隧道側部集中排煙模式下排煙速率對煙氣層吸穿的影響研究

姜學鵬，卜慶想，謝智云

(1.武漢科技大學資源與環境工程學院，湖北 武漢 430081；2.武漢科技大學消防安全技術研究所，湖北 武漢 430081；3.武漢科技大學湖北省工業安全工程技術研究中心，湖北 武漢 430081)

隧道屬于受限空間，一旦發生火災，由于隧道內的空氣不足，不完全燃燒可產生大量的高濃度煙氣，這些煙氣將很難迅速被排出，人吸入高溫有毒煙氣后將會昏迷甚至死亡，所以火災產生的有毒有害煙氣是導致人員傷亡最主要的原因。在隧道側部集中排煙模式下，當火災發生后排煙時，若排煙口處排煙速率過大，排煙口處在吸入煙氣的同時還會大量卷吸煙氣層下方的冷空氣，甚至可能只抽吸下層冷空氣而形成“空吸”狀態，這種現象稱為“吸穿”現象。排煙速率是公路隧道側部集中排煙模式下煙氣層發生吸穿現象最為直接的影響因素。當排煙速率不足時，排煙效率低下，煙氣無法快速排出，導致煙氣聚集沉降而威脅人員的安全疏散及救援；當排煙速率過大時，會造成排煙口下方煙氣層發生吸穿現象，嚴重影響排煙效率。因此，開展隧道側部集中排煙模式下排煙口處排煙速率對煙氣層吸穿的影響研究尤為重要。

早期學者對隧道煙氣層吸穿現象開展了一系列的研究。如Morgan等研究了排煙口位于不同位置時煙氣層發生吸穿現象的臨界弗洛德數，結果表明若排煙口位于蓄煙池中心位置，煙氣層發生吸穿時的臨界弗洛德數

Fr

為1.5，若排煙口位于蓄煙池邊緣，煙氣層發生吸穿時的臨界弗洛德數

Fr

為1.1；倪天曉等分析了不同排煙速率對排煙閥下方煙氣層厚度、溫度和流速分布的影響，結果表明排煙速率越大煙氣層吸穿程度越強；蔣亞強等研究了排煙速率與長通道內機械排煙時煙氣層溫度和厚度的關系，結果表明排煙速率過大時會導致煙氣層吸穿，從而降低了機械排煙效率；李林杰等研究了機械排煙速率對煙氣層吸穿現象的影響，得到隧道頂部機械排煙模式下煙氣層發生吸穿現象的臨界弗洛德數為1.8；姜學鵬等通過縮尺寸試驗研究了隧道集中排煙模式下排煙口間距對煙氣層吸穿的影響，并將公路隧道集中排煙模式下煙氣層發生吸穿現象的過程分為吸穿區、過渡區、完全吸穿區三個階段，最后得到了排煙口間距的合理取值范圍。以上研究大多為隧道頂部集中排煙模式下排煙速率對煙氣層吸穿的影響，相較于隧道頂部集中排煙模式，對隧道側部集中排煙模式下排煙口處煙氣層發生吸穿時的臨界弗洛德數

Fr

未做詳盡分析。為此，本文運用理論分析與數值模擬相結合的方法，分析了隧道側部集中排煙過程中排煙口處煙氣層的受力情況以及不同排煙速率對煙氣層吸穿的影響，并結合前人的研究成果，分析不同排煙速率下排煙口處煙氣層發生吸穿時弗洛德數的變化規律，得到隧道側部集中排煙模式下排煙口處煙氣層發生吸穿時的臨界弗洛德數，以為公路隧道側部集中排煙的通風設計提供一定的參考。

1 理論分析

1. 1 隧道側部排煙口處煙氣層的受力分析

隧道側部排煙口處的煙氣層除了受壓力差引起的抽吸力作用外，還受到熱浮力和慣性力的影響，見圖1。其中，煙氣層水平慣性力和抽吸力對隧道側部集中排煙過程有較大的影響。根據兩者之間的競爭關系，由壓力差引起的抽吸力與火源產生的水平慣性力之比，可判斷煙氣層吸穿現象是否發生。

