隧道側向排煙口尺寸對排煙效果的影響研究*

梁園 許蔚昆

(1.中鐵第五勘察設計院集團有限公司 北京 102600； 2.中南大學土木工程學院 長沙 410075)

0 引言

隨著隧道交通需求量的提升與隧道施工技術的不斷發展，國內出現了許多大跨徑隧道，隧道內車道也由雙車道變為三車道、四車道、五車道甚至六車道[1-3]。隧道橫向跨徑的增大使施工難度提升的同時，給隧道內排煙系統也帶來了新的考驗。若火災時隧道內排煙系統無法有效控制煙氣和熱量的擴散，隧道內的煙氣將對人們生命財產安全造成巨大威脅。因此在大跨徑隧道內設置有效的排煙系統是非常必要的。

對于港珠澳海底隧道等無法采用頂部集中排煙的水下隧道，側向集中排煙成為了其解決排煙問題的有效方法。該方法的排煙效果及其影響因素也引起了學者的廣泛關注。張梅紅等[4]針對某扁平商業空間，采用數值模擬方法研究了排煙口朝向對排煙效果的影響，結果表明相同排煙道條件下，排煙口側向排煙效果優于排煙口朝下時排煙效果。陳娟娟等[5]針對某越江雙層隧道采用數值模擬方法研究了排煙口面積、排煙口開啟數量及排煙口間距對火災初期側向集中排煙效果的影響。許少剛[6]采用全尺寸實驗平臺研究了排煙速率、排煙口尺寸和排煙口寬高比對地下建筑火災中側向機械排煙效果的影響，結果表明側向機械排煙速率越大，排煙口與頂棚距離越小，排煙口寬高比越小，整體排煙效果就越好。HU L H等[7]對某公路隧道進行了全尺寸試驗以及數值模擬，研究表明隧道內頂棚下方煙氣的縱向溫度衰減隨隧道寬度的增大而增大。

前人研究中很少考慮大跨徑隧道中隧道寬度與排煙口寬高比對隧道排煙效果的影響。由于煙氣的沉降作用，隧道橫向跨徑的增大將導致隧道頂棚下方煙氣溫度下降從而使得煙氣更難通過排煙口排出。同時由于排煙口寬高比發生變化將導致煙氣在排煙口處的流動特性發生明顯改變，若排煙口寬高比設置不合理，也將影響煙氣進入排煙口的有效性，從而降低排煙效率。因此對大跨徑隧道中隧道寬度、排煙口寬高比與排煙效率間影響進行研究是非常必要的。

本文采用火災動力學求解器(Fire Dynamics Simulator，FDS)軟件，通過大渦模擬的方法研究了大跨徑隧道在進行側向集中排煙時排煙口溫度分布；并通過改變隧道寬度與排煙口寬高比，定量比較了隧道寬度與排煙口寬高比對大跨徑隧道側向排煙效果的影響。

1 數值模擬

1.1 模型設置

FDS是美國國家標準研究所開發的，用于模擬火災中流體運動的計算流體力學開源軟件。因其能夠較好地模擬低馬赫數(小于0.3馬赫)、熱驅動流體的熱量運輸，因此常被用于研究隧道火災。本文利用FDS軟件進行全尺寸數值模擬試驗，建立了長度為200 m，寬度分別為10 m、15 m、20 m及25 m，高度為7 m的隧道模型。側向排煙口距隧道左端80 m。隧道模型如圖1所示。

圖1 隧道模型

火源位于中間車道，距隧道左端50 m。設置火源熱釋放速率為12MW，燃燒類型為穩態火。同時環境參數的溫度為20 ℃，壓力為101 kPa。隧道兩端設置“OPEN”邊界，環境溫度為20 ℃。由于隧道的半封閉性特點，設置隧道壁面為絕熱面。本次數值模擬持續時間為200 s，并在穩定階段取每個測量變量的平均值進行分析。

1.2 排煙效率計算

本文采用排煙口排出氣體中煙氣的比例來量化排煙口的排煙效果，由于排煙口排出氣體中煙氣的比例難以直接測定，因此通過測定單位質量排出氣體所含熱量與單位質量純煙氣所含熱量之比來測定排煙口排出氣體中煙氣的比例。由于熱煙氣的溫升遠高于環境空氣的溫升，因此排煙口排出氣體所帶走的熱量幾乎全部是熱煙的熱量，可以表示為:

