吳 華

(安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，安徽合肥 230088)

1 工程概況

岳西至武漢高速公路安徽段位于大別山腹地，是連接中西部地區(qū)與東南沿海的交通大通道。明堂山隧道是本段的關(guān)鍵性工程，為上下行分離式特長公路隧道，長度為2×7 568.5 m。隧道右洞采用豎井送排+射流風(fēng)機(jī)縱向式通風(fēng);隧道左洞采用全射流風(fēng)機(jī)+集中排煙通風(fēng)。

2 基本理論

隨著我國特長公路隧道的不斷增多，隧道火災(zāi)的防災(zāi)救援問題也隨之顯得越來越重要?；馂?zāi)研究的模擬方法主要分為物理模型試驗(yàn)和計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬。數(shù)值模擬結(jié)合流體動力學(xué)理論，研究隧道火災(zāi)的發(fā)展規(guī)律，模擬工況靈活多變，周期短，節(jié)約試驗(yàn)成本。

本文以流體動力學(xué)、傳熱學(xué)為通風(fēng)理論基礎(chǔ)，將通風(fēng)流體的運(yùn)動簡化為一維理想流體連續(xù)運(yùn)動。假定隧道洞內(nèi)流體為連續(xù)介質(zhì)、無粘性且不可壓縮，同時在火災(zāi)發(fā)生時，內(nèi)部流體除遵守三大基本守恒定律之外，還應(yīng)遵守組分守恒定律。通過計(jì)算流體軟件，采用k—ε湍流模型和Boussinesq假設(shè)，研究在各種通風(fēng)控制工況下溫度場的分布擴(kuò)散及控制效果。

3 數(shù)值模擬與分析

本文運(yùn)用計(jì)算流體動力學(xué)軟件PHOENICS，著重對明堂山隧道左線集中排煙系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬，PHOENICS作為世界上最早的計(jì)算流體與計(jì)算傳熱學(xué)軟件，內(nèi)置多種湍流模型，同時最大限度開放程序，便于用戶修改程序和函數(shù)，可以對穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)的可壓縮或不可壓縮流模擬流體流動、傳熱、化學(xué)反應(yīng)及相關(guān)現(xiàn)象。

3.1 模型的建立

1)幾何尺寸。

明堂山隧道左線排煙口位于隧道中部，距附近兩側(cè)人行橫洞距離均為140 m。本文選取該區(qū)段(280 m)作為計(jì)算區(qū)域。隧道橫斷面面積為65.18 m2。為簡化計(jì)算對坡度統(tǒng)一取為平坡，坡度對于溫度場的影響將在重力加速度的取值上加以考慮。

2)邊界條件。

隧道結(jié)構(gòu)壁面函數(shù)采用對數(shù)壁面律，粗糙度取為0.022，壁面速度為0 m/s，同時，隧道結(jié)構(gòu)壁面假定為絕緣體，考慮到火災(zāi)發(fā)生時，火源高溫以熱輻射形式將熱量傳遞給隧道壁面襯砌，根據(jù)相關(guān)資料及計(jì)算經(jīng)驗(yàn)，將火源能量按30%進(jìn)行折減。

火災(zāi)上游截面洞口視為通風(fēng)入口，即Z=0處平面，設(shè)置為進(jìn)口邊界條件(INLET屬性)，溫度t=20℃;入口平面沿Z軸正方向延伸280 m，取Z=280截面處作為隧道出口，設(shè)置為出口邊界條件(OUTLET屬性)。隧道整體模型見圖1。

3)火源參數(shù)。

模擬時，假設(shè)火源尺寸為4 m×2 m×1.5 m(長×寬×高)，火源中心位于Z=40 m處，忽略燃燒時所發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)。雖然隧道中發(fā)生大型火災(zāi)的幾率較低，但考慮其造成的危害最為嚴(yán)重，因此數(shù)值模型的火災(zāi)規(guī)模取為20 MW(相當(dāng)于一輛載重大卡車著火的熱量功率)?；馂?zāi)采用RABT溫升曲線。

