劉 軒，王新祥，馬燁紅，朱靖哲

（1、廣東省建筑科學(xué)研究院集團(tuán)股份有限公司 廣州 510500；2、廣東省建設(shè)工程質(zhì)量安全檢測(cè)總站有限公司 廣州 510500）

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不斷發(fā)展，城市地下空間得到大規(guī)模的開(kāi)發(fā)和利用，越來(lái)越多的地下隧道給我們的日常交通帶來(lái)便利的同時(shí)，也伴隨著火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。其一旦發(fā)生火災(zāi)事故，煙氣會(huì)在隧道內(nèi)集聚蔓延，隧道的受限空間使得煙氣不能及時(shí)排出，從而造成被困人員窒息、中毒死亡［1］。已有關(guān)于隧道火災(zāi)的研究，多針對(duì)單一的水平、傾斜隧道［1-3］，研究火災(zāi)煙氣的蔓延行為以及煙氣的溫度分布等，但是實(shí)際的地下空間中會(huì)存在很多的交叉隧道，由于隧道之間通過(guò)聯(lián)絡(luò)通道相互聯(lián)通，必然會(huì)對(duì)煙氣的蔓延產(chǎn)生重要的影響。目前關(guān)于交叉隧道間夾角對(duì)煙氣蔓延的影響研究很少，而且多考慮火源位于主隧道內(nèi)的情況［4-5］。因此，本文采用專業(yè)火災(zāi)數(shù)值模擬軟件FDS 6.7.0建立全尺度交叉隧道模型，針對(duì)火源位于支路隧道（聯(lián)絡(luò)通道），開(kāi)展交叉隧道間夾角對(duì)主隧道內(nèi)煙氣蔓延特征參數(shù)的影響研究。

1 FDS模型構(gòu)建

1.1 隧道物理模型

交叉隧道FDS 模型如圖1 所示?；谇叭说难芯浚?-5］，隧道截面取為矩形，支路隧道長(zhǎng)40 m，主隧道長(zhǎng)110 m，支路隧道和主隧道的寬和高均為5 m 和3.5 m，兩者之間的夾角 設(shè)置為30°，45°，60°和90°，隧道壁面為混凝土結(jié)構(gòu)。支路隧道與主隧道的交叉口中心位于主隧道的中間位置?；鹪闯叽缛?.5 m×1.5 m，位于支路隧道內(nèi)，火源中心到支路隧道與主隧道交線的距離為9 m，火源功率取2.7 MW 和3.6 MW，燃料設(shè)置為庚烷，火源-頂棚高度H取為2.5 m 和3.5 m。在主隧道中心縱向每隔1 m 設(shè)置Smoke Layer Height 和Thermocouple 設(shè)備來(lái)測(cè)量煙氣層高度和溫度，模擬時(shí)間設(shè)置為800 s，初始環(huán)境溫度設(shè)置為20 ℃，模擬的工況如表1所示。為了便于描述不同方向煙氣蔓延特征參數(shù)的分布規(guī)律，定義銳角方向（交叉口右側(cè)）和鈍角方向（交叉口左側(cè)），如圖1 所示。作為對(duì)火源位于支路隧道，研究主隧道內(nèi)煙氣蔓延特征參數(shù)的初探，本文的研究中未考慮通風(fēng)的影響。

表1 數(shù)值模擬計(jì)算工況Tab.1 Numerical Simulation Conditions

圖1 交叉隧道FDS模型（俯視圖）Fig.1 FDS Model of the Horizontal Crossing Tunnels

1.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格的大小對(duì)FDS 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果具有重要的影響。網(wǎng)格越小，計(jì)算精度越高，但是所用的計(jì)算時(shí)間越長(zhǎng)。因此需要綜合考慮計(jì)算精度和計(jì)算時(shí)間來(lái)劃分網(wǎng)格。FDS用戶手冊(cè)［6］提出了一個(gè)無(wú)量綱的表達(dá)式，能夠優(yōu)化網(wǎng)格劃分，表達(dá)式如下所示：

2 數(shù)值模擬結(jié)果

2.1 夾角對(duì)煙氣濃度和煙氣層高度的影響

圖2 給出的是火源功率2.7 MW，火源-頂棚高度3.5 m（工況1～4），不同交叉角度穩(wěn)定蔓延階段主隧道內(nèi)的煙氣分布情況。從圖中可以看到當(dāng)交叉角度為90°時(shí)，即支路隧道與主隧道垂直，交叉口兩側(cè)的煙氣分布是對(duì)稱相似的。而隨著角度的減小，可以看到銳角方向煙氣的顏色變淺，煙氣濃度小于鈍角方向。并且兩個(gè)方向的差別也隨著夾角的減小而變大。對(duì)于其他的數(shù)值模擬工況（工況5～8 和工況9～12），煙氣分布也呈現(xiàn)相同的規(guī)律。圖3 給出的是不同工況條件下，主隧道內(nèi)相對(duì)于左側(cè)出口不同位置r處的煙氣層高度Hs。可以看到，對(duì)于給定的火源功率和火源-頂棚高度，不同夾角的煙氣層高度之間沒(méi)有顯著的區(qū)別。同時(shí)，交叉口兩側(cè)的煙氣層高度相似，說(shuō)明夾角對(duì)兩側(cè)煙氣層高度的影響不明顯。需要注意的是，在臨近出口的位置煙氣層高度會(huì)有顯著的降低，這主要是由于臨近出口位置下層為進(jìn)入隧道的冷空氣，上層為流出隧道的具有較高溫度的熱煙氣層，此處的煙氣層流動(dòng)變得相對(duì)紊亂從而使得煙氣層高度降低。

