環(huán)境壓力對(duì)隧道火災(zāi)自然通風(fēng)煙氣特性的影響研究

馬洋陽(yáng) 袁中原

（西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 成都 610031）

0 引言

隨著城市隧道的建設(shè)，關(guān)于城市隧道火災(zāi)安全問(wèn)題的討論也越來(lái)越多。當(dāng)隧道發(fā)生火災(zāi)時(shí)，可燃物燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔庠谒淼纼?nèi)進(jìn)行擴(kuò)散對(duì)人員產(chǎn)生巨大的危害，因此如何將隧道內(nèi)的煙氣快速排出是火災(zāi)發(fā)生時(shí)的首要問(wèn)題。以往對(duì)于隧道排煙問(wèn)題的研究主要聚焦在平原地區(qū)，而對(duì)于高原地區(qū)隧道排煙問(wèn)題的研究還比較少，因此展開(kāi)對(duì)高原隧道火災(zāi)的研究具有重要的意義。

目前，高原地區(qū)隧道火災(zāi)的研究主要集中在環(huán)境壓力對(duì)熱驅(qū)動(dòng)煙氣流動(dòng)擴(kuò)散特性、頂壁下煙氣溫度分布、煙氣回流長(zhǎng)度的影響。研究表明，環(huán)境壓力會(huì)影響煙氣運(yùn)動(dòng)特性和溫度分布[1]。紀(jì)杰[2]采用數(shù)值模擬的方法研究了環(huán)境壓力對(duì)隧道內(nèi)煙氣流動(dòng)特性的影響，得出結(jié)論：在HRR 一定的情況下，煙氣質(zhì)量流量隨著環(huán)境壓力的降低而減小，環(huán)境壓力是影響空氣卷吸、溫度分布和煙氣質(zhì)量流量的重要因素，研究認(rèn)為低氣壓隧道火災(zāi)的防排煙方法可能與常壓隧道火災(zāi)的防排煙方法不同。Tang[3]對(duì)隧道內(nèi)兩種環(huán)境壓力（100kPa 和64kPa）下的縱向煙氣溫度分布進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)環(huán)境壓力越低，煙氣溫度衰減越快。Ji 的研究表明[4]，在較低的環(huán)境壓力下，由于熱損失較小，縱向煙氣溫度會(huì)升高。He 的研究表明[5]煙氣溫度是影響煙氣流速最大的因素。Fan[6]研究得出，在相同的HRR 和通風(fēng)速度下，由于空氣密度減小導(dǎo)致縱向氣流慣性力減弱，因此煙氣逆流長(zhǎng)度隨環(huán)境壓力的減小而增大。Zhang[7]通過(guò)理論分析和數(shù)值模擬得出在高原地區(qū)為了抑制煙氣逆流，需要較大的臨界風(fēng)速。

以上研究對(duì)于了解和掌握高海拔隧道在頂部無(wú)豎井或存在縱向通風(fēng)情況下的煙氣特性具有非常重要的價(jià)值，但目前對(duì)于高海拔隧道火災(zāi)自然通風(fēng)煙氣特性的研究還比較少，例如環(huán)境壓力對(duì)隧道火災(zāi)自然通風(fēng)煙氣溫度、煙氣流速、煙氣濃度、能見(jiàn)度的影響研究，因此本文采用數(shù)值模擬的方法研究環(huán)境壓力對(duì)隧道火災(zāi)自然通風(fēng)煙氣特性的影響。

1 數(shù)值模型

本文采用數(shù)值模擬的方法，對(duì)不同環(huán)境壓力下隧道火災(zāi)的煙氣特性進(jìn)行研究。

1.1 數(shù)值模型建立

1.1.1 模型參數(shù)及測(cè)點(diǎn)布置

（1）模型及參數(shù)

數(shù)值模型隧道長(zhǎng)130m，寬和高均為5m，兩自然通風(fēng)豎井的間距為60m，隧道參數(shù)與數(shù)值模型如圖1 和圖2 所示。

