移動風機距離對隧道排煙效果的影響研究

江　平

(貴州省消防總隊，貴州 貴陽　550001)

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移動風機距離對隧道排煙效果的影響研究

江平

(貴州省消防總隊，貴州 貴陽550001)

移動式風機是一種操作更加靈活的排煙設備，在隧道火災中能發揮其獨特優勢。通過數值模擬分析了移動風機距離對排煙效果的影響。結果表明移動風機應用于隧道火災排煙時，其與火源之間存在一個臨界間距，距離大于或小于該間距，排煙效果都會受到不同程度的影響。

移動風機；隧道火災；風機距離；排煙

0　引言

隨著公路交通建設的快速發展，目前我國已成為世界上公路隧道最多的國家。如貴州省是一個多山地區，高速公路隧道占公路總比重較大，特殊情況下其比例甚至達到70%～80%[1]。然而公路隧道內部一旦發生火災，高溫煙氣很難排出，火災蔓延速度快，隧道內部很快會形成高溫環境，造成人員疏散與滅火救援困難[2-3]，甚至導致重大人員傷亡[4]。當前隧道火災煙氣的控制設備以隧道頂棚的固定射流排煙風機為主，如果火源位置距離固定風機較遠，其排煙效果可能會被弱化。而消防部隊裝備的一種車載式排煙風機可以在這種特殊環境下得以更好的應用，通過分析該型風機控制煙氣效果的有效操作方式，找出合理的排煙模式，可以為滅火救援和人員疏散等方案的制定提供理論支撐。本文采用數值計算軟件FDS6.3.2[5]對移動風機相距火源不同位置時的排煙效果進行模擬研究。

1　隧道建模及場景設計

以貴州省遵義市的子尹隧道進行建模，該隧道長600 m、寬14 m、高7 m，雙向四車道。其左洞隧道縱向設計為1.75%的上坡段和-1.41%的下坡段，相應坡段長分別為138 m和457.842 m，隧道平面進口段300.478 m為直線，出口段295.364 m位于R=600 m的左偏曲線上。火源設置在隧道中心線上，且距離洞口180 m。移動風機參數依據遵義市特勤中隊的隧道專用A類消防車EXORCIST II型確定，該型消防車配置的風機呈圓柱形，長1.5 m，內徑0.8 m，軸承距地面2.75 m，最大風速30 m·s-1。在FDS中射流風機模型的搭建細節可參考文獻[6]。

根據隧道火災設計和前人的試驗可知，一輛小型汽車燃燒的火源功率峰值大約在3 MW左右[7]，因此，本文主要考慮火源功率為3 MW時的排煙情況。火源采用在單位面積上設置相同的熱釋放速率(HRRPUA)，火源尺寸為長2 m、寬1 m。參照文獻[8]，在兼顧計算精度和計算時間的前提下，在火源和風機附近60 m范圍內，如圖1中的虛線區域，網格大小設置為0.25 m×0.25 m×0.25 m，其他區域網格大小為0.5 m×0.5 m×0.5 m。全尺寸模擬工況如表1所示。

圖1　隧道計算模型平面圖

工況編號火源功率/MW風機距離火源位置/m風機風速/m·s-1131030232030332530433030533530634030735030

2　隧道火災煙氣控制

在隧道火災中主要可以通過自然通風與機械通風兩種方式進行排煙，本文研究的移動風機屬于機械通風中的縱向方式，其主要功能是通過產生高速氣流去抑制煙氣回流和加速煙氣縱向排出隧道，達到排煙或控制煙氣的目的[9]。此時，位于火源位置上風向的人員能夠在縱向通風的保障下，迅速逃生至安全地段，同時也有利于消防救援人員在上風向順利開展滅火工作，這種能夠抑制煙氣回流的最小縱向通風速度被定義為臨界風速[10]。

Wu和Bakar[11]在同時考慮隧道截面對臨界風速影響的基礎上，選取水力直徑作為特征高度，擬合出臨界風速的經驗公式：

(1)

(2)

(3)

可見，臨界風速對選取合適的縱向通風方式具有重要意義。而本文研究的這種移動風機，當火源功率為3 MW時，由上面公式計算得出臨界風速約為3.36 m·s-1，而該型號風機的最大風速可以達到30 m·s-1，理論上滿足控制煙氣回流的要求。但根據能量守恒原理，由于移動風機距離火源位置不同，導致到達火源面的風速不同，從而產生排煙效果的差異，然而這個推導是否成立需要進一步討論。

