低氣壓對(duì)豎井自然排煙隧道內(nèi)火災(zāi)煙氣層的影響研究

王 潔，樊勇杰，孔曉威，姜學(xué)鵬,3

(1.武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430081； 2.武漢科技大學(xué)消防安全技術(shù)研究所，湖北 武漢 430081； 3.湖北省工業(yè)安全工程技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430081)

越來越多的隧道建設(shè)給我們的交通帶來了極大的便利[1]。然而，隧道火災(zāi)所造成的嚴(yán)重災(zāi)害是不容忽視的，至今已經(jīng)有大量的隧道火災(zāi)造成了嚴(yán)重的人員傷亡事故[2]。隧道火災(zāi)燃燒所產(chǎn)生的高溫有毒煙氣嚴(yán)重威脅著隧道中被困人員的疏散安全，并阻礙了消防人員的救援行動(dòng)[3]，尤其是高海拔隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，其低壓、低溫、低氧的環(huán)境特征對(duì)人員的安全疏散將會(huì)產(chǎn)生二次威脅[4]。因此，火災(zāi)煙氣控制與排放已成為隧道安全管理領(lǐng)域重要的研究?jī)?nèi)容。豎井自然排煙作為一種具有經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、實(shí)用的排煙方式正被廣泛應(yīng)用于公路隧道建設(shè)中[5]。

部分學(xué)者已對(duì)多種模式下隧道火災(zāi)煙氣熱分層現(xiàn)象進(jìn)行了深入研究。Newman[6]提出依據(jù)相應(yīng)的弗勞德數(shù)值確定隧道內(nèi)不同程度的煙氣分層區(qū)域；Nyman等[7]研究發(fā)現(xiàn)3種隧道模型試驗(yàn)所得到的弗勞德數(shù)與Newman[6]提出的判別依據(jù)存在誤差；姜學(xué)鵬等[8]研究了集中排煙速率對(duì)隧道火災(zāi)煙氣層化曲線的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)火災(zāi)煙氣層化曲線隨排煙速率的變化在隧道縱向方向具有分段變化的特性；Yang等[9]通過開展隧道模型試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了縱向通風(fēng)模式下火災(zāi)煙氣分層的形態(tài)變化特征。進(jìn)一步地，Gannouni等[10]對(duì)縱向通風(fēng)及隧道阻塞效應(yīng)下火災(zāi)熱浮力分層開展了數(shù)值模擬研究，結(jié)果表明阻塞效應(yīng)可使火災(zāi)下游煙流分層得到改善。關(guān)于豎井自然排煙隧道已有大量的試驗(yàn)研究。劉洋等[11]通過開展小尺寸試驗(yàn)，獲取了隧道及豎井內(nèi)溫度和煙氣運(yùn)動(dòng)的變化規(guī)律；姜童輝等[12]和鐘委等[13]針對(duì)縱向通風(fēng)作用下的豎井自然排煙隧道，研究了豎井高度和縱向風(fēng)速對(duì)隧道內(nèi)流場(chǎng)分布情況、自然排煙效果的影響規(guī)律。

上述研究針對(duì)低壓條件下隧道火災(zāi)煙氣熱分層現(xiàn)象的研究較少涉及，且有關(guān)豎井自然排煙隧道的試驗(yàn)研究大多集中在常壓環(huán)境。近些年來，超高海拔地區(qū)修建的隧道數(shù)量有所增加，環(huán)境壓力隨著海拔的升高而降低，故低氣壓對(duì)隧道內(nèi)火災(zāi)煙氣運(yùn)動(dòng)行為的影響不容忽視[14]。Ji等[15]和Yan等[16]通過數(shù)值模擬及全尺寸隧道火災(zāi)模型試驗(yàn)分析，發(fā)現(xiàn)較低的環(huán)境壓力將會(huì)導(dǎo)致隧道內(nèi)空氣密度的降低和空氣卷吸作用的減弱；張念等[17-18]研究了高海拔特長(zhǎng)鐵路隧道內(nèi)火災(zāi)煙氣溫度和濃度的分布特性，得出隧道內(nèi)火災(zāi)的燃燒特性以及火災(zāi)煙氣在人眼特征高度處的分布規(guī)律。但目前對(duì)于高海拔低氣壓隧道火災(zāi)的研究較為缺乏，環(huán)境壓力的變化對(duì)豎井自然排煙隧道內(nèi)火災(zāi)煙氣運(yùn)動(dòng)和溫度分布規(guī)律的影響尚無研究參考。因此，研究不同海拔高度隧道內(nèi)火災(zāi)煙氣的時(shí)空輸運(yùn)規(guī)律，對(duì)火災(zāi)初期報(bào)警、人員安全疏散、防排煙系統(tǒng)設(shè)置具有重要的工程參考意義。隧道內(nèi)溫度場(chǎng)的縱向分布特征也是隧道結(jié)構(gòu)防火和消防救援方案設(shè)計(jì)時(shí)需考慮的關(guān)鍵因素。為此，本文擬通過數(shù)值模擬對(duì)不同環(huán)境壓力下豎井自然排煙隧道內(nèi)火災(zāi)煙氣的輸運(yùn)特性和火災(zāi)煙氣溫度的縱向衰減分布規(guī)律進(jìn)行研究，以期為不同海拔地區(qū)隧道火災(zāi)煙氣控制與救援服務(wù)提供指導(dǎo)。

