豎井橫截面積對隧道自然排煙效果影響的實驗研究

韓見云，紀(jì) 杰，王培永

（1．中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點實驗室，合肥，230026；2．海洋石油工程股份有限公司，天津，300452）

0 引言

隨著城市化進程的加快，地下公路隧道作為緩解城市交通壓力的有效方式之一，在世界各國大量涌現(xiàn)。但是城市地下公路隧道在給交通、生活帶來巨大便利的同時，伴隨而來的火災(zāi)事故也頻繁發(fā)生，并造成了巨大的社會影響和經(jīng)濟損失。統(tǒng)計資料顯示，火災(zāi)煙氣中的有毒氣體，如一氧化碳、HCN 等，是造成人員傷亡的主要因素，85%以上的傷亡者大部分是因為吸入了煙塵及有毒氣體昏迷后致死的［1］，因此，快速有效地排出有毒煙氣，是減少火災(zāi)損失的重要保障，也是國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點。

在工程實踐中，機械排煙和自然排煙是公路隧道主要采用的排煙方式，目前國內(nèi)外學(xué)者對隧道內(nèi)機械排煙條件下火災(zāi)煙氣的控制研究比較深入，而對于豎井自然排煙的研究則相對較少，主要針對豎井自然排煙的可行性和有效性進行了初步研究。王彥富等人在某頂部開口的隧道內(nèi)進行了全尺寸火災(zāi)實驗，對隧道的自然排煙特性進行了分析，研究了煙氣回流距離、頂 棚射 流溫度等參數(shù)［2，3］。Huang 等人采用Fluent軟件對某地鐵隧道豎井的形狀、數(shù)量對自然排煙效果的影響進行了研究，得到了改變豎井的形狀與數(shù)量對豎井排煙量的影響［4］。畢海權(quán)等使用CFD 模擬軟件STAR－CD 計算了某城市隧道豎井自然排煙的效果，得到了煙氣在該隧道內(nèi)的最大蔓延距離［5］。Ji研究了隧道豎井自然排煙導(dǎo)致的煙氣層吸穿和邊界層分離現(xiàn)象，并提出了相應(yīng)的判定模型［6］。Fan研究了隧道豎井自然排煙時的空氣卷吸模式［7，8］。Zhong分析了隧道內(nèi)縱向通風(fēng)對豎井自然排煙的影響規(guī)律［9］。可見，城市隧道的自然通風(fēng)排煙問題引起了國內(nèi)外一些學(xué)者的關(guān)注，但目前對于豎井不同截面尺寸下自然排煙效果，尚未有學(xué)者進行深入分析。

隧道發(fā)生火災(zāi)時，火源產(chǎn)生的煙氣撞擊頂棚后沿隧道頂棚縱向流動，蔓延到豎井下方時，在豎井內(nèi)外壓差產(chǎn)生的煙囪效應(yīng)的作用下，煙氣通過豎井排出隧道。豎井自然排煙的驅(qū)動力主要是豎井內(nèi)外壓差引起的煙囪效應(yīng)，而煙囪效應(yīng)的強弱與豎井形態(tài)有直接的關(guān)系，因此，豎井形態(tài)是影響豎井自然排煙效果的一個非常重要的參數(shù)。因此，本文在中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點實驗室的1∶6小尺寸隧道實驗臺上進行實驗，在不同的火災(zāi)規(guī)模和豎井尺寸下，通過分析豎井排煙量、出口處CO 濃度以及煙氣溫度等參數(shù)的變化，來研究豎井形態(tài)對自然排煙效果的影響，以期能夠?qū)ψ匀慌艧熦Q井的設(shè)計和工程應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 實驗設(shè)計