圖1 隧道側部排煙口處煙氣層受力示意圖Fig.1 Schematic diagram of smoke force at the smoke vent of tunnel side

1. 2 煙氣層發生吸穿時的臨界弗洛德數分析

目前用來判定煙氣層是否發生吸穿現象的重要判據是弗洛德數

Fr

，它是由Hinkley提出的準則數。Morgan等研究了中庭類建筑火災下的臨界弗洛德數

Fr

，由于側部集中排煙模式下隧道的建筑結構不同于中庭類建筑，而且排煙口的位置也不同，故煙氣層受力情況也不同，因此需要進一步研究隧道側部集中排煙模式下不同火災場景下的臨界弗洛德數。Hinkley提出的臨界弗洛德數

Fr

定義如下：

(1)

式中:

u

為通過隧道側部排煙口處排出的煙氣即排煙速率(m/s)；

A

為排煙口面積(m)；

g

為重力加速度，取值9.8 m/s；Δ

T

為煙氣層溫度與環境溫度的差值(K)；

T

為環境溫度(K)，一般選取室溫273 K；

d

為排煙口附近的煙氣層厚度(m)。

2 數值模型構建

2. 1 隧道模型建立

隧道模型中行車隧道尺寸為800 m×11 m×4.6 m(長×寬×高)，排煙道設置在行車道左側，排煙口設置在隧道同一側壁，距離地面高度為1.7 m，排煙口間距為60 m，其尺寸為6 m×2 m(長×高)，于火源兩側對稱開啟，具體設置如圖2所示?；鹪次挥谒淼乐醒胲嚨?，選取丙烷為火源燃料，火源尺寸為6 m×2 m(長×寬)。模擬計算總時長設置為600 s，選取500～600 s穩定狀態下模擬數據平均值進行研究討論。排煙道兩端的邊界條件設置為“EXHAUST”，行車道兩端的邊界條件設置為“OPEN”；隧道環境溫度設置為293 K；隧道墻體及地面的材料均設置為“CONCRETE”，其熱值為1.04 kJ/(kg·K)，密度為2 280 kg/m，導熱率為1.6 W/(m·K)。

圖2 公路隧道模型示意圖Fig.2 Schematic diagram of the highway tunnel model

2. 2 網格劃分

在FDS數值模擬中，網格密度的大小直接影響模擬結果的真實性。根據前人的研究，當網格尺寸

d

取火源特征直徑

D

/16～

D

/4時，模擬計算較為準確。不同網格尺寸下距火源20 m處的豎向溫度分布曲線，見圖3。

圖3 不同網格尺寸下距火源20 m處的豎向溫度 分布曲線Fig.3 Curves of vertical temperature distribution 20 m away from the fire source under different grid sizes

由圖3可見，網格尺寸為0.1 m×0.1 mm×0.1 mm和0.2 m×0.2 m×0.2 m最為接近，溫度曲線幾乎重合，故網格尺寸設置為0.2 m×0.2 m×0.2 m。同時，考慮到火源、排煙口附近的模擬結果準確度要求更高，故排煙口處和近火源附近采取局部加密處理，其網格尺寸設置為0.1 m×0.1 m×0.1 m。

2. 3 工況設置

考慮了不同排煙速率對隧道側部集中排煙模式下排煙口處煙氣層吸穿的影響，本次模擬設置的工況見表1。

表1 模擬工況設置

3 結果與討論

3. 1 煙氣層分界判據

煙氣層發生吸穿時可通過煙氣層厚度確定上層煙氣與下層空氣的分界處，確定煙氣層厚度常用的方法有最大溫度梯度法、

N

-百分比法、整比率法、最小二乘法和積分比法等，其中

N

-百分比法的運用較為廣泛，但由于公式中

N

值的取值范圍在0～100之間，具有較強的主觀性，會對計算結果造成較大的誤差。因此，本文選用精確度更高的積分比法，通過上、下層溫度積分比之和，可得到煙氣層厚度。積分比的計算公式如下：