1 數(shù)值建模與工況設(shè)置

1.1 火災(zāi)場(chǎng)景

在火災(zāi)模擬軟件FDS中搭建一條全尺寸隧道，隧道的長(zhǎng)度(L)為120 m，寬度(W)為9 m，高度(H)為6 m；豎井距離火源右側(cè)24 m處，豎井的長(zhǎng)度和寬度均為1.6 m，高度為6 m，具體設(shè)置如圖1所示。我國(guó)目前海拔最高的隧道為米拉山隧道，海拔4 740 m以上，環(huán)境壓力降至約53 kPa。因此，本文選取環(huán)境壓力分別為50 kPa、60 kPa、70 kPa、80 kPa、90 kPa和101 kPa，研究其對(duì)豎井自然排煙隧道內(nèi)火災(zāi)煙氣運(yùn)動(dòng)和溫度分布的影響。本次全尺隧道火災(zāi)模型試驗(yàn)中火源采用正庚烷作為燃料，火源設(shè)定在隧道的中心線上，尺寸為2 m×2 m，火源功率分別設(shè)置為3 MW、5 MW、10 MW，用于模擬公路隧道最常見的汽車火災(zāi)(3 MW、5 MW)和卡車火災(zāi)(10 MW)。本次隧道火災(zāi)數(shù)值模擬總運(yùn)行時(shí)間設(shè)置為600 s，選取準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)時(shí)段內(nèi)模擬數(shù)據(jù)的平均值進(jìn)行研究分析。將隧道的頂棚、側(cè)壁及底板墻體邊界設(shè)置為“CONCRETE”；隧道兩端及豎井開口處均定義為“OPEN”狀態(tài)；隧道初始環(huán)境溫度設(shè)置為20℃。本次數(shù)值模擬研究采用大渦模擬(LES)。

根據(jù)之前的隧道火災(zāi)模型試驗(yàn)結(jié)果，隧道內(nèi)火災(zāi)最高溫度的垂直位置在頂棚下0.02H處(其中H為隧道高度[16])，因此在隧道頂板下方0.12 m處沿隧道縱向中線布置溫度測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)之間距離為0.33 m；在距離火源右側(cè)19 m處設(shè)置一個(gè)熱電偶樹，熱電偶最高點(diǎn)距離隧道頂棚為0.1 m，各熱電偶豎向間距為0.2 m。隧道火災(zāi)FDS數(shù)值模型中各種探測(cè)器和切片布局，如圖1所示。

圖1 隧道火災(zāi)FDS數(shù)值模型示意圖

1.2 網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗(yàn)

所謂的網(wǎng)格獨(dú)立性研究，首先使用相對(duì)粗糙的網(wǎng)格建立FDS數(shù)值模型，然后逐步細(xì)化網(wǎng)格，直到模擬結(jié)果中無明顯差異。為了更準(zhǔn)確地模擬流場(chǎng)中各個(gè)網(wǎng)格中的熱力學(xué)參數(shù)，需要使網(wǎng)格尺寸的劃分更為精密且還需要兼顧計(jì)算資源。一般在保證網(wǎng)格尺寸大小滿足公式d=1/16D*～1/4D*時(shí)，F(xiàn)DS數(shù)值模型的模擬精度較高[19]。其中，火源特征直徑D*的計(jì)算公式如下：

