邢艷軍，楊 暉，孫大會

（北京建筑工程學(xué)院 環(huán)境與能源工程學(xué)院，北京 100044）

1 引言

火災(zāi)導(dǎo)致人員傷亡慘重的一個(gè)主要原因是煙氣未能及時(shí)排出造成人員窒息。而隧道由于其特殊的管狀封閉空間，火災(zāi)往往伴隨著高溫、煙氣難以及時(shí)排除、能見度低，造成逃生困難以及短時(shí)間內(nèi)外部救援很難到達(dá)現(xiàn)場開展施救工作。因此，對隧道煙氣進(jìn)行有效的控制就顯得尤為重要。

那艷玲［1］用CFD方法模擬了幾種火災(zāi)狀況下的溫度場和氣流場，分析了火災(zāi)發(fā)生位置和排煙量對車站流場的影響，并用鹽水實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了數(shù)值模擬研究。鐘靈杰［2］依據(jù)美國國家防火協(xié)會的建筑防火性能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，模擬了臺北地鐵站臺發(fā)生人為縱火情況下的溫度分布與煙氣擴(kuò)散情況，并與SES的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對比分析，得出了地鐵排煙系統(tǒng)只有采用CFD方法才能真正達(dá)到性能防火設(shè)計(jì)要求的結(jié)論。Vauquelin等學(xué)者采用1／20縮尺模型，選擇輕質(zhì)氣體模擬熱煙氣，研究水平隧道內(nèi)的煙氣運(yùn)動，得到火災(zāi)熱釋放率（HRR）、煙氣擴(kuò)散距離與排煙風(fēng)速的變化關(guān)系，并進(jìn)一步指出排煙風(fēng)速是衡量系統(tǒng)排煙效果的重要指標(biāo)［3，4］。徐琳、張旭［5］結(jié)合某集中排煙隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)，通過CFD模擬，分析了排煙風(fēng)口形狀、風(fēng)口間距對煙氣控制效果的影響，結(jié)果表明:排風(fēng)誘導(dǎo)風(fēng)速隨著排煙口下游煙氣擴(kuò)散范圍的縮小而增大；煙氣擴(kuò)散距離一定時(shí)，排煙風(fēng)口形狀由正方形變?yōu)闄M向矩形時(shí)可以降低排風(fēng)誘導(dǎo)風(fēng)速。王軍［6］等人借助CFD技術(shù)分析了縱向風(fēng)速和排煙風(fēng)量對隧道排煙系統(tǒng)排煙風(fēng)口流量分配特性的影響，結(jié)果表明:排煙風(fēng)口的排煙能力依賴于縱向風(fēng)速和排煙風(fēng)量的合理匹配。

數(shù)值分析方法進(jìn)行模擬研究能夠?qū)Ω鞣N復(fù)雜條件下的隧道火災(zāi)進(jìn)行模擬，不但可以減少成本，還可以得到許多珍貴的數(shù)據(jù)。另外，CFD模擬還可以為隧道火災(zāi)的實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)提供參考。目前，數(shù)值模擬的方法已經(jīng)廣泛應(yīng)用于對隧道火災(zāi)的研究。

本文用CFD模擬方法對HRR和火源與排煙口的間距L對隧道發(fā)生火災(zāi)時(shí)排煙量的影響進(jìn)行了研究；同時(shí)對隧道發(fā)生火災(zāi)時(shí)人員的安全疏散范圍進(jìn)行了研究。

2 數(shù)值模擬

2.1 幾何模型

本文以1／20的模型隧道為原型建立了數(shù)值模擬的幾何模型如圖1所示，其長、寬和高分別為10m、0.4m和0.4m，火源為直徑200mm的圓形，位于隧道底面幾何中心位置，圓形排煙口及排煙風(fēng)道位于隧道頂部。

圖1 物理模型

2.2 數(shù)學(xué)模型

火災(zāi)時(shí)隧道中煙氣流動狀況符合流動和傳熱的基本規(guī)律，由于隧道采用了機(jī)械排煙，Re數(shù)范圍為1.73×104～2.46×106，因此流動狀態(tài)為紊流，計(jì)算采用了帶有浮力修正的k－ε方程，流動與傳熱問題的控制方程都可以表達(dá)為統(tǒng)一的形式（表1），即通用控制方程［7］:

