蘇義成 韓歐 茍立

西安建筑科技大學(xué)建筑設(shè)備科學(xué)與工程學(xué)院

0 引言

火災(zāi)煙氣對(duì)隧道人員逃生會(huì)產(chǎn)生巨大危害，因此國(guó)內(nèi)外學(xué)者[1-3]針對(duì)隧道火災(zāi)煙氣控制進(jìn)行了大量的研究，從而提出了現(xiàn)今流行的五種隧道通風(fēng)系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)隧道通風(fēng)原理圖

當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，用于逃生的隧道空間其實(shí)是隧道的下部2 m 以下的逃生空間，并不是整個(gè)隧道空間。因此只需要保證隧道下部空間，甚至是下部空間的局部是清潔干凈的[4]。因此，本文提供了一種水平垂直送風(fēng)相結(jié)合的呼吸區(qū)對(duì)撞送風(fēng)隧道火災(zāi)逃生系統(tǒng)HVES（A horizontal and vertical combination of breathing zone collision air tunnel fire evacuation system）。這種通風(fēng)系統(tǒng)從本質(zhì)上講是一種具有局部個(gè)性化送風(fēng)的通風(fēng)系統(tǒng)，能夠提供一個(gè)干凈、無(wú)煙、安全的隧道邊部疏散逃生通道[5-6]。

1 模型構(gòu)建與參數(shù)設(shè)置

1.1 模型構(gòu)建

一種水平垂直送風(fēng)相結(jié)合的呼吸區(qū)對(duì)撞送風(fēng)隧道火災(zāi)逃生系統(tǒng)（HVES），包括靜壓箱，送風(fēng)風(fēng)管和風(fēng)口。靜壓箱的上端設(shè)置有第一噴口，出風(fēng)朝向?yàn)樗椒较?，向人員呼吸區(qū)送風(fēng)，保證逃生人員的新風(fēng)需求。靜壓箱靠近隧道內(nèi)水平設(shè)置有第二噴口，出風(fēng)朝向?yàn)樨Q直向下，在人員逃生區(qū)域形成正壓，將偶然脈動(dòng)進(jìn)入的熱煙氣擠出逃生通道。第二噴口與第一噴口的出風(fēng)朝向垂直，如圖2 所示[7]。

圖2 HVES 剖面結(jié)構(gòu)圖示意

本設(shè)計(jì)所述第一噴口上下邊沿所處的高度分別為2.0 m 和2.5 m，噴口的寬度為0.5 m，第一噴口位于隧道壁面上。第二噴口為水平方向，其寬度為0.5 m，高度為2.5 m。為了簡(jiǎn)化模型，選取隧道公共行車空間作為對(duì)象，依據(jù)FDS 建立一條矩形隧道，隧道的尺寸選取為200 m（長(zhǎng)）×14 m（寬）×5 m（高），其邊部安裝了HVES 系統(tǒng)，隧道底部和頂部安裝了送風(fēng)口和排風(fēng)口，風(fēng)口面積為2 m×2 m，見(jiàn)圖3。模型隧道能完全實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)五種隧道通風(fēng)方式的模擬，從而比較不同隧道火災(zāi)通風(fēng)方式的效果。

圖3 模型隧道結(jié)構(gòu)示意

1.2 模型設(shè)置

火災(zāi)流動(dòng)數(shù)值模擬中涉及的條件主要包括：火源熱釋放率、火源模型選擇、進(jìn)出口邊界條件、安全疏散特征時(shí)間等。

1）在模擬隧道火災(zāi)中，火源邊界條件是重要參數(shù)。一般數(shù)值模擬火源功率采用火源燃料的質(zhì)量流量損失來(lái)計(jì)算，根據(jù)燃料質(zhì)量損失曲線和熱釋放率關(guān)系可表示為：

式中：Q 為熱釋放率，kW；mf質(zhì)量損失速率，kg/s；hc為燃料熱值，J/kg；β 為燃燒效率。

表1 隧道車輛火災(zāi)最大熱釋放率

我國(guó)現(xiàn)執(zhí)行的《道路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[8]中依據(jù)隧道交通功能，交通量以及交通組織情況等，給定了隧道中火災(zāi)最大熱釋放率應(yīng)該按表1 確定。根據(jù)以上規(guī)定，本文模擬中采用火災(zāi)規(guī)模范圍為中型火災(zāi)5～35 MW。