(1)

式中：D*為火源特征直徑(m)；Q為火源熱釋放速率(kW)；T0為環(huán)境溫度(K)，取值為293 K；ρ0為空氣密度(kg/m3)，取值1.2 kg/m3；cp為空氣的定壓比熱容[kJ/(kg·K)]，取值為1.02 kJ/(kg·K)；g為重力加速度(m/s2)，取值為9.81 m/s2。

根據(jù)理想氣體方程，ρ0=pM/RT0，則公式(1)可改寫為

(2)

式中：R為摩爾氣體常數(shù)(J/mol·K)，取值為8.314 J/(mol·K)；M為空氣的摩爾質(zhì)量(g/mol)；p為環(huán)境壓力(Pa)。

由公式(2)可以看出，在火源功率(Heat Release Rate，HRR)較小、環(huán)境壓力較大的情況下，計(jì)算出的網(wǎng)格尺寸較小。因此，選取HRR最小值(3 MW)和環(huán)境壓力最大值(101 kPa)的工況進(jìn)行網(wǎng)格獨(dú)立性研究，在此工況下，計(jì)算所得火源特征直徑D*為1.46 m。因此，推薦網(wǎng)格尺寸大小范圍為0.09～0.37 m。圖2為不同網(wǎng)格尺寸下距離火源右側(cè)12 m處隧道內(nèi)火災(zāi)煙氣溫度的垂直分布曲線。

圖2 不同網(wǎng)格尺寸下距離火源右側(cè)12 m處隧道內(nèi)火災(zāi)煙氣溫度的垂直分布曲線

由圖2可以看出：當(dāng)網(wǎng)格尺寸小于0.15 m時(shí)，隧道內(nèi)火災(zāi)煙氣溫度的垂直分布曲線并沒有明顯的差異，因此選擇0.15 m的網(wǎng)格尺寸開展基于FDS的隧道火災(zāi)煙氣數(shù)值模擬研究。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，將隧道頂棚下方的火災(zāi)煙氣流動(dòng)速度與前人的研究結(jié)果進(jìn)行了比較[20]。He[21]基于狹長(zhǎng)空間火災(zāi)模型試驗(yàn)結(jié)果及理論推導(dǎo)，提出了一個(gè)預(yù)測(cè)隧道頂棚下方火災(zāi)煙氣流動(dòng)速度的經(jīng)驗(yàn)公式，即：

(3)

式中：v為火災(zāi)煙氣流動(dòng)速度(m/s);Ts為縱向位置處的火災(zāi)煙氣溫度(K)；W為狹長(zhǎng)空間寬度(m)。

圖3為距火源左側(cè)12 m處隧道內(nèi)火災(zāi)煙氣流速數(shù)值模擬結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)公式(3)預(yù)測(cè)結(jié)果的對(duì)比。

圖3 距離火源左側(cè)12 m處隧道內(nèi)火災(zāi)煙氣流速數(shù)值模擬結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測(cè)值的對(duì)比

由圖3可見，隧道內(nèi)火災(zāi)煙氣流速數(shù)值模擬值與經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測(cè)值的最大相對(duì)誤差為6.9%，說明數(shù)值模擬結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)公式的預(yù)測(cè)值吻合較好。

綜上所述，本文建立的隧道火災(zāi)數(shù)值模型的精度及準(zhǔn)度可靠。

2 數(shù)值模擬結(jié)果與討論

2.1 環(huán)境壓力對(duì)隧道內(nèi)火災(zāi)煙氣熱分層的影響

火災(zāi)煙氣層失穩(wěn)會(huì)降低人員疏散能見度，使人員疏散區(qū)域彌漫有毒有害氣體，研究隧道內(nèi)火災(zāi)煙氣熱分層的穩(wěn)定性可以確定人員疏散可用安全空間。針對(duì)隧道內(nèi)火災(zāi)煙氣熱分層現(xiàn)象的研究，有關(guān)的理論分析及計(jì)算模型主要是對(duì)隧道內(nèi)火災(zāi)煙氣層界面高度和煙氣熱分層穩(wěn)定性進(jìn)行判別與預(yù)測(cè)。火災(zāi)煙氣在慣性力及熱浮力作用下會(huì)出現(xiàn)明顯的分層界面或紊動(dòng)混亂界面。當(dāng)火災(zāi)煙氣的熱浮力在火災(zāi)煙氣分層起主導(dǎo)作用時(shí)，較強(qiáng)的火災(zāi)煙氣熱浮力趨于維持火災(zāi)煙氣層的穩(wěn)定性。浮力頻率是指火災(zāi)煙氣熱浮力在豎直高度上的變化率[22]，其表達(dá)式如下：

