三出口隧道匝道火災煙氣分流及排煙控制模擬

李世峰 張旭*

同濟大學機械與能源工程學院

0 引言

城市道路隧道具有公路交通的覆蓋面大、機動靈活、克服自然地貌障礙的優勢，在我國交通基礎設施中占有重要地位[1-2]。出于交通規劃的需要，現代城市道路隧道往往會連接多個匝道，使得隧道內氣流組織變得復雜。火災發生時，為了保證煙氣盡快排出，可以借助射流風機對隧道匝道分岔部的煙氣流動加以控制。從理論上講，這類在隧道運營通風與射流風機共同組成的事故通風系統為動力分散型排煙模式。

本文以某在建大型城市道路隧道為工程背景，選取該隧道一端設置的三出口分流匝道為研究對象。使用FDS軟件進行全尺寸匝道火災模擬，利用射流風機對煙氣進行引導，并結合風機開啟組合、隧道結構等因素，對該三出口分流匝道處的煙氣分流狀況進行綜合分析。

1 模型建立

1.1 匝道結構

本匝道為三出口分流匝道。A為匝道上游的干道洞口，洞口寬為12m，高6m。B為火災點，火源尺寸為8m×2.5m×3m，燃燒強度取5MW。C、D、E洞口為本匝道段的三個分流出口，洞口尺寸均為9.2m×6m。Ⅰ分岔口為行車方向上第一個分岔漸擴路段，一端寬為12m，一端寬為19.5m。Ⅱ分岔口為行車方向上第二個分岔漸擴路段，一端寬為12m，一端寬為19.5m。具體各分岔口、支路編號如圖1所示。

圖1 匝道模型示意圖

正常運營時，車輛自A洞口駛入，由Ⅰ、Ⅱ分岔口處分流，自C、D、E洞口離開隧道。發生火災時，由于主隧道內采用縱向排煙方式，A洞口來流速度穩定，煙氣自C、D、E洞口排出，利用隧道內部設置的射流風機控制煙氣流動。

1.2 邊界條件

匝道上游空氣來流穩定，A洞口設置為空氣速度入口。B點的火災強度設置為5MW。C、D、E為敞開面。以B點火災燃燒產生的CO代表火災煙氣濃度，對C、D、E洞口進行煙氣流量監測。

2 射流風機機組設置

整個分流匝道模型中設置有6組，共12臺射流風機。射流風機的射流軸心高度設置均為5m。Ⅰ-C支路和Ⅰ-Ⅱ支路內均各設置有2組射流風機，其中ⅠC-1風機機組和ⅠⅡ-1風機機組位于兩條支路入口，ⅠC-2射流風機機組和ⅠⅡ-2射流風機機組兩條支路入口下游75m處。Ⅱ-D支路和Ⅱ-E支路的入口各設置有一組射流風機，編號分別為ⅡD和ⅡE。每臺射流風機出口風速為30m/s，射流風量為15m3/s,射流方向均與行車方向相同。射流風機機組編號和具體位置見圖2、圖3。

圖2 Ⅰ分岔口處射流風機機組位置及編號

圖3 Ⅱ分岔口處射流風機機組位置及編號

3 工況設置

合理布置射流風機的位置并有效利用射流的升壓和誘導作用，可以克服隧道內通風氣流所受到的流動阻力，有效保證沿隧道內的氣流流動的通暢，亦可干預影響隧道內空氣的流動狀態，從而達到控制空氣流動、增強通風效果的[3]。在本文案例中，利用射流風機對火災煙氣的流動進行引導控制，并分析在不同射流風機組開閉組合下的煙氣分流控制效果。射流風機組的開閉組合共有8個工況，其具體組合見表1。

表1 射流風機機組的開閉組合

對比工況1與工況3，分析射流風機機組開啟對分岔口處煙氣流量分配的影響。對比工況2，工況3和工況4，分析匝道上游來流速度對分岔口處煙氣流量分配的影響。對比工況4至工況9，分析不同位置射流風機機組開啟組合對于分岔口處煙氣流量分配影響。

