基于不同火源位置的分岔隧道臨界風速數值研究

蘇 毅，曾艷華

基于不同火源位置的分岔隧道臨界風速數值研究

蘇 毅1，曾艷華2

（1. 山西靜興高速公路有限公司，山西 呂梁 033500；2. 西南交通大學，交通隧道工程教育部重點實驗室，成都 610031)

分叉隧道；火源位置；分岔角度；煙氣逆流長度；臨界風速

0 引 言

臨界風速是使隧道火災煙氣不往火源上游擴散時的最小縱向風速，此時煙氣逆流長度為零。針對臨界風速各國學者做了大量研究：Oka[1]和Li[2]等人通過模型試驗系統地進行了隧道煙氣運動研究，發現在較低的熱釋放速率下，無量綱臨界風速隨無量綱熱釋放速率的三分之一冪而變化，而在較高的無量綱熱釋放速率下，無量綱臨界速度幾乎與無量綱熱釋放速率無關。Weng[3]和Wu[4]等人考慮隧道截面對臨界風速的影響，通過模型試驗與數值模擬得出了臨界風速半經驗公式。Gwon[5]和Yi[6]等人利用模型試驗研究了隧道坡度對臨界風速的影響，總結出有坡度臨界風速與無坡度臨界風速之間的關系。Kang[7]和Lee[8]等人考慮堵塞率對臨界風速的影響而進行了數值模擬，發現臨界風速隨阻塞率的增大而減小。Zhong[9]等人利用模型隧道研究了不同橫向火災位置對縱向通風速度抑制隧道火災煙氣回流的影響，研究指出：當火源在隧道中心時，臨界風速模型與Wu[4]等人提出的模型相似；當火源與隧道側壁間距減小時，臨界風速呈指數增長。Tang[10]等人研究了車輛堵塞與火源的相對距離對臨界風速的影響，引入無量綱系數來考慮車輛堵塞與火源相對距離對臨界風速的影響，提出新的臨界風速計算公式。Zhang等人[11]研究了弧形隧道半徑與臨界風速之間的關系，結合理論分析與CFD數值模擬總結出了考慮弧形隧道無量綱半徑的臨界風速計算公式。

當前針對普通單管直線隧道的臨界風速研究已很完善。然而，修建多匝道城市地下隧道已成為緩解城市中心區主干道交通擁堵、縮短城市區間道路里程的主要手段之一。多節點隧道在結構形式上存在著隧道的匯合與分岔，火災煙氣的遷移規律及對火災煙氣的控制勢必與普通單管直線隧道不同。對于分岔隧道，李俊梅[12]等人研究了無縱向通風條件下不同分岔角度對分岔隧道煙氣遷移的影響發現：分岔角度對煙氣逆流長度影響很小，但對火源下游主、支路隧道內的煙氣蔓延有一定影響；分岔隧道的煙氣質量流量分配比例隨分岔夾角的增大逐漸減小，但總體變化幅度很小。

當前有關分岔隧道臨界風速的研究還不夠深入，未能建立一個統一的臨界風速計算模型。因此，深入地研究分岔隧道臨界風速的有關規律就很有必要。本文基于FDS研究火源位置與分岔角度對分岔隧道臨界風速的影響，結合量綱分析與線性擬合推導出分岔隧道臨界風速計算模型，所得結果能為分岔隧道通風設計提供參考。

1 數值模擬

1.1 模型隧道

主隧道寬10m、高5m，匝道寬7.5m、高4.5m。隧道總長300m，分岔點前主隧道長180m，連拱長20m，分岔點后主隧道長100m，匝道長100m，如圖1所示。隧道建筑結構為熱厚型，材料為混凝土。火源大小長寬分別為6m×2m，火源位于主隧道中心線上，產煙量為0.03 kg/kg。隧道入口設置為“SUPPLY”邊界條件，為隧道中提供不同大小的縱向風速，主隧道及匝道出口設置為開放邊界條件。在整個模擬過程中，環境溫度和壓強分別設定為20℃和101kPa，計算時間為600s。此外，在隧道頂部以下0.2m處布置了一系列間隔為0.3m的熱電偶來監測隧道拱頂溫度分布。

圖1 模型隧道示意

1.2 網格劃分

FDS模擬首先需要仔細考慮的關鍵參數是計算網格的大小，因為它對FDS模擬結果的精度起著重要作用。Mcgrattan[13]等人發現當網格尺寸大約為0.1倍火源特征直徑時，模擬結果的精度是可以接受的，火源特征直徑可按下式計算：

在FDS模擬中，火源熱釋放速率為20 MW時按式（1）計算的網格大小為3.80m，0.1*即為0.38m。為了使計算結果更加可靠，本文的數值計算模型的網格尺寸選擇0.20 m。

