蘇紫敏 林建業(yè) 蘇天德

摘要：為研究新型防排煙技術(shù)——防煙空氣幕在多岔式隧道中的應(yīng)用效果，文章采用數(shù)值模擬方式，研究了防煙空氣幕的火災(zāi)控制性能。研究結(jié)果表明：防煙空氣幕具有良好的隔熱和隔煙效果，改變不同的火源位置，空氣幕的隔熱效率均能達(dá)到70%以上，且能有效隔絕燃燒產(chǎn)生的煙氣蔓延擴(kuò)散。同時，還分析了不同空氣幕風(fēng)速對空氣幕性能的影響，結(jié)果表明風(fēng)速越大，隔熱效果越好。

關(guān)鍵詞：多岔式隧道;防煙空氣幕;數(shù)值模擬;隔熱效率;煙氣蔓延

0 引言

隨著現(xiàn)代城市土地資源快速減少，地下交通成為拓展更多城市用地的最佳選擇。城市隧道雖然屬于隧道交通的一種，但因其結(jié)構(gòu)交叉連通、出入口不單一的特點(diǎn)，使其與一般隧道存在一定區(qū)別。多岔式隧道發(fā)生火災(zāi)時與單線隧道火災(zāi)有較大不同：（1）由于主隧道風(fēng)速與支隧道不同，煙氣易向氣壓低處擴(kuò)散;（2）由于通道不單一使得氣流組織不穩(wěn)定，導(dǎo)致隧道內(nèi)風(fēng)速不恒定，排煙設(shè)備的參數(shù)難以確定;（3）多岔式隧道結(jié)構(gòu)復(fù)雜，消防撲救與救援難度大。基于以上特點(diǎn)，多岔式隧道火災(zāi)比普通隧道火災(zāi)危害性大，鑒于目前國內(nèi)多岔式隧道的數(shù)量龐大，對多岔式隧道進(jìn)行火災(zāi)模擬分析是非常有必要的。

多岔式隧道屬于狹長空間，高溫和煙氣是威脅人身安全的重要因素，如何在保證人員疏散的同時有效控制煙氣蔓延和高溫控制是亟須探究的問題。城市隧道內(nèi)通常采用傳統(tǒng)的防排煙設(shè)施，如擋煙垂壁、防火卷簾，但傳統(tǒng)防排煙設(shè)施在阻擋煙氣擴(kuò)散的同時增加了結(jié)構(gòu)上的阻礙，對人員的疏散會造成一定影響。防煙空氣幕作為一種新型的防排煙技術(shù)，既能衰減火災(zāi)熱輻射，亦能在阻隔煙氣蔓延的同時不妨礙人員進(jìn)行安全疏散。梅秀娟等[1]利用FDS軟件對空氣幕作用于隧道火災(zāi)煙氣蔓延的規(guī)律進(jìn)行研究，結(jié)果表明在隧道內(nèi)設(shè)置空氣幕可有效防止火災(zāi)煙氣的蔓延;吳振坤等[2]在地鐵車站敞開樓梯口開展空氣幕擋煙效果現(xiàn)場實驗，得到了不同參數(shù)下空氣幕對煙氣蔓延控制的影響;陳濤等[3]根據(jù)空氣幕火災(zāi)時的流場建立數(shù)學(xué)模型，并通過理論推導(dǎo)求出數(shù)值解析。

從國內(nèi)外學(xué)者的研究中可以發(fā)現(xiàn)防煙空氣幕具有一定的研究基礎(chǔ)和成果，在工程上也有部分先進(jìn)企業(yè)采用空氣幕作為防煙設(shè)施。但是由于多岔式隧道是近十年來的建設(shè)重點(diǎn)，與單隧道存在一定差異，前人的研究缺少普遍適用性。綜上所述，開展防煙空氣幕作用下城市多岔式隧道的火災(zāi)模擬分析是十分有必要的。

[=XQS（]基于防煙空氣幕作用下的多岔式隧道火災(zāi)模擬分析/蘇紫敏，林建業(yè)，蘇天德[=JP2]1 火災(zāi)模型設(shè)計

1.1 FDS軟件介紹

FDS是美國NIST（National Institute of Standards and Technology）研發(fā)的對于火災(zāi)場景模擬流體運(yùn)動的軟件。本文將利用FDS軟件對城市多岔式隧道火災(zāi)進(jìn)行數(shù)值模擬研究。

1.2 多岔式隧道的數(shù)值模型建立

本文模型參考實際多岔式隧道尺寸建立，選取主隧道長度為100 m，寬度為10 m;分叉口位于隧道中部，支隧道與主隧道夾角為40°，支隧道長度為50 m，寬度為5 m。本次模擬采用的火源材料為正庚烷，以t2快速增長，位置距分叉口30 m。空氣幕厚度為0.5 m[4]，長度為6 m（即分叉口寬度）（見圖1）。