(4)

式中:NL為浮力頻率；ρt為空間內(nèi)豎向高度上的火災(zāi)煙氣密度(kg/m3)；z為豎直方向上的高度(m)；Tt為豎向高度上的溫度(K)。

浮力頻率NL在豎直方向上存在極大值，該極值越明顯，則火災(zāi)煙氣熱分層強(qiáng)度越大，火災(zāi)煙氣層與下層空氣層分層越明顯。

利用公式(4)可以計(jì)算火災(zāi)煙氣層在豎直方向上的層化強(qiáng)度，對(duì)于研究環(huán)境壓力對(duì)隧道橫截面整體火災(zāi)煙氣熱分層強(qiáng)度的影響，則可采用以豎向平均溫度變化ΔT來表征浮力頻率NL，即：

(5)

式中:Taver為隧道橫截面豎向平均溫度(℃)；Is為火災(zāi)煙氣層在豎直方向上的層化強(qiáng)度；Δh*為無量綱高差。

對(duì)于火災(zāi)煙氣層在豎直方向上的層化強(qiáng)度Is，有：

(6)

公式(4)中g(shù)和T0為常量，則浮力頻率NL值由隧道橫斷面內(nèi)豎向溫升所決定。當(dāng)Taver和Δh*為定值時(shí)，由公式(5)可得出火災(zāi)煙氣層的層化強(qiáng)度減小則豎向平均溫度變化ΔT隨之降低，再由公式(4)可得出浮力頻率值也在減小，即表明該隧道橫斷面內(nèi)火災(zāi)煙氣熱分層強(qiáng)度減弱。因此，火災(zāi)煙氣層的層化強(qiáng)度在特定條件下可以間接反映出隧道上部火災(zāi)煙氣與下層空氣之間的熱層分布。

圖4給出了距離火源右側(cè)19 m處隧道斷面上(該斷面處于火災(zāi)煙氣的一維蔓延區(qū)段)平均溫度Taver隨環(huán)境壓力的變化曲線。

圖4 距離火源右側(cè)19 m處隧道斷面上平均溫度Taver隨環(huán)境壓力的變化曲線

由圖4可見：隨著環(huán)境壓力的增大，隧道斷面上平均溫度呈現(xiàn)明顯的減小趨勢(shì)，即環(huán)境壓力的降低使隧道內(nèi)火災(zāi)煙氣層的溫度升高，該現(xiàn)象與前人的研究結(jié)果一致[20]。

距離火源右側(cè)19 m處隧道斷面上火災(zāi)煙氣層的層化強(qiáng)度如圖5所示。

通過觀察火災(zāi)煙氣層的層化強(qiáng)度隨環(huán)境壓力的變化曲線(圖5)可知，環(huán)境壓力的增大，火災(zāi)煙氣層的層化強(qiáng)度明顯降低，不同環(huán)境壓力下火災(zāi)煙氣層的層化強(qiáng)度均為隧道橫斷面上最高點(diǎn)與最低點(diǎn)無量綱溫度差值(Δh*=0.95)。當(dāng)Δh*為常量時(shí)，環(huán)境壓力降低，隧道斷面豎向平均溫度Taver和火災(zāi)煙氣層的層化強(qiáng)度Is同時(shí)升高，則豎向溫升ΔT隨之升高，根據(jù)豎向溫升ΔT決定浮力頻率[23]可知，在隧道該斷面上火災(zāi)煙氣的熱分層強(qiáng)度隨環(huán)境壓力的降低不斷增強(qiáng)，而火災(zāi)煙氣的熱分層強(qiáng)度的明顯增強(qiáng)，表明隧道該處火災(zāi)煙氣及空氣的流動(dòng)狀態(tài)穩(wěn)定性增強(qiáng)。因此，高海拔隧道火災(zāi)能維持著較平原隧道火災(zāi)更有利的安全疏散空間，在安全疏散階段，可以在不破壞火災(zāi)煙氣分層結(jié)構(gòu)的前提下，采用比平原隧道更高的縱向排煙風(fēng)速。