2）火災(zāi)模型分為穩(wěn)態(tài)火災(zāi)和非穩(wěn)態(tài)火災(zāi)?；鹪吹臒後尫怕什浑S時(shí)間變化的是穩(wěn)態(tài)火災(zāi)。熱釋放率隨時(shí)間不斷變化的火災(zāi)為非穩(wěn)態(tài)火災(zāi)。本文采用非穩(wěn)態(tài)火。根據(jù)火災(zāi)增長(zhǎng)系數(shù)的不同，美國(guó)NFPA 規(guī)范定義了4 種火源類型，見(jiàn)表2。本文采用的火源是汽油屬于油池火。

表2 t2 火源火災(zāi)功率增長(zhǎng)系數(shù)表

在火災(zāi)設(shè)計(jì)時(shí)，常常不考慮陰燃階段，因此火災(zāi)增長(zhǎng)模型可以簡(jiǎn)化為[9]：

式中：Q 為火災(zāi)功率，kW；a 為火災(zāi)增長(zhǎng)系數(shù)，kW/s2；t為著火的時(shí)間，s；t1則為達(dá)到最大火源熱釋放率的時(shí)間，s。

3）隧道縱向通風(fēng)進(jìn)口為速度邊界，出口邊界條件與其他通風(fēng)模式相同，隧道流場(chǎng)出口邊界由連續(xù)性條件確定，最常用的出口邊界為自然通風(fēng)“Open”邊界即為沿流動(dòng)方向各流動(dòng)參數(shù)的導(dǎo)數(shù)為零。隧道內(nèi)空氣初始溫度，各固體表面的初始溫度以及環(huán)境溫度均為20 ℃。

4）在我國(guó)現(xiàn)執(zhí)行的《道路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定，隧道內(nèi)乘行人員的安全疏散時(shí)間不宜小于15 min，因此選取模擬時(shí)間為900 s[8]。

1.3 模擬驗(yàn)證

為了驗(yàn)證FDS 軟件對(duì)模擬效果的可靠性，本文將將沿隧道進(jìn)深方向的火災(zāi)煙氣溫度，CO 濃度與Lee（2006）[10-11]，Hu（2006）[12-13]實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如圖4。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬計(jì)算的預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的吻合性比較好，證明了本文研究數(shù)值模擬方法與預(yù)測(cè)結(jié)果正確性和合理性。

圖4 模擬值與經(jīng)典實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

2 結(jié)果與討論

2.1 不同通風(fēng)系統(tǒng)效果分析

為了分析HVES 與傳統(tǒng)五種通風(fēng)模式（均有水平擋煙板）的煙氣控制效果，針對(duì)不同通風(fēng)系統(tǒng)，各個(gè)通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)置如下：