在FDS數(shù)值模擬過程中，網(wǎng)格大小的選取對于結(jié)果的計算至關(guān)重要，在FDS模擬研究中常通過公式計算和模擬對比，得到合適的網(wǎng)格尺寸，在不影響實驗?zāi)M數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度的情況下，確保模擬實驗時間的充分[5]。現(xiàn)FDS模擬中常采用的計算方法是D*，其計算公示為：

D*=（Q .ρ0cpT0g）2/5（1）

式中：D*——火源特征直徑;

Q .——火源熱釋放速率（kW）;

ρ0——空氣密度（kg/m3）;

cp——比熱容（kJ/kg·k）;

T0——環(huán)境溫度（K）;

g——重力加速度（m/s2）。

根據(jù)實驗研究表明，D*的計算取值介于4～16之間時，能夠較好模擬火災(zāi)中煙氣的下沉和煙氣的運(yùn)輸情況。通過式（1）的計算結(jié)果，如表1所示，當(dāng)火源功率為10 MW時，網(wǎng)格尺寸取值最小值為0.14;當(dāng)火源功率為5 MW時，網(wǎng)格尺寸取值取值最大值為0.45。綜合考慮模擬精度和模擬運(yùn)算時間，確定網(wǎng)格精度為0.4×0.4×0.4，網(wǎng)格數(shù)量300 000個。

1.3 研究工況

本文將改變火源功率、空氣幕的出口流速、隧道口臨界風(fēng)速來探究空氣幕的防煙效果，從而得到不同工況下空氣幕的最佳流速[6]，探究臨界風(fēng)速和機(jī)械排煙條件下空氣幕的防煙效果。具體研究工況如表2所示。

2 防煙空氣幕對城市多岔式隧道火災(zāi)蔓延控制的影響2.1 防煙空氣幕隔熱效果分析

為表示防煙空氣幕的隔熱能力，本文采用隔熱效率表征空氣幕衰減火災(zāi)熱輻射的能力[7]。隔熱效率（η）定義為燃燒區(qū)和有空氣幕分隔的非燃燒區(qū)同一試點(diǎn)溫度差值與燃燒區(qū)該點(diǎn)溫度的比值，表示為：

η=T1-T2T1（2）

式中：T1——燃燒區(qū)的測點(diǎn)溫度（℃）;

T2——有空氣幕分隔的非燃燒區(qū)的測點(diǎn)溫度（℃）。

下頁圖2（a）～（c）是自然通風(fēng)下火源距離空氣幕30 m時主隧道和支隧道的溫度切片對比圖。火源功率為5 MW，防煙空氣幕設(shè)置在虛線處，風(fēng)速為10 m/s，設(shè)置為火源燃燒30 s后開啟。由圖2（a）～（c）可知隨著燃燒的不斷進(jìn)行，主隧道內(nèi)的溫度快速升高，當(dāng)燃燒進(jìn)行到60 s時，主隧道溫度在400 ℃～800 ℃，最高達(dá)到820 ℃;支隧道受到空氣幕的保護(hù)，溫度保持在20 ℃～160 ℃之間，最高達(dá)到158 ℃。當(dāng)燃燒持續(xù)到100 s以后，主隧道的溫度已達(dá)到500 ℃～900 ℃，此時主隧道已不具備人員生存的條件，而支隧道靠近地面的中下部溫度仍在30 ℃～150 ℃，頂棚溫度在150 ℃～240 ℃。根據(jù)式（2）計算，防煙空氣幕的隔熱效率約為80%。

圖2（d）～（f）是自然通風(fēng)下火源距離空氣幕0 m時主隧道和支隧道的溫度切片對比圖，其余參數(shù)不變。主隧道溫度迅速升高，達(dá)到900 ℃～1 400 ℃;而因火源距離空氣幕較近，支路隧道的溫度較火源距離空氣幕30 m時的溫度更高，達(dá)到150 ℃～350 ℃;同時在空氣射流的作用下，隨著燃燒的持續(xù)進(jìn)行煙氣層在隧道內(nèi)下降，煙氣層具有高溫的特點(diǎn)，導(dǎo)致在隧道中下部的溫度與頂棚溫度接近。根據(jù)式（2）計算，防煙空氣幕的隔熱效率約為73%。根據(jù)以上分析，可知空氣幕具有良好的隔熱效果。