圖5 距離火源右側(cè)19 m處隧道斷面上火災(zāi)煙氣層層化強(qiáng)度Is隨環(huán)境壓力的變化曲線

隧道火災(zāi)中熱煙氣的分層流動(dòng)形態(tài)是熱浮力與慣性力相互作用的結(jié)果，熱浮力對(duì)火災(zāi)煙氣層維持穩(wěn)定結(jié)構(gòu)起到了積極作用，而慣性力則會(huì)加劇下層冷空氣層與火災(zāi)煙氣層的摻混，進(jìn)而破壞火災(zāi)煙氣層的分層流動(dòng)，導(dǎo)致火災(zāi)煙氣層結(jié)構(gòu)紊亂。分析認(rèn)為：海拔的升高，導(dǎo)致氣壓降低，空氣變得稀薄[24]，在相同的卷吸速度下，火災(zāi)煙霧擴(kuò)散流動(dòng)的過程中使卷吸進(jìn)入到火災(zāi)煙氣層的新鮮冷空氣質(zhì)量降低，同時(shí)環(huán)境壓力的降低也會(huì)導(dǎo)致火災(zāi)煙氣對(duì)下層冷空氣的卷吸系數(shù)減小[25]，即環(huán)境壓力的降低導(dǎo)致火災(zāi)煙氣對(duì)冷空氣的卷吸速度及卷吸強(qiáng)度減弱。

綜上所述，低壓環(huán)境會(huì)抑制隧道內(nèi)火災(zāi)煙氣對(duì)空氣的卷吸作用，降低隧道內(nèi)上層火災(zāi)煙氣層與下層空氣層的熱量及質(zhì)量交換，進(jìn)而導(dǎo)致上層火災(zāi)熱煙氣溫度升高、熱浮力增強(qiáng)。

2.2 環(huán)境壓力對(duì)隧道內(nèi)火災(zāi)煙氣運(yùn)動(dòng)的影響

圖6和圖7展示了準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)時(shí)(火災(zāi)煙氣溫度和速度等參數(shù)隨時(shí)間不再發(fā)生明顯變化)不同環(huán)境壓力下隧道及豎井內(nèi)火災(zāi)煙氣流場(chǎng)形態(tài)，圖中黑色帶有方向的線為火災(zāi)煙氣運(yùn)動(dòng)的流線。

通過觀察圖6和圖7可知：

隨著環(huán)境壓力的增大，上層火災(zāi)煙氣沿隧道頂棚擴(kuò)散的平流層面積越來越小，同時(shí)伴隨著隧道內(nèi)火災(zāi)煙氣與下層冷空氣由于卷吸作用而形成的渦旋結(jié)構(gòu)區(qū)域擴(kuò)大。這是因?yàn)榄h(huán)境壓力的降低會(huì)導(dǎo)致隧道內(nèi)上層熱煙氣層對(duì)下層冷空氣層的卷吸作用強(qiáng)度減弱。而通過分析圖6和圖7中隧道內(nèi)下層冷空氣的流線可知，隨著環(huán)境壓力的增加，下層冷空氣由于火災(zāi)熱煙氣層的卷吸作用而進(jìn)入火災(zāi)煙氣層的部分不斷增加，隧道外部補(bǔ)充進(jìn)入的新鮮空氣與上層流動(dòng)的火災(zāi)熱煙氣所造成的速度剪切而形成的渦旋結(jié)構(gòu)區(qū)域不斷增大，而渦旋區(qū)域的增大又加強(qiáng)了火災(zāi)熱煙氣與冷空氣之間的摻混，同時(shí)也增加了豎向的熱交換，使隧道內(nèi)火災(zāi)煙氣熱分層逐漸失去穩(wěn)定，即火災(zāi)煙氣層的輸運(yùn)變得紊亂。通過觀察豎井附近區(qū)域火災(zāi)煙氣流場(chǎng)結(jié)構(gòu)變化可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)環(huán)境壓力在50～70 kPa之間時(shí)，不同火源功率下豎井入口右側(cè)均出現(xiàn)了明顯的渦旋結(jié)構(gòu)；而當(dāng)環(huán)境壓力在80～101 kPa之間時(shí)，其渦旋結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度發(fā)生了減弱。根據(jù)流體力學(xué)伯努利方程，豎井內(nèi)外壓差ΔP可表示如下：