工況一：HVES，第一噴口為0.8 m/s，第二噴口為0.2 m/s，橫截面1 與橫截面2 均為自由出流。

工況二：自然通風(fēng)，橫截面1 與橫截面2 均為自由出流。

工況三：縱向通風(fēng)，橫截面1 為2.0 m/s，橫截面2為自由出流。

工況四：排風(fēng)式橫向通風(fēng)，排風(fēng)口為4.0 m/s，橫截面1 與橫截面2 均為自由出流。

工況五：送風(fēng)式橫向通風(fēng)，送風(fēng)口為4.0 m/s，橫截面1 與橫截面2 均為自由出流。

工況六：全橫向通風(fēng)，送風(fēng)口、排風(fēng)口均為4.0 m/s，橫截面1 與橫截面2 均為自由出流。

當(dāng)HRR 為35 MW 時(shí)，采用HVES 后逃生通道內(nèi)近火源點(diǎn)能見(jiàn)度均值明顯比采用其他傳統(tǒng)系統(tǒng)的能見(jiàn)度值高。采用HVES 后的隧道邊部能見(jiàn)度降低率是自然通風(fēng)系統(tǒng)后的8.35%，是采用縱向通風(fēng)系統(tǒng)后能見(jiàn)度降低率的4.37%，是采用排風(fēng)型半橫向通風(fēng)系統(tǒng)后能見(jiàn)度降低率的7.27%，是采用送風(fēng)型半橫向通風(fēng)系統(tǒng)后能見(jiàn)度降低率的4.72%，是采用全橫向通風(fēng)系統(tǒng)后能見(jiàn)度降低率的8.49%，見(jiàn)圖5（a）。采用不同通風(fēng)模式逃生通道內(nèi)近火源溫度是不斷上升的，見(jiàn)圖5（b），除工況三外，HVES 系統(tǒng)邊部逃生通道內(nèi)整體溫度低于其他的通風(fēng)模式，而縱向通風(fēng)無(wú)法控制隧道下游區(qū)的火災(zāi)煙氣，清潔干凈的空氣從隧道一端流入，流經(jīng)火源帶走火源產(chǎn)生的火災(zāi)煙氣，然后從隧道的另一端流出，這就使得流經(jīng)火源的空氣必然和煙氣充分混合，下游區(qū)充滿煙氣，人員只能從上游疏散，這是不利于隧道火災(zāi)人員疏散逃生的。圖5（c）給出了CO 濃度變化趨勢(shì)，工況二是自然通風(fēng)，煙氣的流動(dòng)動(dòng)力是煙氣本身的浮升力向上運(yùn)動(dòng)并在頂棚形成射流，沒(méi)有機(jī)械通風(fēng)的擾動(dòng)，所以2 m 高度處的測(cè)點(diǎn)CO 濃度較低。工況四是由于半橫向排煙風(fēng)機(jī)的抽吸作用降低了CO 濃度，工況三、五和六機(jī)械通風(fēng)模式不利于人員逃生。

圖5 不同通風(fēng)系統(tǒng)邊部通道近火源點(diǎn)參數(shù)對(duì)比

HVES 能夠營(yíng)造一個(gè)非常明顯的無(wú)煙氣的邊部逃生通道。相比于其他傳統(tǒng)隧道通風(fēng)系統(tǒng)，應(yīng)用HVES后隧道內(nèi)的煙氣主要集中在上部空間，而3 m 以下空間整體保持15 m 以上的能見(jiàn)度，邊部逃生方向僅有少量高溫?zé)煔獾倪M(jìn)入，能見(jiàn)度保持在30 m 左右。邊部的逃生系統(tǒng)通道的溫度場(chǎng)和CO 濃度場(chǎng)比傳統(tǒng)的五種通風(fēng)方式更低，見(jiàn)圖6～8，邊部通道內(nèi)的整體溫度保持在60 ℃以下，僅在近火源點(diǎn)局部小范圍內(nèi)升高達(dá)到117 ℃。另外CO 濃度整體保持在10 ppm 以下。

圖6 不同通風(fēng)系統(tǒng)下隧道能見(jiàn)度等值線（y=-6.5 m、x=10 m）

圖7 不同通風(fēng)系統(tǒng)下隧道溫度等值線（y=-6.5 m、x=10 m）

雖然傳統(tǒng)通風(fēng)系統(tǒng)降低了隧道內(nèi)火災(zāi)煙氣的平均濃度，提高逃生通道內(nèi)的能見(jiàn)度，降低了隧道的溫度和CO 濃度，為人員逃生提供了疏散途徑，但是傳統(tǒng)通風(fēng)系統(tǒng)作用的是整個(gè)隧道，隧道下部空間仍然具有較高的煙氣濃度，這非常不利于人員的逃生。而HVES是專門針對(duì)隧道的下邊部局部空間設(shè)計(jì)的，其主旨就是通過(guò)送風(fēng)形成一個(gè)干凈清潔的空氣隔煙通道，而不是僅僅去排除隧道內(nèi)的煙氣，所以HVES 相對(duì)于傳統(tǒng)系統(tǒng)更有利于人員進(jìn)行疏散。

2.2 HVES 噴口風(fēng)速比的優(yōu)化

為了獲得兩噴口送風(fēng)速度的最優(yōu)速度比，本文模擬實(shí)驗(yàn)了不同的送風(fēng)比率。第一噴口速度V1從0 m/s遞增為1 m/s，第二噴口速度V2從1 m/s 遞減為0 m/s?；鹪垂β示鶠?5 MW，火源高度Z=1 m。