2.2 防煙空氣幕隔煙效果分析

當(dāng)隧道發(fā)生火災(zāi)，因氧氣不足而使可燃物進(jìn)行不完全燃燒會產(chǎn)生大量煙氣，煙氣中的大量固體小顆粒和小液滴具有很強(qiáng)的遮光性，煙氣濃度越大，人的能見度越低，對人員逃生的威脅越大。在一般環(huán)境中，人員的能見度為30 m;在應(yīng)急逃生時，隧道內(nèi)的能見度應(yīng)滿足10 m以上為最佳。與上文中參數(shù)保持一致，圖3（a）～（c）是自然通風(fēng)下火源距離空氣幕30 m時不同時間階段隧道內(nèi)能見度的變化圖。通過分析可知當(dāng)燃燒進(jìn)行到60 s時主隧道整體的能見度已降低到8 m以下，而支隧道的能見度仍保持在15～25 m;當(dāng)燃燒進(jìn)行到120 s以后主隧道的能見度已降低到5 m以下，此時煙氣不斷產(chǎn)生且無法有效排出，向下沉積，造成整個主隧道充滿了大量濃煙;支路隧道因受到空氣幕的分隔保護(hù)，能見度仍能保持在15 m以上。圖3（d）～（f）是自然通風(fēng)下火源距離空氣幕0 m時能見度的變化圖。相對于火源距離空氣幕30 m時，支路隧道的能見度相對低3～5 m，這是因為火源靠近空氣幕，煙氣生成量大，壓強(qiáng)上升向四周膨脹，當(dāng)壓力增強(qiáng)到空氣幕不足以阻擋時，煙氣就會穿過空氣幕進(jìn)入支隧道，使能見度降低。

隨著燃燒的不斷進(jìn)行，空氣幕的空氣輸出方向由最初的垂直向下而后逐漸發(fā)生偏移，分析認(rèn)為是隨著燃燒進(jìn)行煙氣在不斷地增加，空氣幕輸出的空氣對煙氣的運(yùn)動造成一定的擾亂，使得火源卷吸的范圍擴(kuò)大，空氣輸出角度有所改變，但對空氣幕的隔煙效果影響較小，隔煙效果依舊良好。

2.3 臨界風(fēng)速對防煙空氣幕火災(zāi)控制性能的影響

將隧道環(huán)境改為存在自然風(fēng)的情況，設(shè)置臨界風(fēng)速為2 m/s（風(fēng)向以y軸正方向為正），將火源功率設(shè)置為5 MW，火源位置分別設(shè)置在距離空氣幕30 m處和0 m處。

圖4（a）～（c）是有臨界風(fēng)速作用下火源距離空氣幕30 m時主隧道和支隧道的溫度對比圖。經(jīng)分析，主隧道和支隧道的溫度均較自然通風(fēng)時有所升高，當(dāng)燃燒進(jìn)行到100 s后，主隧道溫度在700 ℃～880 ℃，支隧道溫度在120 ℃～450 ℃，防煙空氣幕的隔熱效率約為64%，較自然通風(fēng)下的隔熱效率降低了16%。圖4（d）～（f）為臨界風(fēng)速作用下火源距離空氣幕0 m時主隧道和支隧道的溫度對比圖。與火源距離空氣幕30 m處燃燒時的情況不同，當(dāng)火源距離空氣幕0 m時，支隧道的溫度保持良好，在20 ℃～200 ℃，而主隧道的溫度在700 ℃～1 000 ℃，防煙空氣幕的隔熱效率約為87%。

圖5是有臨界風(fēng)作用下火源距離空氣30 m和0 m時主隧道和支隧道的能見度對比圖。可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)火源處于30 m時，在自然風(fēng)的作用下，部分煙氣進(jìn)入支隧道使得隧道內(nèi)能見度降低，保持在5～15 m之間，防煙空氣幕的隔煙效果不理想;當(dāng)火源位于0 m處時，在自然風(fēng)作用下煙氣沿主隧道外壁蔓延，只有小部分煙氣在燃燒后期進(jìn)入支隧道，支隧道的能見度較高，基本維持在23 m以上，隔煙效果良好。

分析兩種工況下溫度和能見度的變化規(guī)律，當(dāng)火源位于30 m時，由于正向風(fēng)的作用，部分煙氣沿著支隧道蔓延，此時支隧道的溫度較高，能見度較低，隔熱和隔煙效果不理想;當(dāng)火源位于0 m時，在自然風(fēng)作用下煙氣沿主隧道外壁蔓延，在空氣幕的保護(hù)下只有小部分煙氣在燃燒后期進(jìn)入支隧道，此時空氣幕的防煙和隔熱效果較理想，可以有效阻止煙氣向支隧道蔓延。在實際工程中設(shè)置空氣幕，均需考慮隧道臨界風(fēng)對空氣幕性能的影響，可考慮增大防煙空氣幕的釋放風(fēng)速，同時與機(jī)械排風(fēng)系統(tǒng)共同作用。