圖6 火源功率為3 MW時(shí)不同環(huán)境壓力下隧道及豎井內(nèi)火災(zāi)煙氣流場(chǎng)形態(tài)圖

圖7 火源功率為5 MW時(shí)不同環(huán)境壓力下隧道及豎井內(nèi)火災(zāi)煙氣流場(chǎng)形態(tài)圖

ΔP=(ρ0-ρs)gh

(7)

式中:ρs為隧道內(nèi)火災(zāi)煙氣密度(kg/m3)；h為豎井高度(m)。

此外，假定豎井區(qū)域內(nèi)火災(zāi)煙氣溫度分布一致，根據(jù)理想氣體方程可以得到：

(8)

低壓環(huán)境下豎井下方火災(zāi)煙氣溫度升高，豎井內(nèi)外壓差增大，形成的煙囪效應(yīng)增強(qiáng)，豎井下方的排煙速度增加。豎井下方向上運(yùn)動(dòng)的火災(zāi)煙氣與由于豎井排煙而水平蔓延的火災(zāi)煙氣形成速度渦旋結(jié)構(gòu)，而該渦旋結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度亦將隨著環(huán)境壓力的升高出現(xiàn)減弱。

火源功率為3 MW、5 MW時(shí)不同環(huán)境壓力下隧道及豎井內(nèi)火災(zāi)煙氣溫度場(chǎng)，見圖8和圖9。

由圖8和圖9可以清晰地看出，隨著環(huán)境壓力的降低，隧道及豎井內(nèi)火災(zāi)煙氣層的煙氣溫度升高，較穩(wěn)定的熱煙氣層是造成這一現(xiàn)象的主要原因。

圖8 火源功率為3 MW時(shí)不同環(huán)境壓力下隧道及豎井內(nèi)火災(zāi)煙氣溫度場(chǎng)

圖9 火源功率為5 MW時(shí)不同環(huán)境壓力下隧道及豎井內(nèi)火災(zāi)煙氣溫度場(chǎng)

2.3 環(huán)境壓力對(duì)隧道內(nèi)火災(zāi)煙氣溫度縱向分布的影響

火災(zāi)煙氣溫度的縱向分布規(guī)律可以確定感溫探測(cè)器、水噴霧系統(tǒng)動(dòng)作范圍及響應(yīng)時(shí)間。豎井自然排煙隧道發(fā)生火災(zāi)時(shí)，在火源與豎井開口左側(cè)位置的隧道段內(nèi)，火災(zāi)煙氣由火源附近的三維擴(kuò)散流動(dòng)逐漸演變?yōu)檠厮淼揽v向的一維擴(kuò)散流動(dòng)，該區(qū)段內(nèi)火災(zāi)煙氣溫度較高，定義該段為火源段。由于豎井對(duì)火災(zāi)煙氣的抽吸作用，大部分火災(zāi)煙氣將會(huì)由豎井排出隧道內(nèi)，造成豎井右側(cè)火災(zāi)煙氣溫度的下降，因此定義豎井開口右側(cè)為非火源段。綜合考慮本模擬試驗(yàn)中非火源段的火災(zāi)煙氣溫度及高度，發(fā)現(xiàn)火災(zāi)煙氣在該區(qū)段中對(duì)人員的安全疏散并不存在較大威脅，因此在下面將著重分析環(huán)境壓力對(duì)隧道火源段內(nèi)火災(zāi)煙氣溫度縱向分布的影響。

袁中原[26]研究了自然通風(fēng)隧道中頂棚火災(zāi)煙氣溫度的縱向衰減特性， 得到了隧道火源段內(nèi)火災(zāi)煙氣蔓延過程中溫度衰減的計(jì)算模型：

(9)

式中：ΔT為選取點(diǎn)位置處火災(zāi)煙氣溫度相對(duì)于環(huán)境溫度的溫升值(K)；ΔTref為參考點(diǎn)位置處對(duì)應(yīng)的火災(zāi)煙氣溫升值(K)；k為衰減系數(shù)；x為選取點(diǎn)位置高度(m)；xref為參考點(diǎn)位置高度(m)。

為了突出環(huán)境壓力對(duì)自然排煙隧道頂棚火災(zāi)煙氣溫度縱向分布的影響，將公式(9)中火災(zāi)煙氣溫升替換為火災(zāi)煙氣溫升的無量綱溫度，即：

