特長公路隧道火災排煙數值模擬

吳 華

(安徽省交通規劃設計研究院有限公司，安徽合肥 230088)

1 工程概況

岳西至武漢高速公路安徽段位于大別山腹地，是連接中西部地區與東南沿海的交通大通道。明堂山隧道是本段的關鍵性工程，為上下行分離式特長公路隧道，長度為2×7 568.5 m。隧道右洞采用豎井送排+射流風機縱向式通風;隧道左洞采用全射流風機+集中排煙通風。

2 基本理論

隨著我國特長公路隧道的不斷增多，隧道火災的防災救援問題也隨之顯得越來越重要。火災研究的模擬方法主要分為物理模型試驗和計算機數值模擬。數值模擬結合流體動力學理論，研究隧道火災的發展規律，模擬工況靈活多變，周期短，節約試驗成本。

本文以流體動力學、傳熱學為通風理論基礎，將通風流體的運動簡化為一維理想流體連續運動。假定隧道洞內流體為連續介質、無粘性且不可壓縮，同時在火災發生時，內部流體除遵守三大基本守恒定律之外，還應遵守組分守恒定律。通過計算流體軟件，采用k—ε湍流模型和Boussinesq假設，研究在各種通風控制工況下溫度場的分布擴散及控制效果。

3 數值模擬與分析

本文運用計算流體動力學軟件PHOENICS，著重對明堂山隧道左線集中排煙系統進行數值模擬，PHOENICS作為世界上最早的計算流體與計算傳熱學軟件，內置多種湍流模型，同時最大限度開放程序，便于用戶修改程序和函數，可以對穩態和非穩態的可壓縮或不可壓縮流模擬流體流動、傳熱、化學反應及相關現象。

3.1 模型的建立

1)幾何尺寸。

明堂山隧道左線排煙口位于隧道中部，距附近兩側人行橫洞距離均為140 m。本文選取該區段(280 m)作為計算區域。隧道橫斷面面積為65.18 m2。為簡化計算對坡度統一取為平坡，坡度對于溫度場的影響將在重力加速度的取值上加以考慮。

2)邊界條件。

隧道結構壁面函數采用對數壁面律，粗糙度取為0.022，壁面速度為0 m/s，同時，隧道結構壁面假定為絕緣體，考慮到火災發生時，火源高溫以熱輻射形式將熱量傳遞給隧道壁面襯砌，根據相關資料及計算經驗，將火源能量按30%進行折減。

火災上游截面洞口視為通風入口，即Z=0處平面，設置為進口邊界條件(INLET屬性)，溫度t=20℃;入口平面沿Z軸正方向延伸280 m，取Z=280截面處作為隧道出口，設置為出口邊界條件(OUTLET屬性)。隧道整體模型見圖1。

3)火源參數。

模擬時，假設火源尺寸為4 m×2 m×1.5 m(長×寬×高)，火源中心位于Z=40 m處，忽略燃燒時所發生的化學反應。雖然隧道中發生大型火災的幾率較低，但考慮其造成的危害最為嚴重，因此數值模型的火災規模取為20 MW(相當于一輛載重大卡車著火的熱量功率)。火災采用RABT溫升曲線。

圖1 隧道整體模型圖

4)分析工況。

考慮火災工況下不同的風機控制模式，模擬了僅開啟射流風機、僅開啟排煙通道和射流風機、排煙通道均開啟三種主要工況。射流風機提供的縱向風速按 1.0 m/s，2.5 m/s，3.0 m/s，4.0 m/s取值，對應的排煙通道排風量按送排流量比φ考慮，送排流量比φ(送風量與排風量的比值)取值分別為 2.0，1.25，1.0，0.75。

3.2 模擬結果與分析

隧道發生火災后，洞內溫度有一個急劇增長的過程，一般在起火后3 min～8 min內，溫度即可達到最高。這就要求隧道內具備完善的監控監測系統，對火災進行及時快速的響應。在火災尚未充分發展時，通過控制通風模式，將火災對遇險人員及隧道的損害降至最低。下面分三種通風控制模式對火災的控制效果進行數值模擬。

1)僅開啟射流風機模擬結果。在火災發生后，若著火點距排煙口較遠時，可考慮優先開啟射流風機排煙。射流風機提供的洞內風速分別按 1.0 m/s，2.5 m/s，3.0 m/s，4.0 m/s四種工況進行數值模擬(見圖2)。觀察6 min之后隧道洞內的煙流擴散情況。