ηeff為有效粘滯系數(shù)；ηt為湍流脈動粘滯系數(shù)；η為動力粘滯系數(shù)；β、ν、ρ、P、T 分別為流體熱膨脹系數(shù)、運(yùn)動粘度、密度、壓力、溫度；ρref為流體相對密度；CD為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；cp為定壓比熱容；g，重力加速度；k為湍流動能；ε為湍流動能耗散率。方程中其他系數(shù)的取值見表2。

表1 通用方程組參數(shù)項(xiàng)

表2 k－ε模型中系數(shù)的取值

2.3 網(wǎng)格劃分及求解工況

采用CFX－ICEM對模型進(jìn)行“O網(wǎng)格”劃分，網(wǎng)格數(shù)量控制在40～45萬間，如圖2。將模型轉(zhuǎn)換，導(dǎo)入CFX中迭代求解，殘差控制在10～5內(nèi)。計(jì)算采用試算方法，逐漸增加排煙風(fēng)量，直至煙氣被完全控制在排煙口和火源之間，即達(dá)到煙氣得到控制時(shí)的臨界排煙量Qpc。邊界條件定義為:火源為面熱源，根據(jù)模擬工況確定熱流密度；隧道兩端給出壓力邊界條件，相對壓力為0；排煙管出口定義為流量邊界。模擬過程中忽略壁面熱損失，將壁面簡化為絕熱壁面。

圖2 模型的網(wǎng)格劃分

在交通隧道火災(zāi)中，大部分都是隧道內(nèi)的車輛著火，不同車型的火災(zāi)熱釋放強(qiáng)度不同。目前在隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)中，隧道火災(zāi)強(qiáng)度主要取決于車載可燃物類型及其數(shù)量、車內(nèi)裝修和車載燃油量類型和數(shù)量等。目前，我國尚未對車輛火源強(qiáng)度做出明確規(guī)定，只有上海參照有關(guān)資料給出了已建隧道內(nèi)車輛火源強(qiáng)度的建議值；一般參照美國國家防火協(xié)會502標(biāo)準(zhǔn)、國際道路學(xué)會建議值（PIARC，C5，1999）和根據(jù)通行車輛的種類來確定火災(zāi)規(guī)模［8］。例如轎車的最大 HRR為（3～5）MW、火車車廂的最大 HRR為（15～20）MW［9］。但研究［10］表明，在隧道封閉環(huán)境內(nèi)，火災(zāi)熱釋放強(qiáng)度受環(huán)境條件、隧道斷面大小、通風(fēng)方式等影響，應(yīng)適當(dāng)考慮其增大系數(shù)。公路隧道火災(zāi)情況不盡相同，有可能是一輛車著火，或是多輛車相撞著火。本文模擬采用小尺寸模型，按與實(shí)際隧道尺寸相似比為1:20進(jìn)行換算，本文模擬的相當(dāng)于實(shí)際火災(zāi)強(qiáng)度為（3.5～22）MW，具體對應(yīng)關(guān)系如表3。

表3 模型所用的HRR與對應(yīng)的原型HRR

本文對排煙口與火源間3種不同的間距L，即L1、L2、L3分別為1.5m、2.5m和3.5m，模擬了2kW、4kW、6kW、8kW、10kW和12kW 6種不同HRR下的煙氣運(yùn)動情況，得到了煙氣被控制時(shí)的臨界排煙量Qpc，模擬工況及模擬結(jié)果見表4。

表4 模擬工況及模擬結(jié)果

3 模擬結(jié)果分析

本文所定義的達(dá)到的煙氣控制效果指在一定排煙量下，火源產(chǎn)生的熱煙氣以一定角度偏離火源上方上升至頂棚處后大部分煙氣經(jīng)排煙口排出，少部分煙氣向BA方向流動，但逆流煙氣的前鋒位置在豎直方向上與火源過B點(diǎn)的垂直斷面平齊，即為煙氣得到控制的臨界狀態(tài)，此時(shí)排煙量為Qpc，即為臨界排煙量。為了便于研究，將模型分為5段，其中BC段為火源，DE段為排煙口（圖3）。

圖3 模型簡化示意

從表4中可以得知:臨界排煙量隨著排煙口中心與火源中心間距離的增大而增大。臨界狀態(tài)下，L1時(shí)的排煙量Qpc比L2時(shí)可節(jié)省大約10.5%，比L3時(shí)可節(jié)省22%，這就意味著風(fēng)機(jī)風(fēng)量、設(shè)備投資和運(yùn)行費(fèi)用的減少，有較好的經(jīng)濟(jì)效益。因此在隧道發(fā)生火災(zāi)時(shí)應(yīng)當(dāng)就近開啟排煙口排煙。由表4還可以看出:當(dāng)火源與排煙風(fēng)口間距離一定時(shí)，臨界狀態(tài)下的排煙量Qpc隨HRR的增大而增大。