圖2 火源功率2.7 MW，火源-頂棚高度3.5 m，不同交叉角度穩(wěn)定蔓延階段主隧道內(nèi)煙氣分布Fig.2 Smoke Distribution in the Main Tunnel at the Steady State for Q·=2.7 MW and H=3.5 m

圖3 不同模擬工況主隧道內(nèi)煙氣層高度Fig.3 Smoke Layer Heights in the Main Tunnel for Various Numerical Simulation Conditions

2.2 夾角對(duì)頂棚煙氣溫度分布的影響

圖4 給出的是不同工況下主隧道內(nèi)頂棚下方煙氣的最高溫度Ts分布。從圖中可以看到當(dāng)支路隧道垂直于主隧道時(shí)（夾角為90°），交叉口兩側(cè)的溫度分布是對(duì)稱的。但是當(dāng)夾角逐漸減小時(shí)，交叉口兩側(cè)的溫度分布呈現(xiàn)非對(duì)稱性，鈍角方向的煙氣溫度大于銳角方向的煙氣溫度。并且鈍角方向的煙氣溫度隨夾角減小逐漸升高，而銳角方向的煙氣溫度隨夾角減小而逐漸降低。通過(guò)圖4?和圖4?的對(duì)比，可以看到交叉口兩側(cè)頂棚下方煙氣的最高溫度隨著功率的增加而升高。圖4?和圖4?的對(duì)比則表明隨著火源-頂棚高度的減小，交叉口兩側(cè)頂棚下方的煙氣最高溫度也會(huì)升高。

圖4 不同模擬工況主隧道內(nèi)煙氣層最高溫度Fig.4 Maximum Temperature Profiles of Smoke Layers for Various Numerical Simulation Conditions

2.3 火災(zāi)煙氣蔓延特征參數(shù)演化機(jī)制

通過(guò)以上數(shù)據(jù)結(jié)果的分析，可以看到夾角對(duì)主隧道內(nèi)的煙氣濃度和頂棚最高溫度等特征參數(shù)的分布具有重要的影響。如圖5 所示，當(dāng)煙氣從支路隧道流入主隧道時(shí)，其質(zhì)量流量M0會(huì)分為兩個(gè)部分，分別向鈍角方向Md和銳角方向Mr流動(dòng)，因此由質(zhì)量守恒，可以得到M0=Md+Mr。煙氣在進(jìn)入主隧道時(shí)，其動(dòng)量可以表示為M0u，其中u為煙氣的流速，其沿著隧道的分量可以表示為M0ucosθ。而當(dāng)煙氣開(kāi)始沿著隧道流動(dòng)時(shí)，其動(dòng)量可以表示為Mdu-Mru［7-9］?；趧?dòng)量守恒，有M0ucosθ=Mdu-Mru。結(jié)合前面提出的質(zhì)量守恒方程，我們可以進(jìn)一步得到兩個(gè)方向的煙氣質(zhì)量流量，如下式所示：

圖5 主隧道不同方向煙氣質(zhì)量流量分析Fig.5 Analysis on the Smoke Mass Flow Rates in Different Directions of the Main Tunnel

從式⑵可以看到對(duì)于給定的火源功率，隨著夾角的減小，鈍角方向的熱煙氣質(zhì)量流量會(huì)增大，而銳角方向的熱煙氣質(zhì)量流量會(huì)減小?？紤]到兩側(cè)的煙氣層厚度沒(méi)有太大變化，因此鈍角方向煙氣濃度會(huì)逐漸增大而銳角方向煙氣濃度會(huì)減小，這與2.1 節(jié)提到的模擬結(jié)果相一致。正是由于熱煙氣質(zhì)量流量增大，因此鈍角方向的煙氣最高溫度會(huì)大于銳角方向的煙氣最高溫度，且隨著夾角的減小而逐漸增大，這也與圖4的模擬結(jié)果相一致。需要注意的是，給定火源功率情況下，當(dāng)減小火源-頂棚高度時(shí)，由于煙氣層厚度會(huì)降低（圖3?和3?相比較得到），從而使得煙氣與隧道壁面的熱傳遞面積減小，因此隨著火源-頂棚高度的減小，交叉口兩側(cè)頂棚下方的煙氣最高溫度會(huì)升高（圖4?和圖4?相比較得到）。

3 結(jié)論

運(yùn)用FDS 開(kāi)展數(shù)值模擬，針對(duì)火源位于支路隧道，研究了交叉隧道間夾角對(duì)主隧道內(nèi)煙氣蔓延特征參數(shù)分布的影響，結(jié)果表明：

⑴隨著角度由90°減小至30°，主隧道交叉口兩側(cè)的煙氣濃度呈現(xiàn)非對(duì)稱特點(diǎn)，鈍角方向的煙氣濃度大于銳角方向的煙氣濃度，但是交叉角度對(duì)兩個(gè)方向的煙氣層高度的影響不明顯。

⑵主隧道內(nèi)鈍角方向頂棚下方煙氣最高溫度大于銳角方向最高溫度，鈍角方向最高溫度隨夾角的減小而增大，銳角方向最高溫度隨夾角的減小而減小。

⑶基于煙氣蔓延過(guò)程的質(zhì)量和動(dòng)量守恒分析，揭示了主隧道內(nèi)煙氣濃度、頂棚最高溫度等特征參數(shù)的演化機(jī)制。