代言明，劉鵬飛，陶維號，胡彥杰，姚 斌，王 強(qiáng)，唐 飛

（1．中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，武漢，430000；2．湖北省交通節(jié)能減排辦公室，武漢，430000；3．中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥，230026）

0 引言

近年來，出于交通現(xiàn)代化的需要，出現(xiàn)了越來越多的公路隧道。然而由于特殊環(huán)境的限制，特別是在水下環(huán)境條件下，隧道安全運(yùn)營面臨很大的挑戰(zhàn)［1］。為此，國內(nèi)外不少學(xué)者對隧道縱向通風(fēng)下的火災(zāi)特點(diǎn)和煙氣流動特性做過大量的相關(guān)研究［1－17］。其中，1993年，Bettis［7］等人進(jìn)行了全尺寸隧道火災(zāi)試驗(yàn)，試驗(yàn)得出：當(dāng)熱釋放速率較低時(shí)，臨界風(fēng)速與其1／3次方成正比；當(dāng)火災(zāi)熱釋放速率增大到一定程度，臨界風(fēng)速與其近似無關(guān)。法國的Vauquelin和Megret［8］采用1／20 的隧道模型進(jìn)行了火災(zāi)排煙測試，研究了風(fēng)機(jī)安裝位置和出口形狀對排煙效果的影響，認(rèn)為風(fēng)機(jī)安裝在隧道頂部要比安裝在側(cè)墻上的排煙效果好。在隧道火災(zāi)安全研究方面，國內(nèi)許多學(xué)者通過縮比尺寸模型實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬和全尺寸實(shí)驗(yàn)等方式開展了大量的研究，研究內(nèi)容著重于通風(fēng)控制火災(zāi)時(shí)隧道的溫度［2，9］、煙氣的流向及流速［10］、隧道火災(zāi)的消防方法和救援預(yù)案［17］等，對火災(zāi)時(shí)的火焰動態(tài)特性以及隧道火災(zāi)增長發(fā)展的規(guī)律則研究較少。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)胡［6］等人在云南做了大量全尺寸隧道火災(zāi)實(shí)驗(yàn)，研究隧道火災(zāi)溫度分布規(guī)律。此外，盧［18］研究了上海軍工路水下雙層隧道通風(fēng)排煙方案。唐［19］等運(yùn)用火災(zāi)動力學(xué)軟件研究了縱向通風(fēng)模式下南京長江隧道火災(zāi)過程中煙氣蔓延的規(guī)律。

盡管前人做了大量的隧道火災(zāi)安全研究工作，但是對于半橫向排煙模式下排煙口在火源上下游的分布對煙氣層溫度分布的影響卻研究得較少。基于此，本文利用三維流體動力學(xué)模擬仿真軟件平臺，建立三維仿真模型，研究火災(zāi)發(fā)生在隧道盾構(gòu)段典型區(qū)段時(shí)，排煙口分布對隧道內(nèi)煙氣層溫度分布的影響，為隧道火災(zāi)煙氣控制提供依據(jù)。

1 隧道概況

本文以某過江隧道為研究背景，該隧道為雙管雙層隧道，內(nèi)徑為13．3m，隧道上下層行車道側(cè)面每隔30m 設(shè)置排煙口，規(guī)格分別為：1．5m×2m 和3m×0．75 m?；馂?zāi)情況下，隧道通過控制相應(yīng)風(fēng)口的排煙風(fēng)閥，按照火災(zāi)位置開啟5個(gè)距火源最近的排煙口，將煙氣就近迅速排除，其風(fēng)流組織形式如圖1所示。

圖1 火災(zāi)位于盾構(gòu)段氣流組織圖Fig．1 Air distribution of the shield section in the fire condition

由于隧道內(nèi)空間狹長，發(fā)生火災(zāi)時(shí)往往會產(chǎn)生大量的濃煙并且含有大量CO 等劇毒物質(zhì)，同時(shí)煙氣的存在也將使能見度降低。此時(shí)火源上游的車輛通行往往受阻，由于逆流煙氣的蔓延，上游阻滯人員生命安全受到極大的威脅。下游車輛由于可以繼續(xù)駛出隧道，相對危險(xiǎn)性較低。對于采用半橫向排煙方式的隧道，如何設(shè)計(jì)排煙開口在火源上下游的分布方式，使得煙氣控制在一定的范圍內(nèi)，避免逆流煙氣對阻滯人員的安全構(gòu)成威脅至關(guān)重要。