圖4 不同模擬條件下ZX平面的溫度分布（Y＝0.2m）

以HRR為4kW時(shí)的工況為例具體分析煙氣溫度分布特性。不同L時(shí)在臨界排煙量下火源中心與排煙口間的溫度分布如圖4所示。

圖4－1是時(shí)間為2500s時(shí)的煙氣溫度分布。由圖可以看出:無機(jī)械排煙時(shí)，火源產(chǎn)生的煙氣隨著時(shí)間的推移逐漸向隧道兩端呈對稱狀擴(kuò)散，直到充滿整個(gè)隧道。AB段距火源1m處煙氣最高溫度達(dá)到598K，EF段距火源2m處煙氣最高溫度達(dá)到523K。圖4－2、4－3、4－4分別是火源與排煙口間距為L1、L2、L3時(shí)，臨界排煙量下火源與排煙口間的溫度分布。與無機(jī)械排煙時(shí)的溫度分布明顯不同:AB、EF段沒有煙氣，溫度值約為298K左右；煙氣主要集中在CD段，CD段的煙氣有明顯的溫度分層。在AB段和EF段，火源與排煙口間的不同距離均能保證人員的安全疏散。

對于CD段的滯留人員，具體分析其中的煙氣情況。我國《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》（GB50016－2006）對于人員安全疏散時(shí)的環(huán)境溫度規(guī)定人在疏散時(shí)能承受的最高空氣溫度不超過353K。本文以人員疏散時(shí)的安全環(huán)境溫度為333K，即疏散通道從地面起2m的逃生空間內(nèi)，空氣溫度不超過333K。圖5是不同HRR條件下，不同L時(shí)，Z＝0.1m（折算到實(shí)際隧道中為2m）與Y＝0.2m兩平面的交線上的溫度分布，圖中以T＝333K的等溫線，作為劃分人員疏散時(shí)安全溫度的界線。

圖5 臨界排煙量下Z＝0.1m和Y＝0.2m平面交線上的溫度分布。

圖中X軸是隧道長度的不同坐標(biāo)，火源在X＝（4.9－5.1）m處；L1時(shí)排煙口位置為 X＝（6.4－6.6）m；L2時(shí)排煙口位置在X＝（7.4－7.6）m；L3時(shí)排煙口位置是X＝（8.4－8.6）m。圖中可以看出:不同L時(shí)溫度急劇上升的位置大約在X＝5.3m左右，而不是火源的邊界線上方；不同L時(shí)的溫度線再次達(dá)到299K時(shí)的位置均在排煙口處，從而保證了AB段和EF段人員的安全疏散。不同L時(shí)溫度最大值集中在X＝（5.5－6.0）m。當(dāng)環(huán)境溫度小于333K時(shí)人員可以安全疏散。由于模擬所做的是穩(wěn)態(tài)情況，暫不考慮人員逃逸的安全時(shí)間。

不同L時(shí)，T≥333K的區(qū)間互有交叉，且區(qū)間長度相差很小。臨界狀態(tài)下，同一HRR下不同的L對人員安全疏散的區(qū)間影響很小，需要進(jìn)一步的分析和研究。

4 結(jié)語

本文主要研究了排煙口與火源間的距離L對臨界排煙量的影響和不同HRR情況下，臨界排煙量的變化情況，在本文的試驗(yàn)工況下和HRR范圍內(nèi)得出以下結(jié)論:

（1）臨界排煙量隨著HRR的增大、排煙口中心與火源中心間距離的增大而增大。

（2）在相同HRR情況下，對比不同L時(shí)達(dá)到煙氣控制效果所需要的排煙量:火源與排煙口的間距為L1時(shí)，所需要的排煙量最小，比L2時(shí)節(jié)省約10.5%，比L3時(shí)節(jié)省約22%。

（3）在臨界狀態(tài)和相同HRR下，不同L對人員安全疏散區(qū)間影響很小，需要進(jìn)一步進(jìn)行分析研究。

［1］那艷玲.地鐵車站通風(fēng)與火災(zāi)的CFD仿真模擬與實(shí)驗(yàn)研究［D］.天津:天津大學(xué)，2003.

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