上層熱煙氣溫度積分比為

(2)

下層冷空氣溫度積分比為

(3)

上、下層溫度積分比之和為

r

=

r

+

r

=

f

(

z

)

(4)

上式中：

H

為隧道豎直高度(m)；

H

為煙氣層分界面(m)；

z

為煙氣層高度(m)；

T

(

z

)為煙氣層豎向溫度分布函數。隧道側部排煙口處煙氣層豎向溫度變化曲線以及上、下層溫度積分比之和(

r

)隨隧道豎直高度(

h

)的變化曲線，見圖4和圖5。

圖4 隧道側部排煙口處煙氣層豎向溫度變化曲線Fig.4 Vertical temperature change curve of flue gas layer at the smoke vent on the tunnel side

圖5 上、下層溫度積分比之和(rt)隨隧道豎直高度(h) 的變化曲線Fig.5 Change curve of total integral ratio of temperature rt at upper and lower smoke layer with tunnel vertical height

由圖4和圖5可見，上、下層溫度積分比之和(

r

)在隧道豎直高度(

h

)2.8 m處為最小值，此時煙氣層分界面高度為2.8 m，煙氣層溫度為40℃，即可認為此時發生煙氣層吸穿現象。

3. 2 排煙速率對煙氣層吸穿的影響

不同排煙速率下隧道側部排煙口處豎向溫度分布剖面圖、不同排煙速率下隧道側部排煙口處煙氣流速矢量分布俯視圖以及5 m/s排煙速率下隧道側部排煙口處不同高度的煙氣流速矢量分布俯視圖，見圖6、圖7和圖8。

由圖6至圖8可以看出：

(1) 通過隧道側部排煙口處豎向溫度分布圖可以分析煙氣層運動特性，隨著隧道側部排煙口處排煙速率的增大，排煙口處煙氣層吸穿區域面積逐漸增大，與隧道頂部排煙口處煙氣層發生的吸穿現象不同，排煙口處煙氣呈現不規則分布，吸穿區域發生在排煙口近火源側下方角落，且煙氣進入排煙口時與排煙口截面存在一定的角度，由靠近火源來煙一側傾斜通過排煙口流向排煙道出口方向。

(2) 當排煙口處排煙速率為0 m/s時，即風機未開啟時，煙氣層覆蓋整個排煙口，隧道側部排煙口附近的煙氣層溫度等勢線幾乎與水平地面平行，分層明顯，煙氣層溫度在排煙口處略有降低[見圖6(a)]。這是因為排煙道與外界相通，排煙道內是常溫環境，行車道內溫度比排煙道溫度高，形成的熱壓差迫使煙氣向排煙道內流動，煙氣流動帶走部分熱量，使得排煙口近火源側溫度曲線向下凹陷，溫度略微降低。

(3) 當排煙口處排煙速率為2 m/s時，排煙口附近的煙氣分層清晰明顯，不同高度處煙氣層溫度分布情況不同[見圖6(b)]：低于3.6 m高度處的煙氣層溫度由遠離火源處往近火源處遞減(其中右側為近火源側)；高于3.6 m高度的煙氣層溫度與火源距離越近煙氣層溫度越高。根據排煙口處附近不同高度的煙氣流速矢量分布圖(見圖8)可見，排煙口上部空間的煙氣流動未受到排煙口處抽吸力的影響，保持由火源處向隧道兩端縱向自由蔓延，煙氣層溫度隨著蔓延距離增大而降低，而排煙口下部空間受到抽吸作用，煙氣隨之吸入排煙道，故煙氣層溫度降低，此時排煙口底部區域煙氣層發生吸穿現象，與隧道頂部集中排煙模式下煙氣層發生吸穿現象不同的是只有在排煙口底部較小區域內存在冷空氣進入。

