側(cè)向排煙方式下隧道寬度對煙氣特性的影響

曾清珣 畢海權(quán) 茍紅松 王 菁 劉方吉

（1.西南交通大學(xué)機械工程學(xué)院 成都 610031；2.中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司 成都 610031）

0 引言

中國公路網(wǎng)不斷向崇山峻嶺、離岸深水區(qū)延伸，公路隧道總量和建設(shè)規(guī)模持續(xù)增大。近40年來，中國公路隧道由單洞2 車道逐步向雙洞4 車道、6 車道、8 車道隧道發(fā)展[1]。隨著所建隧道的長度及寬度日趨增大，隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時的危害也隨之增大。隧道內(nèi)通風(fēng)排煙系統(tǒng)多采用自然排煙[2]、縱向通風(fēng)排煙[3]及頂部排煙[4]方式。但側(cè)向排煙方式具有節(jié)省隧道凈高、降低造價等優(yōu)點，因此這一排煙方式在高度方向受限制、兩孔一管廊隧道中被廣泛應(yīng)用[5]。

熱煙氣的浮力效應(yīng)為垂直向上[6]，頂部設(shè)置排煙口有利于煙氣的排出，而當(dāng)排煙口位于隧道側(cè)壁面時，排煙口開口方向與煙氣浮力方向不同，在側(cè)向排煙方式下隧道內(nèi)的煙氣特性將不同于以往研究。目前關(guān)于側(cè)向排煙的研究主要是基于單洞3 車道隧道，研究排煙量[7]、排煙口設(shè)置[8]、縱向風(fēng)速[9]等影響因素的最佳設(shè)置以及其對人員疏散安全的影響，而對采用側(cè)向排煙系統(tǒng)的隧道在斷面寬度改變后的煙氣特性方面研究不足。

本文通過數(shù)值模擬研究隧道斷面為不同寬度時，各行車道處拱頂處、人員高度處煙氣溫度的分布規(guī)律以及側(cè)向排煙口的排煙效率，研究結(jié)果以期為火災(zāi)探測、消防救援、隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計等提供參考。

1 數(shù)值計算模型及參數(shù)設(shè)置

1.1 控制方程

火災(zāi)的發(fā)生、發(fā)展為非穩(wěn)態(tài)、非定常變化的復(fù)雜的三維過程，但是流體的流動都遵循質(zhì)量、動量、能量及組分守恒等基本定律，在FDS 中的基本控制方程如下[10]：

質(zhì)量守恒方程：

動量守恒方程：

組分守恒方程：

能量守恒方程：

氣體狀態(tài)方程：

式中，ρ為密度，kg/m3；t為時間，s；為速度矢量，m/s；p為環(huán)境壓力，Pa；g為重力加速度，m/s2；f為除去重力的外力，N；τij為粘性應(yīng)力張量；im′ 為單位體積內(nèi)第i種組分的質(zhì)量生成率，kg/(m3·s)；Di為i組分質(zhì)量擴散系數(shù)，m2/s；Yi為i組分體積分數(shù)；qr輻射熱通量向量，W/m2；hs為顯焓，J/kg；T為熱力學(xué)溫度，K；k為導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)。R為氣體常數(shù)，J/(mol·K)；為氣體混合物的分子量，kg/mol。

1.2 數(shù)值模型

本文根據(jù)某隧道實際尺寸建立計算模型，為了保證在模擬中隧道內(nèi)氣流能達到充分的發(fā)展，建立的隧道長度為600m，模擬時間設(shè)置為500s。隧道出入口設(shè)置為Open 邊界，排煙道兩端開口設(shè)置為Exhaust 邊界，環(huán)境溫度設(shè)置為20℃。隧道壁面材料為混凝土，該材料導(dǎo)熱系數(shù)為1.8W/(m·K)，比熱為1.04kJ/(kg·K)。以隧道正中位置為中心，在兩側(cè)對稱位置各布置兩個排煙口，排煙口尺寸為3m×2m，排煙口間距為60m，排煙口底部距行車道的垂直高度為4.6m。隧道模型示意圖（以單洞4車道隧道為例）如圖1所示。

圖1 隧道模型示意圖（以單洞4 車道隧道為例）Fig.1 Schematic diagram of the tunnel model(a single-hole four-lane tunnel as an example)