(1)

因此排出氣體中煙氣的比例可以表示為:

(2)

如圖2所示，使用熱流量測點和質量流量測點來監測單位質量純煙氣所攜帶熱量(qs)和單位質量排煙質量流量攜帶熱量(qes)。通過設置在煙氣層內部的0.5m2(0.25 m×2 m)的熱流量測點和質量流量測點來測量單位質量純煙氣所攜帶熱量(qs)。當在隧道內設置排煙口時，通過設置在排煙口入口處的熱流量測點和質量流量測點來測量單位質量排煙質量流量攜帶熱量(qes)。

圖2 隧道煙氣蔓延示意

1.3 計算工況

火源位于隧道中部，熱放速率為12 MW。排煙口寬高比分別為1/6、1.5/4、2/3、3/2、4/1.5和6/1。隧道寬度為10、15、20、25 m。共24組工況，具體見表1。

表1 工況設計

1.4 網格劃分

在FDS中，網格尺寸的選擇是影響模擬結果的準確性與客觀性的關鍵參數之一。對于網格的大小的確定，主要使用被廣泛應用的D*/δx為標準，用以估計網格的精度。其中D*為特征長度，δx為網格尺寸，NIST進行的一系列比較試驗發現，當網格大小在D*/16和D*/4之間時，模擬結果與試驗結果吻合良好。計算D*的具體公式如下：

(3)

式中,Q為模擬火源熱釋放速率，kW;ρ∞為環境空氣密度，kg/m3；cp為環境空氣比熱容，kJ/(kg·K)；T∞為環境溫度，K；g為重力加速度，m/s2，取值9.8 m/s2。

當火源熱釋放速率為12 MW時，此時計算出的建議網格尺寸范圍為0.16～0.64 m。為驗證網格精度，從0.16～0.64 m的范圍內選擇了5個網格尺寸(0.167 m，0.200 m，0.250 m，0.333 m和0.500 m)進行網格獨立性分析。

圖3顯示了采用不同網格尺寸時距火源15 m位置的垂直溫度曲線。隨著網格尺寸的減小，垂直溫度曲線趨于均勻。當網格尺寸位于0.167～0.250 m時，溫度分布曲線之間只有很小的差異。若選擇0.167 m作為網格尺寸，將占用大量計算資源，消耗較多計算時間。因此，選擇尺寸為0.250 m的網格來模擬本次試驗中的隧道火災，在節省計算時間的同時獲得良好的模擬效果。

圖3 不同網格尺寸模擬結果

2 結果分析

2.1 排煙口寬高比對排煙效率影響

由于煙氣在蔓延過程中主要受到浮力和縱向慣性力作用的影響，面積相同的排煙口，當排煙口寬高比不同時，排煙效果也會存在很大差異。文中以排煙口寬高比分別為1/6，1.5/4，2/3，3/2，4/1.5及6/1工況為例，介紹排煙口寬高比對排煙口排煙效率的影響。

以20 m的隧道寬度為例，如圖4所示，研究不同排煙口寬高比條件下排煙口所在界面上的溫度分布云圖，可以看出在排煙口面積不變的情況下，隨著排煙口寬高比的增大，排煙口內高溫煙氣區域(溫度大于60 ℃)的面積不斷增大，從而在排出氣體流量不變的情況下，排出更多的高溫有毒煙氣，提高了側向排煙系統的排煙效率。同時在同一排煙口內左側高溫煙氣區域面積小于排煙口右側高溫煙氣區域，且面積差異隨排煙口寬高比的增大逐漸減小，當排煙口寬高比為6/1時，排煙口內溫度分布基本呈水平對稱分布。

