縱向風下隧道火災頂部排煙煙氣溫度分布研究

徐夢一 袁中原

（西南交通大學機械工程學院 成都 610031）

0 引言

隧道因其特殊的管狀封閉結構，在發生火災時常伴隨著高溫、能見度低、排煙困難，會造成逃生疏散困難，隧道結構嚴重破壞等后果[1,2]。通過設計一個合理的排煙系統，能夠及時有效地降低煙氣溫度并控制煙氣蔓延及沉降，對于減輕人員傷亡和財產損失尤為重要。

縱向通風系統可在著火點上游方向形成無煙疏散通道，便于人員逃生，且能夠有效降低隧道內溫度，建造和運維成本低，但容易出現風流紊亂的現象，能見度低，影響逃生救援；而半橫向排煙系統能及時地將煙氣排出隧道，有效控制煙氣蔓延，但其建造復雜，造價和運維成本較高。近年來隨著隧道排煙技術的發展，縱向通風和頂部排煙系統協同作用下的耦合系統廣受關注，其綜合了兩種排煙方式的優點，使得排煙效果更好，又相對降低了成本。

目前，對于縱向通風和頂部排煙協同作用下的排煙系統，一些學者已經進行了初步研究[3-5]。Ingason 和Li[6]進行了小尺寸試驗，研究了在有無縱向風情況下單個排煙口和兩個排煙口的頂部排煙系統對于大型貨車火災煙氣的控制作用。陳龍飛等[7]推導了排煙口位于火源上方的頂部排煙系統同縱向通風系統共同作用下的回流煙氣長度預測數學模型，并進行了小尺寸試驗驗證其準確性；唐飛等[8,9]發現火源和頂棚排煙口的相對方向對煙鋒流速有較大影響，當火源位于頂棚排煙口正下方時，機械排煙系統對煙氣前緣速度的影響最為顯著，并且在一定的無量綱放熱速率下，臨界流速隨吊頂集中機械排煙流量的增大而減小；王明年等[10]通過采用試驗和數值模擬相結合的方法，研究了不同排煙策略（改變縱向風速和排煙風速）對縱向風下的豎井排煙系統的影響，并給出了兩種火源位置下的速度擬合公式。

然而，對于縱向通風和頂部排煙協同作用下不同因素對煙氣分布特性的影響研究較少，本文采用火災數值模擬軟件FDS 對該系統的煙氣分布特性進行了研究。

1 數值模擬

本文選取某山嶺隧道建立幾何模型，如圖1 所示，隧道斷面上部取半徑6m 的半圓，下部取高為1.4m 矩形，模擬隧道總長取為500m，隧道寬12m，高7.4m。排煙口位于隧道頂棚中軸線上，其內邊緣距隧道入口320m，寬為5m，設置了五種不同的風口長度：1m、5m、7m、10m、15m。在隧道縱向中軸線上設置了縱向溫度測點和CO濃度測點及其切片，間隔為10m；在排煙口與隧道交界面處設置速度測點，用于監測排煙變化情況。

圖1 模型隧道示意圖Fig.1 The picture of tunnel model

本文選取5MW、10MW、30MW 三種火源熱釋放率進行數值模擬研究，總模擬時間為600s。隧道壁面的材料設置為“concrete”，厚度為0.5m，環境初始溫度設置為25℃。本文研究的是縱向風下的隧道火災排煙，在隧道入口與隧道交界面處設置“supply”，向隧道內送風，風速設為臨界風速；在隧道出口與計算區域邊界處設置為開口條件。隧道火災數值模型如圖2 所示。

圖2 數值模型示意圖Fig.2 The picture of the numerical model

將火源設置在隧道縱向中軸線上，火源與排煙風口的相對位置如圖3 所示，其中A 位置位于隧道縱向中心，B 位置距排煙風口處500m，C 位置距排煙風口處1000m。

圖3 火源位置示意圖Fig.3 The picture of fire source position

為研究縱向風下的隧道火災頂部排煙系統煙氣特性分布與縱向火源位置、排煙口長度、排煙量和火源熱釋放率之間的關系，本文共設計了30 組數值模擬工況，如表1 所示。

表1 數值模擬工況Table 1 Numerical simulation of the operating conditions

本文開展了1:10 縮尺模型隧道試驗，選取火源熱釋放率為5.68kW，排煙量為180m3/h 的典型試驗工況驗證了本文數值模型的準確性，如圖4 所示，數值模擬計算結果與試驗結果基本吻合，可用于模擬計算隧道火災。