1.3 網(wǎng)格尺寸

在進行數(shù)值計算時，合理的網(wǎng)格尺寸設(shè)置可以在保證計算精度的同時節(jié)約計算時間。前人研究指出，通過1/4 到1/16 倍的火源特征直徑D*來確定著火點附近的網(wǎng)格尺寸可以與試驗結(jié)果很好的吻合[11]，并且相關(guān)研究表明，火源區(qū)、浮力羽流區(qū)、煙氣層區(qū)對于網(wǎng)格密度的敏感程度依次遞減，加密火源區(qū)的網(wǎng)格可以在控制計算時間的同時有效提高計算精度[12]。火源特征直徑D*由公式（6）計算得出：

式中，D*為火源特征直徑，m；Q為總熱釋放速率，kW；ρ∞為環(huán)境空氣密度，此處取1.204kg/m3；Cp為環(huán)境空氣比熱，此處取1.005，kJ/kg·K；T∞為環(huán)境空氣溫度，K。

計算出火源功率30MW 所對應(yīng)的火源特征直徑為3.7m。考慮到火源附近溫度梯度較大，本文中火源附近縱向50m 區(qū)域內(nèi)采用0.2m 的網(wǎng)格進行加密，沿隧道縱向其他區(qū)域的網(wǎng)格尺寸為0.4m。

1.4 火源參數(shù)

在同一時間，考慮隧道內(nèi)只發(fā)生一次火災(zāi)，并且發(fā)生火災(zāi)的位置均位于隧道正中位置。火源功率為30MW，尺寸為8m×2.4m，使用軟件自帶的甲烷燃燒反應(yīng)進行隧道火災(zāi)模擬。由于本文主要研究火災(zāi)發(fā)展到最大并達到穩(wěn)定時隧道內(nèi)的煙氣特性，所以采用恒定火源。

1.5 煙氣特性參數(shù)監(jiān)測

在隧道中，拱頂及人員高度處的溫度分布、排煙口處的排煙效率反映了排煙系統(tǒng)的排煙效果、系統(tǒng)性能，關(guān)乎發(fā)生火災(zāi)時人員的安全疏散。因此，本文對這些關(guān)鍵參數(shù)進行研究，以分析在不同斷面寬度的隧道中采用側(cè)向排煙時，隧道內(nèi)的煙氣特性。溫度測點在拱頂下方以及人員高度處沿隧道縱向布置，在隧道橫向方向上，溫度測點布置在第一行車道的內(nèi)邊沿以及各個行車道的正中位置。對于排煙效率，本文選取CO2作為參考依據(jù)，計算CO2的生成量和測定排煙口處的CO2排出量，以此得到排煙口的排煙效率。各個排煙孔的排煙效率為單位時間內(nèi)該排煙孔的煙氣排出量占火源產(chǎn)生煙氣總量的百分比，排煙系統(tǒng)總排煙效率為單位時間內(nèi)所有排煙孔的煙氣排出量占火源產(chǎn)生煙氣總量的百分比，即所有排煙孔排煙效率之和。

式中：η為排煙效率，%；me為排煙孔的煙氣排出量，kg/s；mei為第i個排煙孔的煙氣排出量，kg/s；mp為煙氣產(chǎn)生量，kg/s。

通過計算得到30MW 火災(zāi)在單位時間甲烷燃燒熱值為52043.68kJ/kg，對應(yīng)的CO2生成量為1.56kg/s。

1.6 計算工況

為研究不同隧道寬度采用側(cè)向排煙時隧道內(nèi)的煙氣特性，對單洞2 車道、3 車道、4 車道、5車道、6 車道隧道進行了計算模型建立。模型隧道寬度分別10.5m、14.4m、17m、23.1m 和28m，高度均為7m，如圖2所示。

圖2 不同隧道寬度數(shù)值計算模型橫截面Fig.2 Cross-sections of numerical calculation models for different tunnel widths

如表1所示為不同隧道寬度數(shù)值模擬工況設(shè)置。

表1 不同隧道寬度數(shù)值計算工況Table 1 Numerical calculation conditions of different tunnel widths