2 模型建立

2．1 模擬軟件簡介

本文使用了火災(zāi)動力學(xué)模擬軟件FDS（版本號5．5．0）對隧道進(jìn)行建模。FDS［20］可用于求解熱浮力驅(qū)動的低馬赫數(shù)Navier－Stokes方程，對于模型中的湍流結(jié)構(gòu)一般使用大渦模擬（LES）方法，而對于火災(zāi)中的輻射熱傳導(dǎo)則通過有限容積法（Finite Volume Method）求解“灰色氣體”的輻射輸運(yùn)方程來實(shí)現(xiàn)。FDS的控制方程如下［21］：

組分方程

動量方程

能量方程

氣體狀態(tài)方程

其中的各主要參量的含義為：ρ為密度，速度項(xiàng)為u＝［u，v，w］T，T為溫度為各氣體組分產(chǎn)生率為環(huán)境作用力，τij為應(yīng)力張量為顯焓，為單位體積熱釋放速率，為液滴蒸發(fā)熱，為對流和輻射熱流。

FDS采用大渦模擬，對于大尺度的湍流運(yùn)動可以直接求解，而對于小尺度的湍流運(yùn)動，則采用Smagorinsky亞網(wǎng)格模型［22］，模型中的流體動力粘性系數(shù)表示為：

流體的導(dǎo)熱系數(shù)和物質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)分別表示為：

Smagorinsky 亞網(wǎng)格模型中，Cs為Smagorinsky常數(shù)。大渦模擬中亞網(wǎng)格模型主要取決于三個(gè)參數(shù)［23］：Cs、Sc、Pr。在本文中，這三個(gè)參數(shù)取 為0．2、0．5、0．2。

2．2 模型結(jié)構(gòu)

本文搭建了1000m 全尺寸三維隧道模型網(wǎng)格的尺寸，本文主要針對火源附近的溫度場梯度和速度場梯度變化比較大的區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密，而遠(yuǎn)離火源的區(qū)域由于溫度速度梯度變化較小則采用較大網(wǎng)格。如圖2 所示：排煙道和逃生道為0．25 m×0．25m×0．5m；行車道0．5m×0．5m×1m；且對火源上下游附近100m 范圍內(nèi)局部加密，網(wǎng)格尺寸0．25 m×0．25 m×0．25 m，根據(jù)McGrattan 等人［23］提出的網(wǎng)格計(jì)算方法，如果D＊／dx值在4 和16之間，就可以真實(shí)反映火災(zāi)場景，通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)D＊／dx＝12．7，滿足網(wǎng)格計(jì)算要求（針對20 MW火源）。

圖2 隧道模型Fig．2 Numerical model of the tunnel

2．3 火災(zāi)場景設(shè)計(jì)

在模型中部設(shè)置一個(gè)20 MW 的火源，火源附近開啟5 個(gè)開口，射流風(fēng)機(jī)提供的縱向風(fēng)速為2m／s，排煙風(fēng)量110 m3／s。該隧道火災(zāi)場景設(shè)計(jì)思路如下：

1）驗(yàn)證原設(shè)計(jì)火災(zāi)場景排煙的有效性：建立三維隧道火場模型，在模型－4．5% 坡度段布置20 MW火源，火源附近開啟5個(gè)開口，射流風(fēng)機(jī)提供的縱向風(fēng)速為2m／s，排煙風(fēng)量110m3／s；