3 影響防煙空氣幕性能的因素

當(dāng)防煙空氣幕用于實際工程項目中，除了日常維護(hù)及清洗設(shè)備外，風(fēng)機(jī)的功率、出風(fēng)口的大小一般不作調(diào)整或更換。本小節(jié)主要通過改變防煙空氣幕的風(fēng)速，探尋實際工程中適合防煙空氣幕的最佳風(fēng)速。

試驗?zāi)M了4種風(fēng)速、2種火源功率的試驗工況進(jìn)行比較，如表3所示。

下頁圖6（a）為火源功率為5 MW時支隧道溫度隨空氣幕流速變化的曲線圖。根據(jù)曲線圖可發(fā)現(xiàn)設(shè)有空氣幕保護(hù)的試驗工況溫度均低于未設(shè)有空氣幕的溫度。未開啟空氣幕時支隧道溫度最高為800 ℃;當(dāng)空氣幕風(fēng)速為8 m/s時，最高溫度為475 ℃;當(dāng)空氣幕風(fēng)速為10 m/s時，最高溫度為315 ℃;當(dāng)空氣幕風(fēng)速為12 m/s時，最高溫度為200 ℃;當(dāng)空氣幕風(fēng)速為15 m/s時，最高溫度為150 ℃。總體分析，當(dāng)空氣幕風(fēng)速在10 m/s、12 m/s、15 m/s時支隧道的溫度基本能保持在200 ℃以下，均能達(dá)到較好的隔熱效果。圖6（b）為火源功率為10 MW時支隧道溫度隨空氣幕流速變化的曲線圖。未開啟空氣幕時支隧道溫度最高為1 100 ℃;當(dāng)空氣幕風(fēng)速為8 m/s時，最高溫度為730 ℃;當(dāng)空氣幕風(fēng)速為10 m/s時，最高溫度為550 ℃;當(dāng)空氣幕風(fēng)速為12 m/s時，最高溫度為180 ℃;當(dāng)空氣幕風(fēng)速為15 m/s時，最高溫度為80 ℃。當(dāng)空氣幕風(fēng)速在12 m/s和15 m/s時支隧道的溫度基本能保持在180 ℃以下，隔熱效果良好。

綜上分析，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)火源功率為5 MW時，空氣幕風(fēng)速在10 m/s及以上能有較好的隔熱效果;當(dāng)火源功率為10 MW時，空氣幕風(fēng)速在12 m/s及以上能有較好的隔熱效果。研究同時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)空氣幕風(fēng)速在12 m/s及以上時，支隧道的溫度曲線較為接近甚至有所重合，說明當(dāng)空氣幕風(fēng)速持續(xù)增加時，隔熱效果并非呈線性增加，在實際工程中應(yīng)根據(jù)實際情況選擇適當(dāng)?shù)娘L(fēng)速，在保證能發(fā)揮空氣幕作用的同時也能較好地控制成本。

4 結(jié)語

（1）防煙空氣幕具有明顯的隔煙效果。當(dāng)火源距離空氣幕30 m時，支隧道的能見度均能保持在15 m以上;當(dāng)火源距離空氣幕0 m時，因火源靠近空氣幕，煙氣生成量大，壓強(qiáng)上升向四周膨脹，當(dāng)壓力增強(qiáng)到空氣幕不足以阻擋時，煙氣就會穿過空氣幕進(jìn)入支隧道，能見度能保持在10 m以上。

（2）防煙空氣幕具有良好的隔熱效果。當(dāng)火源距離空氣幕30 m時，主隧道溫度在500 ℃～900 ℃，而支隧道靠近地面的中下部溫度仍在30 ℃～150 ℃，隔熱效率約為80%;當(dāng)火源距離空氣幕0 m時，主隧道溫度達(dá)到900 ℃～1 400 ℃，支路隧道的溫度達(dá)到150 ℃～350 ℃，隔熱效率約為73%。

（3）在自然通風(fēng)的條件下，空氣幕風(fēng)速越大，隔熱效果越好。當(dāng)火源功率為5 MW時，空氣幕風(fēng)速在10 m/s及以上時有較好的隔熱效果;當(dāng)火源功率為10 MW時，空氣幕風(fēng)速在12 m/s及以上時有較好的隔熱效果。但空氣幕風(fēng)速越大，對實際工程中風(fēng)機(jī)的選用功率越高，且隔熱效果并非隨著風(fēng)速的增加而更好，應(yīng)根據(jù)實際情況合理選擇空氣幕風(fēng)速。

（4）當(dāng)有臨界風(fēng)速的作用下，當(dāng)火源位于30 m時，有部分煙氣沿著支隧道蔓延，此時支隧道的溫度較高，能見度較低，隔熱和隔煙效果不理想;當(dāng)火源位于0 m時，在自然風(fēng)作用下煙氣沿主隧道外壁蔓延，只有小部分煙氣在燃燒后期進(jìn)入支隧道，防煙和隔熱效果較理想。

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