第一噴口V1與第二噴口V2是不同的，安裝在側(cè)墻上的呼吸區(qū)送風(fēng)噴口V1是用來(lái)保證呼吸區(qū)新鮮空氣的，而安裝擋煙板下的送風(fēng)噴口V2是用來(lái)保證通道內(nèi)正壓并排除由于脈動(dòng)性進(jìn)入的部分煙氣。因此第一及第二噴口的送風(fēng)速度應(yīng)該是不同的，當(dāng)V1:V2=0.7:0.3=2.33 時(shí)，是逃生通道內(nèi)近火源點(diǎn)處能見(jiàn)度，CO 濃度和溫度的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，隨著V1增大V2減小，逃生通道內(nèi)能見(jiàn)度均值保持在29 m，CO 濃度均值下降到10 ppm以下，溫度均值下降到90 ℃以下，見(jiàn)圖9。但是無(wú)論V1與V2噴口送風(fēng)風(fēng)速的比值為多少，逃生通道內(nèi)的能見(jiàn)度，CO 濃度以及溫度值均能滿足人員逃生要求。

圖9 噴口送風(fēng)風(fēng)速優(yōu)化

2.3 火源高度對(duì)HVES 的影響

隧道內(nèi)火災(zāi)發(fā)生高度是影響煙氣流動(dòng)擴(kuò)散的一個(gè)重要因素，考慮隧道內(nèi)主要是車輛通行后由于某些原因車輛底部，車身以及車頂發(fā)生火災(zāi)，因此本文火源高度設(shè)置了四種工況（Z=0 m、Z=1 m、Z=2 m 與Z=3 m），火源功率均為35 MW，火源設(shè)置在隧道正中間，且HVES 中噴口V1與噴口V2的速度比為V1:V2=1 m/s:0 m/s，即為側(cè)送風(fēng)形式，逃生通道上方有水平擋煙。

當(dāng)火源在0～3 m 高度上變化時(shí)，逃生通道內(nèi)近火源點(diǎn)處的溫度，能見(jiàn)度以及CO 濃度變化趨勢(shì)近似一致，只有Z=0 m 時(shí)溫度上升趨勢(shì)較小，這是由于熱煙氣在火羽流的作用下，到達(dá)隧道頂棚受阻后沖擊頂棚后呈放射狀水平運(yùn)動(dòng)，當(dāng)煙氣與兩側(cè)壁碰撞后向下運(yùn)動(dòng)，到達(dá)測(cè)點(diǎn)位置所經(jīng)歷的流動(dòng)路程較長(zhǎng)，熱煙氣的溫度沿流動(dòng)方向是逐漸降低的。而CO 和能見(jiàn)度均保持高度的一致性，CO 濃度保持在10 ppm 以下，能見(jiàn)度保持在29 m 以上，說(shuō)明逃生通道內(nèi)并沒(méi)有煙氣的脈動(dòng)進(jìn)入，見(jiàn)圖10。因此當(dāng)火源高度不同時(shí)，HVES 內(nèi)均能保持清潔、安全的逃生通道。

圖10 不同火源高度對(duì)HVES 的影響

2.4 火源功率對(duì)HVES 的影響

熱釋放率Heat Release Rate 簡(jiǎn)稱HRR，是火災(zāi)發(fā)生時(shí)由火源產(chǎn)生熱量的速率。它是影響隧道火災(zāi)中煙氣生成量的一個(gè)重要參數(shù)。本文考慮了（5 MW、15 MW、25 MW、35 MW）四種火源功率下HVES 內(nèi)的溫度、可見(jiàn)度和CO 濃度變化，見(jiàn)圖11。