圖1 隧道參數(shù)Fig.1 Tunnel Parameters

圖2 隧道數(shù)值模型Fig.2 Tunnel Numerical Model

（2）測(cè)點(diǎn)布置

溫度測(cè)點(diǎn)沿隧道縱向中心線布置，距離隧道頂壁0.2m，間距為1m，煙氣流速測(cè)點(diǎn)布置與煙氣溫度測(cè)點(diǎn)布置在火源段（兩豎井內(nèi)邊距之間的區(qū)域）相同，如圖1 所示。頂壁下煙氣濃度和能見(jiàn)度測(cè)點(diǎn)沿隧道縱向中心線布置，距離隧道頂壁0.2m，間距為2m，如圖1 所示。在人員高度處（2m）也進(jìn)行了能見(jiàn)度的測(cè)點(diǎn)布置，測(cè)點(diǎn)距離隧道頂壁3m，其他與頂壁下能見(jiàn)度的測(cè)點(diǎn)布置相同。

1.1.2 火源設(shè)置

本文采用穩(wěn)態(tài)火源，火源熱釋放率為3MW，燃料為正庚烷。根據(jù)FDS 用戶指導(dǎo)手冊(cè)中的推薦值[8]，正庚烷燃燒產(chǎn)生的CO 的系數(shù)為0.01；產(chǎn)煙系數(shù)為0.008。火源位置如圖1 所示，火源左側(cè)外邊緣位于豎井內(nèi)邊緣正下方（最不利火源位置[9]）。

1.1.3 邊界條件

（1）壁面邊界

隧道壁面的材料為鋼筋混凝土，厚度為0.5m其中導(dǎo)熱系數(shù)取為1.28W/(m·K)，密度取為2200kg/m3，比熱取為0.88kJ/kg/K。鋼筋混凝土的外側(cè)為土壤層，土壤層設(shè)置為恒溫條件。

（2）進(jìn)出口邊界

本文研究對(duì)象為高原隧道火災(zāi)自然通風(fēng)的煙氣特性，因此隧道豎井頂部和隧道兩端開(kāi)口皆設(shè)置為實(shí)際的外界環(huán)境壓力。

1.2 網(wǎng)格劃分

隧道火災(zāi)三維數(shù)值模型通常采用火源特征直徑來(lái)確定網(wǎng)格尺寸，火源特征直徑的定義為：

式中，D*為火源特征直徑；Q為火災(zāi)熱釋放率，kW。

FDS 用戶手冊(cè)推薦的網(wǎng)格尺寸為0.06D*～0.25D*之間，而以往的研究表明[10]：網(wǎng)格尺寸為 0.1D*時(shí)，可以較好地兼顧計(jì)算的準(zhǔn)確性和計(jì)算時(shí)長(zhǎng)，因此本文網(wǎng)格尺寸取為 0.1D*，具體為0.1m×0.1m×0.1m。

1.3 模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算方法的準(zhǔn)確性，本文開(kāi)展了1:10 的模型試驗(yàn)，并將數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，如圖3 所示（模型試驗(yàn)中火源為庚烷，火災(zāi)熱釋放率為3.28kW、4.03kW、5.94kW，豎井長(zhǎng)度為0.16m，豎井與隧道等寬寬度為0.5m，豎井間距為6m，環(huán)境溫度為25℃，環(huán)境壓力為66.2kPa）。

圖3 試驗(yàn)與模擬縱向溫度對(duì)比Fig.3 Experimental and Simulated Longitudinal Temperature comparison

從圖3 可以看出，除火源正上方和距火源中心0.1m 的熱電偶相差較大外，其余位置處的誤差均在15%以內(nèi)，表明本文的數(shù)值模型能夠較好的模擬隧道火災(zāi)自然通風(fēng)。

2 結(jié)果分析

2.1 煙氣溫度

隧道火災(zāi)頂壁下煙氣縱向溫度分布變化規(guī)律如圖4 所示。

圖4 不同環(huán)境壓力下隧道頂壁煙氣縱向溫度分布Fig.4 Smoke Longitudinal Temperature Distribution of Tunnel Roof Wall under different Ambient Pressures

