhǎng)，當(dāng)縱向通風(fēng)風(fēng)速增大為 3m/s 時(shí)，流場(chǎng)云圖中的逆流區(qū)幾乎不再出現(xiàn)，這是由于此時(shí)縱向通風(fēng)風(fēng)速大于誘導(dǎo)風(fēng)速。比較隧道上、下層行車道在相同縱向風(fēng)速條件下的流場(chǎng)分布情況可知，隧道下層行車道上游逆流區(qū)長(zhǎng)度均小于上層行車道，即下層隧道上游煙氣逆流距離比上層隧道小，這說(shuō)明下層隧道臨界風(fēng)速相對(duì)較小，煙控效果比上層隧道好。

三、隧道橫向流場(chǎng)

圖3給出了在火源功率為20MW和縱向通風(fēng)風(fēng)速為1.5m/s 條件下上、下層隧道橫截面Y方向流場(chǎng)分布云圖。從中可以看出，在火源橫截面處，由于火羽流的影響，火源橫截面流場(chǎng)呈現(xiàn)無(wú)規(guī)律變化。火源上游排煙口L1和L2的橫截面在排煙風(fēng)機(jī)的作用下，排煙口附近的煙氣向排煙口流動(dòng)，而遠(yuǎn)離排煙口的部分區(qū)域的煙氣流動(dòng)出現(xiàn)紊亂現(xiàn)象。火源下游的排煙口橫截面R1、R2、R3和R4，由于縱向通風(fēng)風(fēng)速與煙氣流動(dòng)方向相同，其橫截面流場(chǎng)較為穩(wěn)定。排煙口L2和R4對(duì)橫截面Y方向上的流場(chǎng)影響區(qū)域比其他排煙口大，這是因?yàn)榕艧熆贚2和R4位于隧道兩端，距離排煙風(fēng)機(jī)距離最近，其排煙口風(fēng)速相較于其他排煙口大。此外，在距火源距離 -120m 、 處，由于這些橫截面距離最近的排煙口 30m ，橫向速度幾乎為0。

對(duì)上、下層隧道橫斷面內(nèi)與排煙口同一高度處風(fēng)速進(jìn)行分析，結(jié)果如圖4、圖5所示。隨著距離排煙口越來(lái)越遠(yuǎn)，隧道橫斷面Y方向風(fēng)速整體呈逐漸降低趨勢(shì)，上層隧道風(fēng)速比下層隧道風(fēng)速高。對(duì)于上層隧道，隧道橫斷面Y方向風(fēng)速接近于0的位置出現(xiàn)在隧道最左側(cè)，這表示排煙口能夠?qū)ξ挥谡麄€(gè)隧道橫斷面的煙氣進(jìn)行排除；對(duì)于下層隧道，隧道橫斷面Y方向風(fēng)速接近于0的位置出現(xiàn)在隧道行車道正中心，這表明排煙口只能對(duì)位于隧道右側(cè)區(qū)域的煙氣進(jìn)行排除，而隧道左側(cè)區(qū)域的煙氣存在一定的滯留現(xiàn)象。然而，通過(guò)溫度數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，對(duì)于同一位置的橫斷面溫度，上層隧道的溫度要比下層隧道的溫度高，這說(shuō)明雖然上層隧道同一時(shí)間內(nèi)排出的氣體多，但排煙效率比下層隧道低，導(dǎo)致上層隧道聚集的煙氣比下層隧道多。圖中風(fēng)速在某一區(qū)域出現(xiàn)負(fù)值，表示氣體背向排煙口流動(dòng)，如圖4中上層隧道排煙口L1處、下層隧道排煙口L1和L2處。在縱向通風(fēng)、煙氣逆流與排煙風(fēng)速的綜合作用下，在上層隧道排煙口L1處、下層隧道排煙口L1和L2處均形成了一個(gè)逆壓梯度區(qū)域，此區(qū)域會(huì)阻礙煙氣流經(jīng)此處。由于排煙口流速不能克服逆壓梯度，會(huì)形成旋渦，影響排煙口的排煙效果。

結(jié)語(yǔ)

本文利用FDS對(duì)縱向通風(fēng)與側(cè)向集中排煙協(xié)同作用下雙層公路隧道火災(zāi)煙氣擴(kuò)散流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，分析了隧道縱向和橫向的流場(chǎng)情況。在采用縱向通風(fēng)與側(cè)向集中排煙方式協(xié)同排煙時(shí)，通過(guò)縱向流場(chǎng)分布可以為縱向通風(fēng)風(fēng)速及排煙速率的確定提供參考，通過(guò)橫向流場(chǎng)可以對(duì)排煙口的布置及開(kāi)啟范圍設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持。

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