圖11 不同HRR 對(duì)HVES 的影響

從圖11 中可以看出，隨著火源功率的增加，HVES 通道內(nèi)近火源點(diǎn)處的溫度與CO 濃度是逐漸增加的，而能見(jiàn)度略有下降。當(dāng)HRR 分別為5 MW，15 MW，25 MW 與35 MW 時(shí)，逃生通道內(nèi)的溫度則從20 ℃隨時(shí)間增長(zhǎng)逐漸增加，250 s 后溫度值趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定后時(shí)均值分別為24.3 ℃，35.6 ℃，62.7 ℃和101.7 ℃。CO 濃度在前150 s 為0，400 s 后趨于穩(wěn)定，這是由于火災(zāi)剛發(fā)生煙氣上升并水平流動(dòng)后還未出現(xiàn)反浮射流，而后通道內(nèi)的CO 濃度逐漸升高，穩(wěn)定后時(shí)均值分別為0 ppm，0.04 ppm，2.5 ppm 和6.8 ppm，這里將上限值規(guī)定在10 ppm 以內(nèi)，也即采用HVES 系統(tǒng)后，其內(nèi)部空間的CO 均能低于OSHA 標(biāo)準(zhǔn)5 倍的范圍內(nèi)[11，13]。對(duì)于逃生內(nèi)的能見(jiàn)度變化，只有當(dāng)HRR超過(guò)25 MW 時(shí)，才會(huì)出現(xiàn)煙氣的脈動(dòng)進(jìn)入，穩(wěn)定后能見(jiàn)度時(shí)均值為30 m，30 m，29.9 m 和28.4 m，均高于規(guī)范要求的10 m 能見(jiàn)度。因此當(dāng)火源功率為35 MW時(shí)，才會(huì)出現(xiàn)少量高溫?zé)煔饷}動(dòng)性進(jìn)入。

2.5 排煙與HVES 相結(jié)合作用下效果分析

為了選擇出最優(yōu)的煙氣控制效果，本文在HVES個(gè)性化通風(fēng)的基礎(chǔ)上，增加了排風(fēng)式半橫向通風(fēng)系統(tǒng)。圖12 給出了基于HVES 情況下，增加排風(fēng)式半橫向通風(fēng)逃生通道內(nèi)的溫度和能見(jiàn)度隨時(shí)間的變化曲線以及隧道頂棚邊部（逃生通道側(cè)）的CO 濃度曲線。當(dāng)增加了排風(fēng)式半橫向通風(fēng)系統(tǒng)時(shí)逃生通道內(nèi)距離火源最近點(diǎn)的溫度從117 ℃降到60 ℃。能見(jiàn)度由無(wú)排煙時(shí)的脈動(dòng)性進(jìn)入到有排煙時(shí)無(wú)煙氣進(jìn)入逃生通道內(nèi)，始終維持在30 m 的能見(jiàn)度。而且隧道邊部頂棚的CO 濃度也有較大幅度降低，頂棚濃度1300 ppm 下降到800 ppm。因此，在HVES 的基礎(chǔ)上，增加排風(fēng)式半橫向通風(fēng)系統(tǒng)后降低隧道內(nèi)整體高溫?zé)煔鉂舛龋蓽p少人員傷亡，這是非常有利于逃生通道內(nèi)人員疏散。

圖12 有無(wú)排煙對(duì)比

3 結(jié)論

基于HVES 與傳統(tǒng)隧道火災(zāi)通風(fēng)方式數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比，分析了不同噴口風(fēng)速比、不同火源高度、不同HRR 以及HVES 中有無(wú)排煙對(duì)HVES 性能的影響，得出如下結(jié)論：

1）HVES 能夠營(yíng)造一個(gè)非常明顯的無(wú)煙氣的邊部逃生通道。邊部通道內(nèi)的整體溫度保持在60 ℃以下，僅在近火源點(diǎn)局部小范圍內(nèi)有升高達(dá)到117 ℃。另外CO 濃度保持在10 ppm 以下。能見(jiàn)度保持在29 m 的高度。

2）HVES 逃生通道中的能見(jiàn)度在第一與第二噴口的送風(fēng)比例V1:V2＞2.33 時(shí)，逃生通道內(nèi)近火源測(cè)點(diǎn)能見(jiàn)度均值保持在29 m，CO 濃度均值下降到10 ppm 以下，溫度均值下降到90 ℃以下?；鹪锤叨萙=0～3 m時(shí)，HVES 內(nèi)均能保持清潔干凈的安全的逃生通道。

3）隨著火源功率HRR 的增加，HVES 近火源點(diǎn)的溫度和CO 濃度是逐漸增加的，而能見(jiàn)度有所下降，但是均能滿足人員逃生要求。

4）在HVES 個(gè)性化通風(fēng)的基礎(chǔ)上，當(dāng)增加了排風(fēng)式橫向通風(fēng)系統(tǒng)時(shí)逃生通道內(nèi)距離火源最近點(diǎn)的溫度從117 ℃降到60 ℃。頂棚邊部CO 濃度1300 ppm下降到800 ppm，降低了隧道內(nèi)的煙氣濃度，這是非常有利于逃生通道內(nèi)人員疏散的。