2）研究排煙口在火源上下游分布對排煙效果的影響：逐漸增加火源上游的排煙口個(gè)數(shù)并相應(yīng)減少下游排煙口個(gè)數(shù)；

3）研究排煙口面積大小對排煙效果的影響：逐步加大排煙開口面積，研究其相應(yīng)的排煙效果；

4）研究排煙口間距大小對排煙效果的影響；

5）研究排煙口寬高比（排煙口的寬度除以高度比值）對排煙效果的影響：對于特定面積的排煙開口，變化其寬高比，觀察相應(yīng)的排煙效果。

研究工況如表1所示：

表1 設(shè)計(jì)工況匯總表Table 1 Summery of numerical simulation conditions

4 20 2 110 3×0．75 上游3個(gè)，下游2個(gè)5 20 2 110 3×0．75 上游4個(gè)，下游1個(gè)6 20 2 110 3×0．75 上游5個(gè)，下游0個(gè)研究排煙口面積大小對排煙效果的影響7 20 2 110 1×2 下游5個(gè)8 20 2 110 1×3 下游5個(gè)9 20 2 110 1×4 下游5個(gè)10 20 2 110 1×5 下游5個(gè)研究排煙口間距大小對排煙效果的影響11 20 2 110 排煙口間距10m 下游5個(gè)12 20 2 110 排煙口間距20m 下游5個(gè)13 20 2 110 排煙口間距30m 下游5個(gè)14 20 2 110 排煙口間距40m 下游5個(gè)15 20 2 110 排煙口間距50m 下游5個(gè)研究排煙口寬高比對排煙效果的影響（高×寬）16 20 2 110 0．5m×6m 下游5個(gè)17 20 2 110 1m×3m 下游5個(gè)18 20 2 110 1．5m×2m 下游5個(gè)19 20 2 110 2m×1．5m 下游5個(gè)

3 結(jié)果與分析

3．1 排煙口在火源上下游分布對排煙效果的影響

結(jié)合模型逃生口的設(shè)置以及人員逃生相關(guān)的參數(shù)，研究了各工況下起火后300s、600s和900s時(shí)刻隧道內(nèi)的溫度分布。圖3為模擬場景1～6在起火后300s、600s和900s時(shí)刻隧道內(nèi)溫度監(jiān)測面截圖。通過比較圖3中各工況模擬結(jié)果可以看出：對于功率為20 MW 的火源，縱向風(fēng)速為2m／s時(shí)，隨著火源上游開口分布個(gè)數(shù)逐步增加，火源上游超過危險(xiǎn)臨界溫度60℃的長度先相對穩(wěn)定而后逐步增長，并且煙氣沉降到隧道中間高度2／3以下的范圍也相應(yīng)增加，即意味著在一定區(qū)域范圍內(nèi)，排煙開口在火源上游分布越多，逆流煙氣速度和長度越大。而火源下游的溫度超過臨界危險(xiǎn)溫度60℃的范圍則逐步減小，但減小的幅度逐漸降低。另外，火源下游煙氣層沉降高度卻逐漸升高。這一現(xiàn)象我們將結(jié)合圖4做一定的解釋說明。由圖3還可以看出，隨著上游排煙開口個(gè)數(shù)的增加，下游排煙開口個(gè)數(shù)的相應(yīng)減少，上游煙氣層受橫向排煙風(fēng)流的擾動也越強(qiáng)烈，煙氣層不穩(wěn)定性增加。這是由于側(cè)向排煙開口的卷吸形成的誘導(dǎo)風(fēng)流作用造成的。當(dāng)上游的開口逐漸增加時(shí)，上游的排煙風(fēng)量也會逐步增大，從而形成更強(qiáng)的誘導(dǎo)風(fēng)流使得更多的煙氣更加迅速的向上游蔓延，加劇了火源上游的火災(zāi)危險(xiǎn)性，同時(shí)對上游煙氣層流動穩(wěn)定性也造成了一定的干擾。

圖4為穩(wěn)定狀態(tài)下隧道頂部中央縱向溫度分布規(guī)律。由圖4可以看出隨著火源上游排煙開口數(shù)目逐漸增加，上游排煙誘導(dǎo)風(fēng)流作用逐漸增強(qiáng)，發(fā)現(xiàn)：

1）火源下游的煙氣蔓延范圍同樣可以看出先逐漸減小，而后又逐漸趨于穩(wěn)定的規(guī)律。這是由于上游排煙開口數(shù)量增加以后，將增大上游的排煙能力，更多的煙氣受到風(fēng)流的誘導(dǎo)將會往上游運(yùn)動。但是，由于上游的排煙風(fēng)量的增加并不能完全控制下游煙氣的蔓延。因此，當(dāng)下游的排煙開口減少到一定個(gè)數(shù)之后下游的排煙能力和煙氣蔓延能力實(shí)現(xiàn)了一個(gè)相對平衡的狀態(tài)，使得下游的煙氣蔓延長度基本趨于穩(wěn)定；