圖4 數值模擬驗證結果Fig.4 The result of the numerical simulation verification

為了便于分析和說明，定義火源到排煙口之間的區域為火源段，排煙口之外的區域為非火源段。

2 煙氣特性

2.1 煙氣分布規律

圖5 為在縱向風速為臨界風速時，排煙風口長度為6m，排煙量為120m3/s 時的煙氣分布特性。其中橫坐標表示點離開火源的距離，單位為m，縱坐標表示熱電偶測得的溫度與室內溫度的溫差，單位為℃。以風機向隧道內送風的方向為“﹢”，火源位于橫坐標為“0”處，圖中溫度突變處為風口所在位置。

圖5 隧道頂壁煙氣特性分布Fig.5 The smoke characteristics distribution of tunnel beneath ceiling

從圖5（a）中可以看出，隧道頂壁煙氣溫度在離火源20m 距離處達到最大，并在沿隧道縱向擴散過程中逐漸減小，在風口處有明顯的突變。這是由于縱向風的作用，使得火源向下風方向傾斜，當風速達到臨界風速時，通風抑制煙氣向火源上游的擴散，回流長度為0，此時頂壁最高溫度位置偏離火源上方，火源上游幾乎無煙氣擴散；隨著煙氣在火源段擴散，熱煙氣不斷卷吸冷空氣并與隧道壁面換熱，煙氣溫度下降；當煙氣擴散到風口下方時，在頂部排煙的作用下，大量的煙氣被直接排出隧道，排煙口處溫度急劇下降，越過排煙口的煙氣繼續沿隧道縱向擴散，溫度進一步降低；最終煙氣浮升力與進入隧道的新鮮空氣的慣性力相等，煙氣停止向前擴散。

而火源上游的溫度衰減速度明顯比下游衰減快。這是由于縱向通風，使得火源上游的空氣與煙氣流動方向相反，這對煙氣流動產生阻礙作用，增加了隧道空間內的熱對流，且煙氣在沿隧道流動的過程中不斷地與隧道壁面傳熱并不斷卷吸周圍的冷空氣，溫度進一步降低，因此火源上游的溫度衰減相對更快。

從圖5（b）中可以看出，火源附近的CO 濃度較高，在沿隧道縱向擴散的過程中煙氣不斷卷吸冷空氣，煙氣濃度降低，CO 濃度減小；隨后由于大量煙氣從風口排出，風口處CO 濃度驟減，其余煙氣繞過風口繼續向前擴散，CO 濃度降低；最終，煙氣浮升力與進入隧道的新鮮空氣的慣性力相等，煙氣不再向前擴散。

2.2 縱向火源位置對煙氣溫度分布的影響

以火源功率為5MW，風口長度為7m，排煙量為120m3/s 的工況為例，圖6 展示了不同縱向火源位置下隧道頂壁縱向煙氣分布的情況。可以看出，火源段內，煙氣溫度沿隧道縱向方向逐漸降低，A、B、C 三個位置下的煙氣縱向溫度分布幾乎一致，火源位置的改變不會明顯影響頂壁煙氣縱向溫度分布。這說明由排煙引起的隧道補風氣流的增加不會影響火源段的空氣卷吸。而當煙氣擴散至風口附近時，火源位于C 位置時的溫度相對較低，A 位置時的風口下方溫度相對較高。這是因為隨著離火源距離的增大，熱煙氣在蔓延過程中與冷空氣和隧道壁面不斷換熱，溫度降低，火源位置與風口間距越大，煙氣蔓延距離越長，溫度下降得越多。

圖6 縱向火源位置對溫度分布的影響Fig.6 Effect of the longitudinal fire source location on smoke temperature distribution

2.3 排煙口長度對煙氣溫度分布的影響

圖7 為火源熱釋放率分別為5MW 和10MW時，不同排煙風口長度對頂壁縱向煙氣溫度分布的影響。從圖中可以看出，在排煙量一定的情況下，無論是火源段還是非火源段，在排煙口長度為1-15m 區間時的頂部煙氣溫度分布幾乎都沒有區別，由此可以判斷出排煙風口尺寸不會對隧道頂部的煙氣溫度造成影響。

圖7 排煙口尺寸對煙氣溫度分布的影響Fig.7 Effect of exhaust vent size on smoke temperature distribution