圖6 不同排煙速率下隧道側部排煙口處豎向溫度分布剖面圖Fig.6 Profile of vertical temperature at the smoke vent on the tunnel side under different smoke exhaust rates

(4) 隨著排煙口處排煙速率的增大(2 m/s→7 m/s)，一部分冷空氣從排煙口右側底部被吸入排煙道，排煙口下部區域溫度曲線明顯向下凹陷，并且隨著排煙速率的增大，溫度曲線凹陷程度增大，低于40℃低溫區隨之增大[見圖6(b)至圖6(h)]。排煙口右側煙氣層溫度較左側更低，這是因為在隧道側部風流的作用下，排煙口右側為靠近火源側，右側煙氣較左側先排出，左側煙氣在隧道自然補風與火源引起的熱壓作用下，造成了該處煙氣層的擾亂，形成旋渦，同時受到排煙口橫向氣流的阻擋作用，出現煙氣聚集現象，且這種聚集現象隨著排煙速率的增大而愈發嚴重。此時排煙口右邊沿的煙氣層溫度降低，甚至接近了環境溫度，煙氣層發生局部吸穿。當排煙口處排煙速率為8 m/s時，排煙口中間自上而都處于低溫區域，在排煙口右上方只有少量煙氣被吸進排煙口，絕大部分吸入的是冷空氣，故煙氣層發生完全吸穿[見圖6(i)]。

圖7 不同排煙速率下隧道側部排煙口處煙氣流速矢量分布俯視圖Fig.7 Top view of the smoke velocity vector distribution at the smoke vent on the tunnel side under different smoke exhaust rates

圖8 5 m/s排煙速率下隧道側部排煙口處不同高度的煙氣流速矢量分布俯視圖Fig.8 Top view smoke of velocity vector distribution at the smoke vent on the tunnel side at different heights under 5 m/s smoke exhaust rate

考慮到隧道側部排煙口處煙氣層吸穿區域分布的特殊性，本文選取排煙口處煙氣層易發生吸穿的區域進行了對比研究，即選取距火源距離

x

為-28 m處不同排煙速率下隧道側部排煙口處不同高度的溫度進行了對比研究，不同排煙速率下隧道側部排煙口處不同高度的溫度變化曲線，見圖9。

圖9 不同排煙速率下隧道側部排煙口處不同高度的 溫度變化曲線Fig.9 Temperature change curves of the smoke vent on the tunnel side at different heights under different smoke exhaust rates

由圖9可見，當排煙口處排煙速率增大到一定值之后，排煙口處的溫度趨于平緩，即溫度穩定，變化較??；當排煙口處排煙速率增大到5 m/s時，排煙口2.6 m高度的溫度不再發生變化，且低于40℃，大量冷空氣隨著煙氣被吸入了排煙口。可見，增大排煙口處的排煙速率能夠有效地提高排煙效率，但排煙速率過大也會導致排煙效率的降低，因此一味地增加排煙速率并不能帶來較好的排煙效果，而且增加排煙速率需要較大功率的風機，這也會增大工程成本。

不同排煙速率下隧道橫斷面煙氣層高度分布情況，見圖10。

圖10 不同排煙速率下隧道橫斷面煙氣層高度分布情況Fig.10 Flue gas layer height distribution of tunnel cross section under different smoke exhaust rates

由圖10可見，與隧道頂部集中排煙模式相比，隧道側部集中排煙模式下隧道橫斷面煙氣層高度的分布情況更加復雜多變。在隧道頂部集中排煙模式下，隧道橫斷面煙氣層與下層冷空氣的分界面與隧道底面平行，而在隧道側部集中排煙模式下，隧道橫斷面煙氣層高度是隨著距離排煙口橫向距離的增大而降低，煙氣層與冷空氣的界面呈現由排煙口處向隧道另一側向下傾斜，且這種傾斜程度與排煙口排煙速率有關。當排煙口處排煙速率為0 m/s時，隧道橫斷面的煙氣層高度基本相等，此時隧道內縱向煙氣近似水平流動；隨著排煙速率的不斷增大(0～8 m/s)，靠近隧道側部排煙口處(