圖3 各模擬場景行車道中央溫度監(jiān)測面截圖Fig．3 Temperature monitoring interface for each numerical simulation condition

圖4 穩(wěn)定狀態(tài)下隧道頂部中央縱向溫度分布規(guī)律Fig．4 Temperature distributions of the ceiling center in stable conditions

2）而火源上游煙氣逆流長度開始時(shí)變化較小，而后（火源上游2個(gè)排煙口和下游3個(gè)排煙口以后）逆流長度又逐步增大。這是由于開始時(shí)增加火源上游排煙開口雖然可以排除部分逆流煙氣，但是也對煙氣形成了一定的誘導(dǎo)運(yùn)動效果，彌補(bǔ)了上游逆流煙氣的損失。然而隨著上游開口數(shù)目的繼續(xù)增加，誘導(dǎo)效果加劇，并且一定程度上削弱了縱向風(fēng)流對逆流的抑制作用，使得上游煙氣逆流長度反而增長；

3）火源上方最高溫度逐步上升。這是由于火源上游排煙開口增加后，火源上游的排煙風(fēng)量增加，流經(jīng)火源的縱向風(fēng)量逐步減小，其對火源的冷卻作用也逐步降低，從而火源位置的溫度也逐步升高。

3．2 排煙口面積、間距和寬高比等因素對排煙效果的影響

對于其他變換排煙開口的工況（7～19），我們主要關(guān)注了煙氣在指定位置（火源上游32m，距火源最近的逃生通道位置）處煙氣沉降使得臨界危險(xiǎn)高度2m 溫度升高到臨界危險(xiǎn)溫度60℃的時(shí)間。由圖5中的模擬結(jié)果可以看出：

1）隨著排煙開口面積的逐步增大，煙氣蔓延下沉的速度先增加而后又逐步減??；

2）隨著開口間距的逐漸增大，煙氣蔓延下沉速度先增加而后又逐漸減小。根據(jù)模擬結(jié)果顯示，開口間距為30m 左右時(shí)煙氣相對較慢；

3）排煙口寬高和高度比值為0．75到3之間時(shí)，對煙氣蔓延影響較小。

4 結(jié)論

本文利用FDS建立三維數(shù)值模擬模型，發(fā)現(xiàn)對于此類型的隧道結(jié)構(gòu)，排煙開口的設(shè)置形式對隧道內(nèi)煙氣的蔓延過程有很大的影響。通過改變模型中排煙開口的分布方式、開口面積大小、開口間距和開口寬高比等關(guān)鍵因素，我們發(fā)現(xiàn)了以下規(guī)律：

圖5 其他變化排煙開口設(shè)置工況溫度分布模擬結(jié)果Fig．5 Temperature monitoring interface for other settings

（1）隨著隧道火源上游排煙開口個(gè)數(shù)逐步增加，隧道火源位置上游逆流煙氣層蔓延的速度有所增加，而下游的煙氣蔓延速度相應(yīng)減小，另外火源上游煙氣層流場受到橫向排煙風(fēng)流的擾動而變得更加不穩(wěn)定，并且下游煙氣層沉降高度也逐步減小。

（2）隨著隧道火源上游的排煙開口個(gè)數(shù)逐步增加，在隧道火源下游的煙氣蔓延長度先減小而后又基本趨于穩(wěn)定；同時(shí)，隨著隧道火源上游的排煙開口個(gè)數(shù)逐步增加，在隧道火源上游的煙氣逆流長度開始時(shí)候變化較小，而后來又逐步增加；火源位置處正上方溫度隨著火源上游的排煙開口個(gè)數(shù)逐步增加而逐漸升高。

（3）隨著排煙開口面積的逐步增大，煙氣蔓延的速度先增加而后又逐步減小；隨著開口間距的逐漸增大，煙氣蔓延速度先增加而后又逐漸減小。根據(jù)模擬結(jié)果顯示，開口間距為30 m 左右時(shí)煙氣蔓延相對較慢；排煙口寬度和高度比值為0．75到3之間時(shí)，對煙氣蔓延影響較小。

（4）通過比較本文中不同排煙開口分布方式下的火災(zāi)工況模擬結(jié)果，可以得出火災(zāi)發(fā)生在盾構(gòu)段時(shí)，宜考慮開啟火源下游附近5 個(gè)排煙口的排煙模式。

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