4 結果與分析

4.1 風機組開啟對于煙氣分流的影響

風機組開啟對于煙氣分流影響模擬結果見圖4。

工況1的模擬結果顯示，當無射流風機工作時，煙氣在Ⅰ分岔口的流量分配比例大致相同，流入Ⅰ-C支路和Ⅰ-Ⅱ支路的煙氣流量比例分別為56.0%和44.0%。在工況3中，位于Ⅰ-C支路和Ⅰ-Ⅱ支路入口處和入口下游75m處的射流風機組全部開啟時，射流風機的誘導影響凸顯，流入Ⅰ-Ⅱ支路的煙氣流量比例由工況1中的44%上升為63.3%。在Ⅱ分岔口處，工況1與工況3的煙氣分流現象基本一致，煙氣流量比例主要受到曲線隧道自身結構的影響，流入Ⅱ-D支路的煙氣流量少于Ⅱ-E支路。

圖4 工況1、3中各洞口煙氣比例

4.2 上游來流風速大小對于煙氣分流的影響

隧道內上游來流風速是影響火災煙氣擴散的重要因素。本研究路段上游采用縱向排煙方式，A洞口的空氣來流速度勢必影響研究整個路段內的煙氣擴散。在Ⅰ-C支路和Ⅰ-Ⅱ支路內射流風機機組全開的條件下，對比工況2，工況3和工況4可以發現上游空氣來流速度變化對Ⅰ分岔口處煙氣流量的分配比例影響很大。圖5中，當A洞口來流風速從1.9m/s提升到3.5m/s時，流入Ⅰ-C支路的煙氣流量比例從21.6%增長到57.1%。上游來流風速的增加削弱了射流風機機組對于Ⅰ分岔口處煙氣分流的影響。當上游來流風速增加到3.5m/s時，Ⅰ分岔口處的煙氣分流比例已經和工況1十分接近。

圖5 工況2、3、4中各洞口煙氣量比例

在工況2、工況3和工況4中，由于射流風機機組的射流影響和較長距離的運動，煙氣與隧道內空氣在Ⅰ-Ⅱ支路內不斷摻混，在氣流運動到Ⅱ分岔口時已摻混的比較均勻，D、E洞口處的煙氣濃度也基本一致。而受到隧道自身曲線結構的影響，多數摻混氣流入離心側的Ⅱ-E支路，使得Ⅱ-E支路內的煙氣流量均超過Ⅱ-D支路。除了隧道自身曲線結構，上游來流風速亦對Ⅱ分岔口處煙氣流量分配有重要影響。在此三個工況中，Ⅱ分岔口的上游來流風速分別為0.81m/s，1.00m/s和1.18m/s。隨著上游來流風速的增加，兩支路內的煙氣流量差距也逐漸縮小，從工況2中相差21.0%縮小到工況4中的6.9%。

4.3 下游射流風機機組開啟數量、位置對于上游分岔口煙氣分流的影響

隧道內射流風機機組的開閉組合對隧道分岔口的煙氣分流比例有著重要影響。圖6中，對比工況6和工況5可發現，當Ⅰ-Ⅱ支路內多開啟ⅠⅡ-1射流風機機組時，在Ⅰ分岔口處分流流入Ⅰ-Ⅱ支路的煙氣流量比例大幅增加，從14.2%提升到54.6%。其大幅增長的原因不但由于更多氣流進入而且進入Ⅰ-Ⅱ支路的氣流中煙氣濃度也有所升高。在工況3中，Ⅰ-Ⅱ支路內的所有射流風機機組全部開啟，相比該支路內僅有一組射流風機工作的工況6，流入Ⅰ-Ⅱ支路的煙氣流量比例從54.6%增加至63.3%。模擬結果顯示，在工況3與工況6中，Ⅰ-Ⅱ支路內的煙氣濃度相差不大，這8.7%的煙氣流量增長是由于更多的氣流進入該支路。