圖1 隧道整體模型圖

4)分析工況。

考慮火災(zāi)工況下不同的風(fēng)機(jī)控制模式，模擬了僅開啟射流風(fēng)機(jī)、僅開啟排煙通道和射流風(fēng)機(jī)、排煙通道均開啟三種主要工況。射流風(fēng)機(jī)提供的縱向風(fēng)速按 1.0 m/s，2.5 m/s，3.0 m/s，4.0 m/s取值，對應(yīng)的排煙通道排風(fēng)量按送排流量比φ考慮，送排流量比φ(送風(fēng)量與排風(fēng)量的比值)取值分別為 2.0，1.25，1.0，0.75。

3.2 模擬結(jié)果與分析

隧道發(fā)生火災(zāi)后，洞內(nèi)溫度有一個急劇增長的過程，一般在起火后3 min～8 min內(nèi)，溫度即可達(dá)到最高。這就要求隧道內(nèi)具備完善的監(jiān)控監(jiān)測系統(tǒng)，對火災(zāi)進(jìn)行及時快速的響應(yīng)。在火災(zāi)尚未充分發(fā)展時，通過控制通風(fēng)模式，將火災(zāi)對遇險(xiǎn)人員及隧道的損害降至最低。下面分三種通風(fēng)控制模式對火災(zāi)的控制效果進(jìn)行數(shù)值模擬。

1)僅開啟射流風(fēng)機(jī)模擬結(jié)果。在火災(zāi)發(fā)生后，若著火點(diǎn)距排煙口較遠(yuǎn)時，可考慮優(yōu)先開啟射流風(fēng)機(jī)排煙。射流風(fēng)機(jī)提供的洞內(nèi)風(fēng)速分別按 1.0 m/s，2.5 m/s，3.0 m/s，4.0 m/s四種工況進(jìn)行數(shù)值模擬(見圖2)。觀察6 min之后隧道洞內(nèi)的煙流擴(kuò)散情況。

由圖2可知，當(dāng)射流風(fēng)機(jī)提供的風(fēng)速v=1.0 m/s時，通風(fēng)量不足，煙流向上游擴(kuò)散，產(chǎn)生了較為明顯的回流現(xiàn)象，消防人員難以從上游接近火點(diǎn)，不利于消防救援;而當(dāng)風(fēng)速為4.0 m/s時，風(fēng)速過大，破壞了煙流在下游的分層擴(kuò)散，致使煙霧過早的充滿隧道，不利于人員的快速逃生。

因此，根據(jù)不同的火災(zāi)規(guī)模，合理控制縱向風(fēng)速，避免產(chǎn)生回流現(xiàn)象，同時，盡可能的延長煙霧在隧道拱部的貼附時間，為人員逃生爭取時間，對救援防災(zāi)具有非常重要的意義。

2)僅開啟排煙通道模擬結(jié)果。在火災(zāi)發(fā)生后，若著火點(diǎn)距離射流風(fēng)機(jī)較遠(yuǎn)，而距離排煙口較近時，可考慮優(yōu)先開啟排煙通道。

排煙口風(fēng)速分別取5.0 m/s，11.0 m/s，14.0 m/s，17.0 m/s四種工況進(jìn)行數(shù)值模擬(見圖3)。觀察6 min之后隧道洞內(nèi)的煙流擴(kuò)散情況。由圖3可知，排煙口風(fēng)速越大，隧道洞內(nèi)煙氣越少，6 min內(nèi)，基本沒有發(fā)生煙霧充滿整個隧道的現(xiàn)象;在排煙口位置，受到排煙通道的抽吸作用及煙流的縱向擴(kuò)散作用，氣流在該處產(chǎn)生渦旋，使隧道底部風(fēng)速較小。總體來說，火災(zāi)下游煙霧抽排效果較好，在排煙口以后的隧道段落受煙流影響較小;而火災(zāi)上游風(fēng)速較小，大部分煙氣繼續(xù)向上游蔓延，回流現(xiàn)象較嚴(yán)重。此時，需盡量提高排煙通道風(fēng)速。