本實驗在相似比為1∶6的小尺寸隧道實驗臺上進行，實驗臺主體尺寸為6m（長）×2m（寬）×0．88m（高），頂面、底面和一側(cè)鋪設(shè)8mm 厚的防火板，另一側(cè)為6mm 厚的防火玻璃，以便觀察實驗中火源燃燒和煙氣流動情況，兩端開口。排煙豎井高0．8m，截面尺寸6 種：10cm×20cm，20cm×20cm，17．5cm×35cm，35cm×35cm，25cm×50cm，50cm×50cm。對于長方形豎井有兩種放置方式：橫向和縱向。橫向方式是指豎井截面較長的一邊沿隧道橫向放置，縱向方式是指豎井截面較長的一邊沿隧道縱向放置，如圖2所示。

圖1 實驗臺及測點布置圖Fig．1 The schematic of experimental apparatus

本文的所有實驗工況均采用液化氣作為燃料，其優(yōu)點是火源功率穩(wěn)定且調(diào)節(jié)方便?；鹪聪到y(tǒng)由燃?xì)夤?、流量計、多孔燃燒器組成，通過調(diào)節(jié)燃?xì)饬髁浚M不同功率的火源，并使火源功率在實驗過程中保持穩(wěn)定。氣體火源的熱釋放速率可以通過下式求得：

式中，是氣體燃料的質(zhì)量流率，可以通過體積流量進行換算，Hc為液化氣的燃燒熱值，本文參考陽東博士論文的取值，0．3m3／h 對應(yīng)的火源功率為8．8kW。

圖2 豎井放置方式Fig．2 The shaft placement

表1 實驗工況匯總Table 1 The summary of experiments

本次實驗共采用兩種流量，1．0m3／h 和2．0m3／h，分別對應(yīng)火源功率為29．5kW 和59kW。火源距離實驗臺左端1．4m。豎井中心距實驗臺左端4．2m，在豎井正下方和隧道上游距離左端開口3m 處分別布置一串豎向熱電偶，最高點距離頂棚2cm，各測點之間的間距2cm，每串熱電偶16個測點。在豎井頂部出口處均勻布置四個溫度測點，一個CO 濃度測點以及兩個速度測點，如圖1（a）豎井俯視圖所示。隧道右端出口處布置一串豎向熱電偶以及兩個速度測點用來測量隧道出口處溢流煙氣的參數(shù)，熱電偶最高點距離頂棚2cm，間隔1．5cm，共16個測點，兩個速度測點分別距離隧道頂棚5cm 和13cm。實驗測點布置示意圖如圖1所示，實驗工況如表1所示。

2 實驗結(jié)果分析

2.1 吸穿現(xiàn)象

隧道發(fā)生火災(zāi)后，火源燃燒形成向上運動的煙氣羽流，羽流撞擊頂棚后，沿徑向向四周自由蔓延，直到遇到隧道兩側(cè)壁面的阻擋后，煙氣在側(cè)壁的作用下逐漸由二維的徑向運動轉(zhuǎn)變?yōu)橐痪S的水平流動，當(dāng)煙氣運動到豎井所在區(qū)域以后，通過豎井排出隧道。煙囪效應(yīng)是隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時煙氣能夠通過豎井排出的主要驅(qū)動力，它主要是由于隧道內(nèi)煙氣和環(huán)境空氣的溫度差引起的，溫度差引起密度差，這種密度差使煙氣在隧道內(nèi)受浮力作用向上運動，溫差越大，煙囪效應(yīng)越明顯。

煙氣通過豎井排出的過程主要受到自身的水平慣性力與煙囪效應(yīng)引起的豎向慣性力的作用，在豎井下方由于豎向慣性力的作用會使得大量空氣卷吸進入煙氣層中，其中的一部分通過豎井排出，另一部分隨煙氣從隧道右端溢流到外界環(huán)境中。煙囪效應(yīng)增強時，煙氣受到的豎向慣性力越來越大，排煙口下方煙氣層的凹陷程度也越來越明顯，當(dāng)煙囪效應(yīng)增強到一定程度時，煙氣層凹陷區(qū)的最高點進入豎井，排煙口下方的煙氣層厚度變?yōu)?，大量冷空氣被直接吸入豎井，即發(fā)生了煙氣層吸穿現(xiàn)象，如圖3 所示［6，8］。當(dāng)發(fā)生吸穿現(xiàn)象時，將大大降低豎井的自然排煙效果。