圖6 工況5、6、3中各洞口煙氣量比例

綜合對比以上三個工況，可認為增加射流風機機組的開啟數量有助于將強對于火災煙氣的誘導引流。在均增加1組射流風機工作時，機組的開啟數量從無到有所起到的誘導效果優于從少到多。

不僅是下游射流風機機組的開啟數量，機組的開啟位置亦對上游分岔口的煙氣流量分配比例有很大影響。

如圖7所示，在工況7中，Ⅰ-Ⅱ支路入口下游有ⅠⅡ-1、ⅠⅡ-2和ⅡD共三個機組工作，比工況3中多運行ⅡD機組。然而在Ⅰ分岔口處，工況3與工況7的煙氣流量分配比例幾乎相同，流入Ⅰ-Ⅱ支路的煙氣流量比例分別為63.3%和63.1%。在Ⅱ分岔口處，工況3與工況7的煙氣流量分配比例則差異很大。ⅡD機組對于煙氣分配的影響超過了隧道自身曲線結構的影響。在工況7中，自D洞口流量流出的煙氣量開始超過E洞口。煙氣自在Ⅱ分岔口分流時，流入Ⅱ-D支路的煙氣量占總煙氣發生量的41.7%，遠超工況3中的26.6%。可以發現，ⅡD機組的開啟對于煙氣于Ⅰ分岔口處的分配比例影響很小而對Ⅱ分岔口處影響很大。

圖7 工況3、7、8中各洞口煙氣量比例

在工況8中，Ⅱ-E支路內ⅡE機組開始工作，Ⅱ-D支路和Ⅱ-E支路內的機械動力開始平衡。這兩支路之間的動力平衡不僅使得Ⅱ分岔口出的煙氣流量分配比例恢復到Ⅱ-E支路多于Ⅱ-D支路的狀態，而且影響到了Ⅰ分岔口處煙氣分流。相比工況7，在工況8中流入Ⅰ-Ⅱ支路的煙氣流量比例提高了11.4%。

可見，單純開啟某個下游支路的射流風機機組可以影響其緊鄰的上游分岔路口處的煙氣流量分配，但對上游其他分岔路口的煙氣流量分配影響較小，如開啟ⅡD機組可明顯改變Ⅱ分岔口處的煙氣分流效果但對Ⅰ分岔口影響甚微。

4.4 煙氣分流比例極限

綜合比較表1所列9個工況，可得到本研究對象中射流風機機組對于煙氣分流的控制極限。圖8中，C洞口煙氣流量占比最高的工況5中的85.8%。D洞口煙氣流量占比最高的工況7中的41.7%。E洞口煙氣流量占比最高的工況9中的57.1%。可根據對于煙氣流動控制的需要，開啟不同組合的射流風機機組。

圖8 各工況中各洞口煙氣量比例

5 結論

運用FDS模擬，分析三出口分流匝道內煙氣流動特性和機械排煙系統效果，研究分岔口處煙氣分流規律和射流風機誘導引流問題。得到以下結論：

1）對于分岔路口而言，開啟下游支路中的射流風機機組可以改變該分岔路口處的煙氣流量分配比例。當分岔路口前后為直線路段且下游兩支路均開啟風機機組時，煙氣更易進入入口位置正對上游的支路。當分岔路口位于曲線隧道且無風機控制時，煙氣更已進入離心側支路。

2）分岔口上游干道的來流風速對于煙氣分流影響很大。較大的來流風速會削弱下游支路中風機組的誘導引流效果。而當分岔路口位于曲線隧道時，增大來流風速可減弱曲線隧道自身結構對于煙氣分流的影響，使得下游支道間的煙氣流量差異減小。

3）增加支路內射流風機機組工作數量可明顯改變該支路入口處分岔口的煙氣分配。當某支路下游子支路之間的機械動力不平衡時，子支路之間煙氣分配會發生變化，但并不會對該支路緊鄰上游分岔口處煙氣分流效果產生明顯影響。