2 計算結(jié)果與分析

2.1 拱頂煙氣溫度分布

如圖3所示為不同隧道寬度下各行車道上方拱頂煙氣溫度對比。從圖中可以看出，同一側(cè)向排煙量下，隧道越寬，同一行車道上方的拱頂煙氣溫度越低。特別是在兩個排煙口之間，溫差明顯，在y=60m 處，單洞2 車道隧道與6 車道隧道拱頂煙氣溫度相差50℃左右。當(dāng)煙氣經(jīng)過第二個排煙口后，溫差減小，在y=120m 處，溫差降至20℃左右。行車道1 邊沿（x=1m）及行車道1（x=2.8m）離排煙口較近，兩個排煙口附近發(fā)生了溫度的陡降（見圖a、b），這是由于排煙口不斷抽吸走高溫?zé)煔狻味? 車道、3 車道隧道在第二個排煙口（y=90m）處溫度陡降較其余工況更為明顯，并且在單洞2 車道隧道中，煙氣在經(jīng)過第二個排煙口后，溫度回升，呈現(xiàn)出v 型溫度曲線。

圖3 各行車道上方拱頂煙氣溫度縱向分布Fig.3 Longitudinal distribution of flue gas temperature on the vault above each carriageway

如表2所示為拱頂煙氣溫度在火源所在位置處橫向方向上的分布情況，表中L與R分別代表在火源左側(cè)及右側(cè)各行車道上方的溫度測點，其中火源左側(cè)（L）為排煙道與火源之間的橫向位置。下標(biāo)代表了與火源橫向距離，下標(biāo)越大，離火源橫向距離越遠，以4 車道隧道為例，L1、L2及R1、R2位置示意圖如圖4所示。由表2 可知，隨著橫向位置遠離火源，拱頂煙氣溫度逐漸降低。由于左側(cè)測點離排煙道更近，受側(cè)向排煙作用更顯著，溫度下降程度較右側(cè)更大，火源處的拱頂煙氣溫度橫向分布呈“左低右高”的非對稱分布形態(tài)。

表2 火源處橫向方向上拱頂煙氣溫度Table 2 The vault smoke temperature in the transverse direction at the fire source

圖4 L1、L2 及R1、R2 位置示意Fig.4 Location of L1,L2,R1,R2

2.2 人員高度處煙氣溫度分布

如圖5所示為人員高度處溫度縱向分布，從圖中可以看出，在兩個排煙口之間，人員高度處溫度隨著隧道寬度的增加而降低，在經(jīng)過第二個排煙口后，規(guī)律相反。由于排煙口附近的抽吸力擾動了煙氣分層，加強了卷吸，以及在隧道縱向方向上煙氣蔓延的最遠端，上層煙氣與下層冷空氣運動方向相反，剪切力導(dǎo)致卷吸劇烈，使人員高度處溫度在這兩個位置有較明顯的增幅，對于人員疏散而言，危險性較高。

圖5 人員高度處溫度縱向分布Fig.5 Longitudinal distribution of temperature at personnel height

2.3 排煙效率

如圖6所示為不同寬度隧道采用側(cè)向排煙方式時的排煙效率。從圖6 中可以看出，在該排煙方式下，排煙效率隨著隧道寬度增加而降低。從單洞2 車道隧道至6 車道隧道，排煙效率從89.2%減小為61.7%，降低了31%。從2 車道隧道至3 車道隧道及從3 車道隧道至4 車道隧道，排煙效率的衰減率均為8%，在此之后，衰減率隨著隧道寬度的增加而增加。

圖6 排煙效率Fig.6 Smoke exhaust efficiency

3 結(jié)論

本文采用數(shù)值計算方法對采用側(cè)向排煙系統(tǒng)的不同寬度隧道內(nèi)的煙氣特性進行了數(shù)值模擬研究，分析各行車道上方拱頂處、人員高度處的溫度分布及排煙口處排煙效率，主要結(jié)論如下：

（1）增加隧道寬度有利于降低拱頂煙氣溫度、人員高度處溫度。但是增加隧道寬度也導(dǎo)致側(cè)向排煙效率下降，特別當(dāng)隧道行車道增加至4 車道及以上時，排煙效率的衰減率也逐漸增大。

（2）側(cè)向排煙系統(tǒng)使火源處橫向方向上拱頂溫度呈非對稱分布。朝向排煙道方向的拱頂溫度較遠離排煙道方向更低。距離排煙風(fēng)機較近的排煙口抽吸力較強，在經(jīng)過該排煙口后，不同隧道斷面寬度下，同一行車道上方拱頂煙氣溫度之間的溫差減弱。對于人員疏散安全來說，在煙氣與冷空氣卷吸嚴重的排煙口附近及隧道縱向方向上煙氣蔓延的最遠端，溫度存在較明顯的增幅，危險性較大。