1.3 計算工況

本文將著重研究分岔角度為20°和60°這兩種情況下火源與分岔點之間的距離對分岔隧道臨界風速的影響。火源熱釋放速率設為定值20MW，距離分別為-25m、0m、25m、50m和75m（正值表示分岔點之前，負值表示分岔點之后）。其他相關參數如表1所示。

表1 FDS模擬方案

2 量綱分析

一般來說火源附近頂棚溫度最高，逆行煙氣在蔓延時溫度會不斷降低，與機械送風冷氣流交鋒形成一個冷熱鋒面，前鋒面溫度陡降。溫度陡降處與火源之間的距離即為逆流長度[14]，煙氣逆流長度為0時的縱向風速即為臨界風速。因此，在研究臨界風速之前首先需要得到煙氣逆流長度與縱向風速的關系。Li[2]等人發現影響煙氣逆流的主要因素有：火源熱釋放速率、縱向風速、特征水力高度、空氣密度、環境溫度、空氣比定壓熱容和重力加速度，具體可表示為：

將式（1）無量綱化得到下式：

根據相似理論由式（3）可得：

即：

3 結果與分析

3.1 20°分岔無量綱逆流長度

對數值模擬結果進行處理得到不同距離及縱向風速下的煙氣逆流長度，如表2所示。為了得到無量綱風速與無量綱逆流長度之間的函數關系，首先對表2數據進行無量綱化處理，如圖

表2 隧道煙氣逆流長度

斜率與截距隨著火源與分岔點之間的距離增大而增大，說明斜率與截距與距離也存在某種關系。由于式（6）是無量綱表達式，為了將火源與分岔點之間的距離考慮進去，現定義無量綱火源與分岔點距離：

通過對計算結果進行擬合，可得出出斜率k、截距b與無量綱火源與分岔點距離的關系，如圖3所示。

對于斜率：

對于截距：

將式（8）、（9）代入式（6）整理得：

3.2 60°分岔無量綱逆流長度

圖4 斜率和截距與無量綱火源離分岔點距離的關系

對于斜率：

對于截距：

將式（11）、式（12）代入式（6）整理得：

3.3 臨界風速

當煙氣逆流長度為零時所對應的縱向風速即為臨界風速，令式（6）無量綱逆流長度為零，整理得：

將式（9）～（12）代入式（14）整理得：

式中：

3.4 對比分析

表3 無量綱臨界風速計算結果（）

對于斜率：

對于截距：

將式（16）、（17）代入式（6）、式（14）得到不考慮分岔角度的無量綱煙氣逆流長度和無量綱臨界風速計算公式：

圖5 不同分岔角度下斜率與無量綱距離的關系

圖6 不同分岔角度下截距與無量綱距離的關系

表4 臨界風速模擬值與預測值對比（)

4 結束語

（1）無量綱煙氣逆流長度和無量綱火源熱釋放速率及無量綱縱向風速有一定的函數關系，通過對模擬結果分析得出考慮不同分岔角度及火源位置的無量綱煙氣逆流長度和無量綱臨界風速計算公式。

（4）火源在分岔點之后的無量綱臨界風速與單管直線隧道相比差距不大；當火源在分岔點之前時，單管直線隧道的無量綱臨界速度比分岔隧道高23%～37%。

（5）將兩種分岔角度的無量綱臨界風速對比分析發現：不同分岔角度、相同火源位置下的無量綱臨界風速相差不大，在誤差允許范圍內得到了不考慮分岔角度的無量綱臨界風速半經驗計算公式。

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Numerical Study on Critical Velocity of Bifurcated Tunnel Based on Different Locations of Fire Sources

SU Yi1, ZENG Yan-hua2

(1. Shanxi Jingxing Expressway Co., Ltd., Lvliang 033500, China; 2. Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering, Ministry of Education, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China）

bifurcated tunnel; fire-source position; bifurcation angle; smoke back-layering length; critical velocity

1672-4747（2021）03-0076-07

U458.1

A

10.19961/j.cnki.1672-4747.2020.09.010

2020-09-23

2020-11-19

2021-05-07

國家重點研發計劃課題（2016YFC0802201）

蘇毅（1982—），男，遼寧錦州人，主要從事公路與鐵路工程施工技術應用與研究，E-mail：suyimail@163.com

曾艷華（1968—)，女，四川成都人，博士，教授，主要從事隧道通風與防災方面的研究，E-mail：zengyhua@163.com

蘇毅，曾艷華. 基于不同火源位置的分岔隧道臨界風速數值研究[J]. 交通運輸工程與信息學報, 2021, 19(3): 76-82.

SUYi, ZENG Yan-hua. Numerical Study on Critical Velocity of Bifurcated Tunnel Based on Different Locations of Fire Sources [J]. Journal of Transportation Engineering and Information, 2021, 19(3): 76-82.

（責任編輯：劉娉婷）