2.4 排煙量對煙氣溫度分布的影響

圖8 為不同排煙量對頂壁煙氣縱向溫度分布的影響。從圖中可以看出，在火源段，風口的排煙情況不會影響到火源段的頂壁溫度分布；而在非火源段，煙氣的頂部溫度會隨著排煙量的增加而上升。這是因為在縱向風速一定時，排煙風量增大，隧道內負壓增加，導致隧道口的補風氣流大部分從排煙口排出或直接排出隧道，幾乎不會流入火源段，火源段煙氣的卷吸幾乎不受到由排煙引起的補風氣流的影響。

圖8 排煙量對頂部縱向溫度分布的影響Fig.8 Effect of smoke exhaust volume on smoke temperature distribution

2.5 火源功率對煙氣溫度分布的影響

圖9 為不同火源功率對頂壁煙氣縱向溫度分布的影響。從圖中可以看出，隨著火源熱釋放率的增大，隧道內相同位置處的頂部煙氣溫度也隨之增加。這是因為火源熱釋放率越大，釋放的熱量越多，火源上方的煙氣溫度就越高；而在離火源距離增加時，和其他因素的規律相同，隨著煙氣擴散時與隧道壁面換熱，頂壁溫度逐漸降低。

圖9 火源功率對頂部縱向溫度分布的影響Fig.9 Effect of fire source heat release rate on smoke temperature distribution

3 煙氣溫度縱向衰減

通過以上研究，表明在相同火源條件下，縱向火源位置、排煙口長度和排煙量在火源段的頂壁溫升幾乎一致，隨離火源距離的增加，火源下游煙氣溫度呈指數函數衰減。根據胡隆華等[11]的研究分析得出了隧道頂棚無量綱煙氣衰減模型，見式（1）。

式中：k為常數；ΔT為某縱向位置處溫升，℃；ΔTref是參考位置溫升，℃；x為與火源之間的距離；xref為參考位置與火源之間的距離。

Fan和Ji等[12]研究得到了隧道頂棚縱向溫度的衰減公式。

式中：α，k、y0均為常數。

參考位置選取火源段頂壁煙氣最高溫度位置處，則無量綱煙氣溫升模型可以表示為：

由于風口處溫度變化浮動較大，且風口下游的溫度滿足人員安全逃生要求，本文只對火源上方最高溫度位置至風口位置處的頂壁縱向溫度進行擬合。利用式（1）縱向溫度衰減模型對本文煙氣溫度進行擬合，其擬合度系數小于0.80，說明胡隆華的煙氣衰減溫度模型不能很好的預測縱向通風和頂部排煙協同作用下的隧道火災煙氣溫度分布。利用式（2）對不同風口長度下隧道火源段的無量綱煙氣溫度進行擬合，擬合曲線如圖10 所示，得到k值為0.838，相關系數大于0.95，可以說明Fan和Ji 等的模型能很好地預測縱向通風和頂部排煙協同作用下的隧道火災煙氣溫度分布。通過對參考位置處的試驗數據取平均值，得出參考位置處的無量綱煙氣溫升=2.034，無量綱溫升的定義如式（4）。

圖10 火源段縱向溫度衰減Fig.10 Longitudinal temperature decay of the fire source section

將公式（4）代入公式（3），得到公式（5），即為縱向通風和頂部排煙協同作用下的隧道火災煙氣溫度計算模型：

式中：α=0.606，k=0.0838，y0=0.446。

圖11 為不同縱向火源置下模擬計算所測溫度與公式（5）計算所得溫度對比圖，可以看出公式（5）可以較好地表達不同火源位置下，不同風口長度頂壁下方縱向煙氣溫升的分布情況。

圖11 公式（5）計算結果與模擬結果的對比Fig.11 Comparison between numerical simulation data and results predicted with Eq(5)

4 結論

（1）在縱向風和排煙口抽吸的作用下，隧道頂壁煙氣溫度隨離火源距離的增大而逐漸減小，在風口處驟減，隨后逐漸趨近室溫。

（2）火源功率增加，火源段隧道頂壁煙氣溫度也隨之增大，縱向火源位置、排煙口長度和排煙量對火源段隧道頂壁煙氣溫度幾乎沒有影響。

（3）通過Fan 和Ji 等建立的縱向溫度衰減模型，得到了縱向風下隧道火災頂部排煙系統內的頂壁下方無量綱煙氣溫度衰減模型。