當(dāng)隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，火源不斷卷吸周圍的新鮮空氣，形成火羽流[11]。

由理想氣體狀態(tài)方程：

式中，P為氣體壓強(qiáng)，Pa；V為氣體體積，m3；n為氣體的物質(zhì)的量，mol；T為體系溫度，K；R為理想氣體常數(shù)，J/mol·K。

可得：

式中，ρ為空氣密度，kg/m3；M為摩爾質(zhì)量，g/mol。

由式（3）可知隨著環(huán)境壓力的降低空氣密度逐漸減小。

由比熱容公式

可得：

式中，Q為吸收的熱量，kg/m3；cp為定壓比熱，kJ/(kg·K)；

由式（6）和隧道發(fā)生火災(zāi)時(shí)火羽流的形成過(guò)程，可知當(dāng)Q不變?chǔ)褱p小時(shí)ΔT增大，因此當(dāng)環(huán)境壓力降低時(shí)，隧道頂壁下的煙氣溫度升高。

2.2 煙氣流速

隧道頂壁下火災(zāi)縱向煙氣流速分布變化規(guī)律如圖5 所示。

圖5 不同環(huán)境壓力下隧道頂壁縱向煙氣流速分布Fig.5 Distribution of Smoke Velocity in Tunnel Roof Wall under different Ambient Pressures

圖5 顯示出，隧道火源段煙氣縱向流速隨著距火源中心距離的增加先急劇下降而后趨于平穩(wěn)，最后在豎井處急劇上升。這主要是因?yàn)椋瑹煔庠诨鹪锤浇鼤r(shí)為徑向擴(kuò)散轉(zhuǎn)向一維擴(kuò)散階段[12,13]，因此煙氣流速隨著距火源中心距離的增加而急劇下降。在煙氣進(jìn)入一維擴(kuò)散段后，因?yàn)闊煔馀c隧道頂壁的粘性力使得煙氣在流動(dòng)過(guò)程中流速緩慢減小。但當(dāng)煙氣流動(dòng)到距豎井較近時(shí)煙氣流速突然增大，這主要是因?yàn)樨Q井對(duì)于煙氣的抽吸作用，會(huì)使得靠近豎井的煙氣流速增大。

從圖5 還可以看出，在火源段的煙氣流速隨著環(huán)境壓力的降低而逐漸增大，這主要是因?yàn)殡S著環(huán)境壓力的降低，火源正上方的煙氣溫度升高，羽流對(duì)于隧道頂壁的沖擊作用增強(qiáng)造成煙氣在火源上方的煙氣流速增加，進(jìn)而其他點(diǎn)的煙氣流速也隨之增加。

2.3 煙氣濃度

隧道頂壁下縱向煙氣濃度分布變化規(guī)律如圖6所示。

圖6 不同環(huán)境壓力下隧道頂壁縱向煙氣濃度分布Fig.6 Longitudinal Smoke Density Distribution of Tunnel Roof Wall under different Ambient Pressures

圖6 顯示出，隧道火災(zāi)火源段的煙氣濃度在火源中心處最大，隨著距火源中心距離的增加煙氣濃度先急劇減小到一定值之后開(kāi)始緩慢減小。這主要是因?yàn)樵诰嗷鹪粗行木嚯x較近時(shí)煙氣處于徑向擴(kuò)散轉(zhuǎn)向一維擴(kuò)散階段，因此煙氣濃度急劇下降。在煙氣進(jìn)入一維擴(kuò)散段之后，煙氣在縱向流動(dòng)過(guò)程中會(huì)逐漸卷吸少量隧道下部的空氣，因此煙氣濃度會(huì)隨著距火源中心距離的增加而緩慢減小。當(dāng)煙氣經(jīng)過(guò)豎井時(shí)一部分煙氣會(huì)從豎井排出，因此煙氣濃度在經(jīng)過(guò)豎井后突然下降。

圖7 煙氣濃度的計(jì)算公式為：

圖7 不同環(huán)境壓力隧道頂壁縱向煙氣能見(jiàn)度分布Fig.7 Longitudinal Smoke Visibility Distribution of Tunnel Roof Wall under different Ambient Pressures