圖2 射流風(fēng)機(jī)排煙溫度場擴(kuò)散效果

圖3 排煙通道集中排煙溫度場擴(kuò)散效果

3)同時開啟射流風(fēng)機(jī)和排煙通道模擬結(jié)果。在火災(zāi)發(fā)生后，隧道射流風(fēng)機(jī)和排煙通道均開啟，考慮到當(dāng)縱向風(fēng)速過小或過大時，對火災(zāi)煙流均得不到較好的控制，本次模擬射流風(fēng)機(jī)提供的縱向風(fēng)速分別按2.5 m/s，3.0 m/s取值，排煙口排風(fēng)量按送排流量比 φ 考慮(φ =Q送/Q排，取值分別為 2.0，1.25，1，0.75)。觀察6 min之后隧道洞內(nèi)的煙流擴(kuò)散情況(見圖4，圖5)。

圖4 組合排煙（v=2.5 m/s）溫度場擴(kuò)散效果

由圖5可知，風(fēng)機(jī)開啟的風(fēng)速越大，停留在隧道內(nèi)的煙氣就越少;排煙口位置隧道底部的風(fēng)速較小，頂部受斜井風(fēng)機(jī)抽吸和主洞射流風(fēng)機(jī)推壓共同作用風(fēng)速較大，無明顯渦旋現(xiàn)象產(chǎn)生。由于火災(zāi)過程本身是一個隨時間而不斷變化的動態(tài)過程，燃燒溫度、煙氣壓力、通風(fēng)阻力等也是動態(tài)變化的，從而導(dǎo)致隧道內(nèi)的風(fēng)流狀態(tài)非常復(fù)雜。

圖5 組合排煙（v=3.0 m/s）溫度場擴(kuò)散效果

通過比較分析，采用射流風(fēng)機(jī)縱向通風(fēng)與排煙口集中排煙的組合通風(fēng)模式，整體效果比單獨(dú)采用一種方式好。主洞射流風(fēng)機(jī)提供風(fēng)速應(yīng)控制在臨界風(fēng)速附近，盡量減小回流，且保證煙氣分層貼附擴(kuò)散，同時增大排煙口風(fēng)量，減少煙流繼續(xù)向前擴(kuò)散，為人員逃生爭取時間，為火災(zāi)救援創(chuàng)造條件。

4 結(jié)語

由上述各工況數(shù)值模擬結(jié)果可以看出，在隧道火災(zāi)發(fā)生后，洞內(nèi)溫度在很短的時間內(nèi)急劇上升，火災(zāi)高溫?zé)煔鈴幕鹪次恢孟騼蓚?cè)呈流束狀沿隧道縱向擴(kuò)散，在洞內(nèi)縱向風(fēng)速的控制下，煙霧呈分層貼附擴(kuò)散現(xiàn)象，隨著其逐漸遠(yuǎn)離火點(diǎn)，這種分層現(xiàn)象逐漸削弱以致消失，最終幾乎充滿整個隧道。

本文通過模擬明堂山隧道左線火災(zāi)工況下三種不同的通風(fēng)排煙方案，分析了洞內(nèi)高溫?zé)煔獾臄U(kuò)散過程。在僅開啟射流風(fēng)機(jī)時，煙霧擴(kuò)散距離較遠(yuǎn)，臨界風(fēng)速為2.5 m/s～3.0 m/s;在僅開啟排煙通道時，在一定程度上抑制了火災(zāi)繼續(xù)向下游蔓延，但高溫?zé)煔饣亓鬏^嚴(yán)重，且火點(diǎn)至排煙口范圍內(nèi)，形成了大范圍、高溫高濃度的煙霧區(qū)，對人員緊急逃生和火災(zāi)救援極為不利;綜合考慮以上兩種方案，同時開啟射流風(fēng)機(jī)和排煙通道，將火災(zāi)危害控制在相對較小范圍內(nèi)，通過控制射流風(fēng)機(jī)風(fēng)速，使煙流擴(kuò)散分層貼附，為人員逃生及救援創(chuàng)造條件。

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