由圖2可知，當射流風機提供的風速v=1.0 m/s時，通風量不足，煙流向上游擴散，產生了較為明顯的回流現象，消防人員難以從上游接近火點，不利于消防救援;而當風速為4.0 m/s時，風速過大，破壞了煙流在下游的分層擴散，致使煙霧過早的充滿隧道，不利于人員的快速逃生。

因此，根據不同的火災規模，合理控制縱向風速，避免產生回流現象，同時，盡可能的延長煙霧在隧道拱部的貼附時間，為人員逃生爭取時間，對救援防災具有非常重要的意義。

2)僅開啟排煙通道模擬結果。在火災發生后，若著火點距離射流風機較遠，而距離排煙口較近時，可考慮優先開啟排煙通道。

排煙口風速分別取5.0 m/s，11.0 m/s，14.0 m/s，17.0 m/s四種工況進行數值模擬(見圖3)。觀察6 min之后隧道洞內的煙流擴散情況。由圖3可知，排煙口風速越大，隧道洞內煙氣越少，6 min內，基本沒有發生煙霧充滿整個隧道的現象;在排煙口位置，受到排煙通道的抽吸作用及煙流的縱向擴散作用，氣流在該處產生渦旋，使隧道底部風速較小。總體來說，火災下游煙霧抽排效果較好，在排煙口以后的隧道段落受煙流影響較小;而火災上游風速較小，大部分煙氣繼續向上游蔓延，回流現象較嚴重。此時，需盡量提高排煙通道風速。

圖2 射流風機排煙溫度場擴散效果

圖3 排煙通道集中排煙溫度場擴散效果

3)同時開啟射流風機和排煙通道模擬結果。在火災發生后，隧道射流風機和排煙通道均開啟，考慮到當縱向風速過小或過大時，對火災煙流均得不到較好的控制，本次模擬射流風機提供的縱向風速分別按2.5 m/s，3.0 m/s取值，排煙口排風量按送排流量比 φ 考慮(φ =Q送/Q排，取值分別為 2.0，1.25，1，0.75)。觀察6 min之后隧道洞內的煙流擴散情況(見圖4，圖5)。

圖4 組合排煙（v=2.5 m/s）溫度場擴散效果

由圖5可知，風機開啟的風速越大，停留在隧道內的煙氣就越少;排煙口位置隧道底部的風速較小，頂部受斜井風機抽吸和主洞射流風機推壓共同作用風速較大，無明顯渦旋現象產生。由于火災過程本身是一個隨時間而不斷變化的動態過程，燃燒溫度、煙氣壓力、通風阻力等也是動態變化的，從而導致隧道內的風流狀態非常復雜。

圖5 組合排煙（v=3.0 m/s）溫度場擴散效果

通過比較分析，采用射流風機縱向通風與排煙口集中排煙的組合通風模式，整體效果比單獨采用一種方式好。主洞射流風機提供風速應控制在臨界風速附近，盡量減小回流，且保證煙氣分層貼附擴散，同時增大排煙口風量，減少煙流繼續向前擴散，為人員逃生爭取時間，為火災救援創造條件。

4 結語

由上述各工況數值模擬結果可以看出，在隧道火災發生后，洞內溫度在很短的時間內急劇上升，火災高溫煙氣從火源位置向兩側呈流束狀沿隧道縱向擴散，在洞內縱向風速的控制下，煙霧呈分層貼附擴散現象，隨著其逐漸遠離火點，這種分層現象逐漸削弱以致消失，最終幾乎充滿整個隧道。

本文通過模擬明堂山隧道左線火災工況下三種不同的通風排煙方案，分析了洞內高溫煙氣的擴散過程。在僅開啟射流風機時，煙霧擴散距離較遠，臨界風速為2.5 m/s～3.0 m/s;在僅開啟排煙通道時，在一定程度上抑制了火災繼續向下游蔓延，但高溫煙氣回流較嚴重，且火點至排煙口范圍內，形成了大范圍、高溫高濃度的煙霧區，對人員緊急逃生和火災救援極為不利;綜合考慮以上兩種方案，同時開啟射流風機和排煙通道，將火災危害控制在相對較小范圍內，通過控制射流風機風速，使煙流擴散分層貼附，為人員逃生及救援創造條件。

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