(a)排煙口寬高比為1/6

圖5為在不同隧道寬度條件下，隧道排煙口排出氣體中煙氣比例與排煙口寬高比的關系圖。由圖可以看出，隨著排煙口寬高比的增大，排煙口排出氣體中煙氣比例不斷增大，從而排煙效率逐漸提升。排出氣體中煙氣比例最小值為0.160 78，此時排煙口寬高比為1/6，隧道寬度為15 m。當隧道寬度為25 m，排煙口寬高比為6/1時，排煙口排出氣體中煙氣比例達到最大值0.491 02。這是因為在浮力作用下，高溫煙氣聚集在隧道頂棚位置處，因此在排煙口頂部與隧道頂棚距離和排煙口面積不變的情況下，排煙口高度越小，排煙口可以越有效的浸沒在煙氣層內，從而提高排煙效率。同時，在排煙口頂部與隧道頂棚距離和排煙口面積不變的情況下，排煙口寬度越大，煙氣在排煙口內有更長的蔓延距離，從而在縱向慣性力的作用下，更有效地進入排煙口內。

圖5 排煙口排出煙氣比例與排煙口尺寸關系

2.2 隧道寬度條件對排煙效率影響

由于煙氣的沉降作用，大跨徑隧道橫向跨徑的增大將導致隧道頂棚下方煙氣溫度下降從而使得煙氣更難通過排煙口排出，導致排煙效率的降低。文中以隧道寬度分別為10 m、15 m、20 m、25 m工況為例，介紹隧道寬度對排煙口排煙效率的影響。

以排煙口寬高比為4/1.5為例，如圖6所示，研究隨著隧道寬度變化排煙口所在界面上的溫度分布云。可以看出，隨著隧道寬度的增大，排煙口處煙氣溫度與煙氣層厚度不斷降低。同時在同一排煙口寬高比條件下，隨著隧道寬度的增大，排煙口橫截面處的溫度分布云圖的對稱性沒有明顯變化。由此可見隧道寬度對側向排煙口排出氣體中煙氣分布影響有限。

(a)隧道寬度為10 m

圖7為不同排煙口寬高比條件下，隧道排煙口排出氣體中煙氣比例與隧道寬度的關系圖，可以看出隨著隧道寬度的增大，排煙口排出氣體中煙氣比例變化不大，特別是當排煙口寬高比較小(小于2/3)時，排煙口排出氣體中煙氣比例基本不隨隧道寬度的變化而變化。這也驗證了隧道寬度對側向排煙口排出氣體中煙氣比例影響有限的論點。當排煙口寬高比不小于2/3時，排煙口排出氣體中煙氣比例隨隧道寬度的增加先增大后減小，當排煙口寬高比為6/1，隧道寬度為20 m時，排煙口排出煙氣所占比例達到最大值為0.491 02。當排煙口寬高比為1/6，隧道寬度為15 m時，排煙口排出煙氣所占比例達到最小值0.160 78。隨著隧道寬度的變化，排煙效果優劣的順序依次為：20 m、10 m、25 m、15 m。

圖7 排煙口排出煙氣比例與隧道寬度關系圖

3 結論

本文運用火災動力學求解器FDS軟件建立模型，研究隧道側向集中排煙時排煙口溫度參數的分布以及排煙口排煙效率，討論隧道寬度以及排煙口寬高比對大跨徑隧道火災側向排煙系統排煙效率的影響，結果表明：

(1)隨著排煙口寬高比的增大，排煙口內煙氣溫度水平分布對稱性逐漸顯著。當排煙口寬高比較小(小于2/3)時，排煙口內部煙氣水平分布對稱性較差，當排煙口寬高比為6/1時，排煙口內溫度基本呈水平對稱分布。

(2)隨著排煙口寬高比的增大，排煙口內高溫煙氣區域的面積與排煙口排出氣體中煙氣的比例不斷增大，排煙效率逐漸增加。

(3)隨著隧道寬度的增大，排煙口處煙氣溫度與煙氣層厚度不斷降低。

(4)當排煙口寬高比小于2/3時，排煙口排出氣體中煙氣比例基本不隨隧道寬度的變化而變化。當排煙口寬高比不小于2/3時，排煙口排出氣體中煙氣比例隨隧道寬度的增加先增大后減小，排煙效果優劣的順序依次為：20 m、10 m、25 m、15 m。

(5)為提升排煙系統排煙效率，實際工程應用中排煙口寬高比應盡量大于2/3。