ΔT*=ΔT/(Q*2/3T0)

(10)

(11)

Q*=Q/(ρ0cpT0g1/2H5/2)

(12)

(13)

公式(9)是依據(jù)隧道內(nèi)火災(zāi)煙氣一維擴(kuò)散理論得到的，因此參考點(diǎn)位置的選取應(yīng)處于火災(zāi)煙氣的一維擴(kuò)散區(qū)段，根據(jù)對(duì)模擬結(jié)果的分析，距離火源右側(cè)7 m處隧道內(nèi)火災(zāi)煙氣運(yùn)動(dòng)已處于一維定常流動(dòng)階段，故將該位置選取為參考點(diǎn)位置。根據(jù)公式(13)，對(duì)不同環(huán)境壓力下隧道頂棚縱向無量綱火災(zāi)煙氣溫度衰減趨勢(shì)進(jìn)行了擬合，其擬合結(jié)果見圖10。

圖10 不同環(huán)境壓力下隧道火源段內(nèi)火災(zāi)煙氣溫度的縱向衰減擬合曲線

由圖10可知：不同環(huán)境壓力下隧道火源段內(nèi)火災(zāi)煙氣溫度的縱向衰減可以利用公式(13)較好地?cái)M合。

不同環(huán)境壓力下隧道火源段內(nèi)火災(zāi)煙氣溫度的縱向衰減系數(shù)k值和擬合曲線的相關(guān)系數(shù)R2，見表1。

表1 不同環(huán)境壓力下隧道火源段內(nèi)火災(zāi)煙氣溫度的縱向衰減系數(shù)k值和擬合曲線的相關(guān)系數(shù)R2

由表1可知：k值隨環(huán)境壓力的降低而增大，表明隧道火源段內(nèi)火災(zāi)煙氣溫度在低壓環(huán)境下縱向衰減得更快。這是由于低壓環(huán)境下火災(zāi)煙氣溫度增加、火災(zāi)煙氣層的層化強(qiáng)度增強(qiáng)，較高的火災(zāi)煙氣溫度對(duì)周圍冷空氣的熱輻射及壁面的熱對(duì)流也會(huì)愈發(fā)強(qiáng)烈，造成火災(zāi)煙氣溫度在縱向上熱損失率增加，火災(zāi)煙氣溫度衰減變快。

3 結(jié) 論

本文利用FDS模擬軟件，研究了低壓環(huán)境下豎井自然排煙隧道火災(zāi)煙氣運(yùn)動(dòng)及溫度分布規(guī)律，揭示了環(huán)境壓力對(duì)火災(zāi)煙氣熱分層和煙氣運(yùn)動(dòng)的影響規(guī)律與機(jī)制，并基于模擬計(jì)算結(jié)果和理論公式，得出低壓環(huán)境下隧道火源段內(nèi)火災(zāi)煙氣溫度的衰減規(guī)律。主要結(jié)論如下：

(1) 在隧道火災(zāi)中，隨著環(huán)境壓力的降低會(huì)導(dǎo)致火災(zāi)煙氣溫度升高，同時(shí)使火災(zāi)煙氣層的層化強(qiáng)度增強(qiáng)，熱分層現(xiàn)象明顯。

(2) 隧道下層冷空氣與上層熱煙氣相對(duì)速度剪切會(huì)形成渦旋結(jié)構(gòu)區(qū)域，該渦旋結(jié)構(gòu)區(qū)域的面積隨著環(huán)境壓力的降低而減小，環(huán)境壓力的增大會(huì)導(dǎo)致隧道內(nèi)火災(zāi)煙氣層的輸運(yùn)變得紊亂。

(3) 環(huán)境壓力的變化會(huì)對(duì)豎井自然排煙隧道內(nèi)火災(zāi)煙氣溫度縱向衰減產(chǎn)生影響。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，將隧道火源段內(nèi)頂棚火災(zāi)煙氣無量綱溫度縱向衰減曲線與理論計(jì)算模型進(jìn)行了擬合，擬合結(jié)果表明：不同環(huán)境壓力下豎井自然排煙隧道在火源段內(nèi)火災(zāi)煙氣溫度的縱向衰減分布規(guī)律符合指數(shù)函數(shù)，且其衰減系數(shù)k隨環(huán)境壓力的降低而增加。