式中，η為體積分?jǐn)?shù)；ny為煙氣物質(zhì)的量，mol；nz為總物質(zhì)的量，mol。

由式（7）可得：

式中，MK為空氣的摩爾質(zhì)量，g/mol；mK為空氣的質(zhì)量，mol。

如圖6 所示，當(dāng)環(huán)境壓力降低時(shí)，隧道火災(zāi)煙氣縱向濃度分布的變化規(guī)律與縱向溫度分布變化規(guī)律基本相同，由式（8）可得當(dāng)環(huán)境壓力降低時(shí)單位體積的空氣質(zhì)量減小mK減小，進(jìn)入空氣中的煙氣摩爾質(zhì)量為定值，煙氣的體積分?jǐn)?shù)增大，因此隨著環(huán)境壓力的降低煙氣濃度逐漸增大。

2.4 煙氣能見(jiàn)度

隧道頂壁下煙氣縱向能見(jiàn)度分布變化規(guī)律如圖7 所示。

圖7 顯示出，隧道火災(zāi)煙氣能見(jiàn)度在火源正上方最低，隨著據(jù)火源中心距離的增加，頂壁下煙氣的能見(jiàn)度先快速上升到一定值之后開(kāi)始緩慢增加，這主要是因?yàn)樵诰嗷鹪淳嚯x較近時(shí)煙氣處于徑向擴(kuò)散轉(zhuǎn)向一維擴(kuò)散階段，因此煙氣能見(jiàn)度快速上升。在煙氣進(jìn)入一維擴(kuò)散段后，煙氣在縱向流動(dòng)過(guò)程中會(huì)逐漸卷吸少量隧道下部的空氣，因此隧道頂壁下煙氣的能見(jiàn)度在一維擴(kuò)散段會(huì)隨著距火源中心距離的增加而緩慢增加。

如圖7 所示當(dāng)環(huán)境壓力降低時(shí)火源段的煙氣能見(jiàn)度上升，這主要是因?yàn)榄h(huán)境壓力降低時(shí)空氣密度減小，相同煙氣生成量進(jìn)入到空氣中時(shí)所占空氣的比重增加，煙氣濃度增大，但煙氣與空氣的整體密度減小，因此頂壁下煙氣的能見(jiàn)度隨著環(huán)境壓力的降低而逐漸增大。

由于距離火源中心30m 外人員高度處的能見(jiàn)度在不同環(huán)境壓力下都為30m，這表明煙氣并沒(méi)有沉降到人員高度處，因此本文只展示了頂壁下的煙氣能見(jiàn)度隨環(huán)境壓力的變化情況。

2.5 豎井排煙

根據(jù)圖4、圖6 豎井后方的煙氣特性隨環(huán)境壓力的變化規(guī)律可以得出，當(dāng)環(huán)境壓力降低時(shí)豎井后方的煙氣溫度逐漸升高、煙氣濃度逐漸增大，并根據(jù)圖5 可知，當(dāng)環(huán)境壓力降低時(shí)煙氣流速逐漸增大。因此豎井的排煙效果會(huì)隨著環(huán)境壓力的降低而逐漸變差。這意味著環(huán)境壓力對(duì)隧道火災(zāi)自然通風(fēng)完全排煙的臨界豎井高度也有影響。

3 結(jié)論

環(huán)境壓力的變化對(duì)隧道火災(zāi)自然通風(fēng)的煙氣特性有很大的影響，因此本文采用數(shù)值模擬軟件對(duì)不同環(huán)境壓力下的隧道火災(zāi)煙氣特性進(jìn)行研究得到以下結(jié)論：

（1）隨著環(huán)境壓力的降低隧道頂壁下的煙氣溫度和濃度逐漸增大。豎井后方的煙氣溫度和濃度也隨環(huán)境壓力的降低而逐漸增大。

（2）隧道火源段煙氣流速和能見(jiàn)度速隨著環(huán)境壓力的降低而逐漸增大。

（3）豎井的排煙效果隨著環(huán)境壓力的降低而逐漸減弱。