3　結果分析

3.1風機距離對煙氣回流的影響

模擬結果顯示，隨著風機與火源之間距離的增加，煙氣回流現象有加劇的趨勢，其中距離在35～50 m之間時煙氣回流現象并沒有明顯的區別。這表明，并不是風機距離火源位置越近，其抑制煙氣回流的效果越好，如距離為10 m時抑制煙氣效果與相距20 m時相近，導致這一現象的原因很可能是由于該型移動風機是一種射流風機。射流風機的工作原理是先由尾部吸氣，然后通過風機的葉片進行加速后高速噴出氣流，其產生的射流容易造成風機周圍的流場紊亂。因此，當風機距離火源位置非常近的時候，比如10 m位置，風機周圍的卷吸現象會在其附近產生漩渦區域，由此產生了風機距離火源越近對抑制煙氣回流效果反而有所下降的現象。另外，由模擬煙氣流動圖可觀察到，當風機距離火源20和25 m時，其對煙氣回流的抑制效果相比其他間距要好，如果大于該間距，回流長度會增加，而且回流的煙氣沉降也會更快。考慮到風機操作人員的安全，為減少有毒有害煙氣對消防人員的危害，風機相距火源不能過小，即風機距離并非越小越好。

3.2風機距離對煙氣溫度的影響

圖2給出了風機距離火源不同位置時，上風向即回流區域頂棚煙氣最大溫度分布。從圖中可以看出，風機距離火源越近，如圖中的10和20 m位置，回流區域最大頂棚溫度下降速度快，其控制效果也好。而當風機距離火源25～50 m時，對于回流區域

圖2　不同距離時火源上風向最大溫度分布

溫度的控制效果沒有明顯的差異，這說明風機與火源距離超過一定臨界范圍后，其控制回流煙氣溫度的效果會明顯減弱，以至于距離對其影響可以忽略。

圖3給出了火源正上方頂棚煙氣最大溫度隨風機距離的變化圖，其中由于火源長度為2 m，火源頂棚煙氣最大溫度取-1～1 m范圍內的平均值。由圖可以看出，風機距離對火源上方頂棚最大煙氣溫度呈階段性影響，當距離為10 m時，溫度值相比更遠的距離有明顯的降低。隨著風機距離的增加，當距離在20～30 m范圍內時，距離對火源上方頂棚最大煙氣溫度的影響可以忽略不計，但距離在35～50 m范圍內時，火源上方頂棚最大煙氣溫度有一個躍升，這說明在30與35 m之間可能存在一個臨界距離，如果風機距離小于這個臨界值，其對火源上方頂棚附近的溫度降低有顯著的影響。顯然該型風機距離火源位置在20～25 m范圍內時，既能很好地抑制煙氣回流長度，也能很好地降低火源上方頂棚最大煙氣溫度。

圖3　火源上方頂棚煙氣最大溫度隨風機距離變化圖

3.3風機距離對煙氣沉降的影響

圖4給出了在火源上風向-6 m位置處，風機距離火源不同位置時，煙氣在該位置豎直方向的沉降時間變化情況。回流的沉降速度可以在一定程度上用來衡量風機抑制煙氣逆流的實際效果。由圖可看出，風機距離為25 m時，回流煙氣沉降速度最快。雖然當風機距離為10 m時，對煙氣初始沉降即豎直高度小于5.5 m的情況下，其控制煙氣沉降的效果最佳，但就總體來說，風機距離為20 m時，煙氣沉降到豎直高度為3 m的時間最長，這說明風機距離大于或小于20 m范圍，對控制煙氣回流沉降的效果都會有所減弱。

圖4　不同風機距離時煙氣沉降時間變化圖

4　結論

通過全尺寸排煙模擬，得出移動風機與火源的距離對隧道火災煙氣控制效果的影響。(1)對于額定功率的移動風機，在應用于隧道火災排煙時，其與火源之間存在一個臨界距離，距離過大或過小都不能達到很好地控制煙氣回流的效果。但需要指出的是風機距離越小，對于上風向頂棚煙氣溫度的控制效果會更好一些。本文提及的這種移動風機，通過對回流溫度、沉降速度的定性定量分析，模擬結果表明最佳排煙距離可能在20～25 m范圍之間。(2)由于本文僅對3 MW的火源功率進行了模擬分析，在隧道火災救援現場，需要根據火災規模的大小，合理安排移動風機的臺數，因為額定功率的風機可能并不適用于所有火災場景。

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(責任編輯馬龍)

A Numerical Study on the Effect of Smoke Ventilation in Tunnel Fires by a Movable Fan

JIANG Ping

(FireCropsofGuizhouProvince,Guiyang550001,China)

A movable fan is flexible smoke ventilating equipment, which is applied at the tunnel fire scenarios. Based on numerical simulations, the influence of a fan distance on the effect of smoke ventilation was analyzed in-depth. Results show that there exists a critical value with the distance between a movable fan and a fire source. If the distance is greater or less than the critical value, the effect of smoke ventilation is influenced.

movable fan; tunnel fire; fan distance; smoke exhaust

2016-05-22

江平(1968—)，男，四川三臺人，高級工程師。

TU892

A

1008-2077(2016)08-0028-04