y

=-5.5 m)的煙氣層高度最大約為3.8 m，其次隧道橫斷面中心線處(

y

=0 m)的煙氣層高度最大約為3.5 m，遠離排煙口處(

y

=4 m)的煙氣層高度最大約為3.2 m。上述結果表明，排煙口處的煙氣層高度大于隧道中心線處，且大于遠離排煙口處，即隧道橫斷面煙氣層高度隨著與排煙口處距離的增大而降低。其原因是在隧道側部排煙口處的橫向氣流作用下，隧道行車道中的上層煙氣被抽吸進入排煙道中，且越靠近排煙口處這種抽吸作用越大，排煙量也增大，靠近排煙口處的煙氣量隨之減少，煙氣層變薄，煙氣層高度越高。

3.3 煙氣層發生吸穿時的臨界弗洛德數Fr計算

通過模擬計算得到隧道側部排煙口附近煙氣層溫度和排煙速率，其相關參數見表2。

表2 隧道側部15 MW排煙口附近煙氣層相關參數

根據公式(1)，可計算得到不同排煙速率下隧道側部排煙口處煙氣層發生吸穿時的臨界弗洛德數

Fr

，其計算結果見表3和圖11。

表3 不同排煙速率下隧道側部排煙口下方煙氣層發生吸穿時的臨界弗洛德數Fr

圖11 不同排煙速率下隧道側部排煙口下方煙氣層 發生吸穿時的臨界弗洛德數的變化Fig.11 Variation of Froude number at different smoke exhaust rates when the smoke layer plugholing occurs at the smoke vent of the tunnel side

在隧道側部集中排煙模式下，排煙的原理是開啟的風機產生排煙道與行車隧道內外壓力差，在壓力場的促進作用下煙氣通過排煙道排出，由于流經隧道側部排煙口處的煙氣流速并不是均勻分布的，局部煙氣流速遠大于斷面平均流速。根據公式(1)及圖11可知，排煙口處煙氣層發生吸穿時的弗洛德數隨著排煙速率的增大而增大，故隧道側部集中排煙模式下排煙口處煙氣層發生吸穿時的臨界弗洛德數要小于1.28。結果表明：當弗洛德數小于1.28時，煙氣層吸穿未發生；當弗洛德數大于1.28時，煙氣層吸穿已經發生，且大于Morgan等提出的排煙口位于蓄煙池邊緣煙氣層發生吸穿時的臨界弗洛德數(

Fr

=1.1)。這是因為Morgan等研究的火災場景是中庭類建筑，當煙氣蔓延至蓄煙池時，蓄煙池兩側的擋煙垂壁會阻礙煙氣運動，導致煙氣所受的慣性力減小，因此其提出的排煙口處煙氣層發生吸穿時的臨界弗洛德數相對較小。

4 結 論

本文通過分析煙氣層的物理特性，研究了不同排煙速率對隧道側部集中排煙模式下排煙口下方煙氣層吸穿的影響，同時分析了隧道側部集中排煙過程中排煙口處煙氣層的受力情況，進一步推導出排煙口下方煙氣層發生吸穿時的臨界弗洛德數，得到以下結論：

(1) 隧道側部集中排煙模式下排煙口下方煙氣層發生的吸穿現象不同于隧道頂部集中排煙模式，隧道側部集中排煙模式下煙氣層的吸穿區域發生在排煙口下方近火源側角落，且煙氣進入排煙口時與排煙口截面存在一定的角度，由靠近火源來煙一側傾斜通過排煙口流入排煙道出口方向。

(2) 當弗洛德數小于1.28時，煙氣層吸穿未發生；當弗洛德數大于1.28時，煙氣層吸穿已經發生，且大于Morgan等提出的排煙口位于蓄煙池邊緣煙氣層發生吸穿時的臨界弗洛德數(

Fr

=1.1)。