圖3 豎井下方煙氣層吸穿現(xiàn)象Fig．3 The plug－h(huán)oling at the bottom of vertical shaft

當(dāng)火源功率一定時，隧道內(nèi)形成的煙氣層厚度一定，豎井截面面積越大，隧道內(nèi)的相對煙氣層厚度（隧道內(nèi)煙氣層厚度相對豎井截面尺寸）變小，此時會有大量空氣卷吸進入豎井，導(dǎo)致豎井內(nèi)的煙氣溫度降低，相應(yīng)地豎井內(nèi)外壓差變小，排煙速度變小，降低豎井的自然排煙效果?；鹪垂β试龃蠹柏Q井截面尺寸同時增大，隧道內(nèi)的煙氣層相對厚度可能變大或變小，若變小，大量冷空氣稀釋進入豎井的熱煙氣，導(dǎo)致內(nèi)外壓差降低，從而降低豎井自然排煙效果；若變大，則增加豎井的自然排煙效果。

圖4 豎井出口CO 濃度Fig．4 The CO concentration at shaft exit

圖5 豎井出口煙氣速度Fig．5 The velocity at shaft exit

2.2 豎井橫截面積對自然排煙效果的影響

圖中上下游即是圖1（a）豎井俯視圖中對應(yīng)的上下游測點所測得的數(shù)據(jù)。圖4為不同橫截面積下豎井出口的CO 濃度。隨著豎井橫截面積的增大，豎井出口的CO 濃度呈現(xiàn)遞減的趨勢，較大流量工況的CO 濃度遞減趨勢比較小流量的明顯。而同一橫截面積豎井出口處的上下游CO 濃度相差很小，基本都在測量誤差范圍之內(nèi)，可以認(rèn)為上下游的CO 濃度相等，即豎井出口處煙氣混合均勻。在一定的火源功率下，豎井橫截面積越大，越多的空氣進入豎井，與豎井內(nèi)的熱煙氣進行摻混，在豎向慣性力的作用下排出。卷吸的大量空氣稀釋了進入豎井內(nèi)的熱煙氣，導(dǎo)致熱煙氣濃度降低。由圖4可知，火源功率越大，豎井橫截面積的增大對豎井排出煙氣的稀釋程度影響越大，卷吸進入煙氣層的空氣中通過豎井排出的部分越多。對于較小火源功率，隨著豎井橫截面積的增大，豎井出口處CO 濃度降低的趨勢不明顯，尤其是20cm×20cm 的豎井截面到35cm×35cm 的豎井截面，上游的CO 濃度基本相等，下游的CO 濃度略微下降。

圖5是不同豎井橫截面積豎井出口處的煙氣流速。隨著豎井橫截面積的增大，豎井出口處的煙氣流速持續(xù)下降，豎井下游的煙氣流速都略大于上游。煙氣排出速度和煙囪效應(yīng)的強弱有直接關(guān)系，當(dāng)豎井內(nèi)外溫差很大，產(chǎn)生相當(dāng)大的壓差，進而會有很強的煙囪效應(yīng)。當(dāng)豎井尺寸為20cm×20cm 時，從圖4可以看出，無論火源功率大小，豎井出口處的CO濃度都是三種豎井尺寸中最大，也就是說豎井排出的熱煙氣濃度越大。豎井排出的熱煙氣濃度越大，豎井內(nèi)外產(chǎn)生的溫差就越大，從而有比較強的煙囪效應(yīng)。因此，橫截面積較小的豎井排出煙氣的流速比較大。隨著豎井尺寸的增大，排出煙氣的濃度逐漸降低，相應(yīng)地?zé)焽栊?yīng)減弱，排出煙氣的流速也呈現(xiàn)下降趨勢。從圖5中可知，火源功率較大的煙氣排出速度相應(yīng)也大。

圖6和圖7為不同火源功率對應(yīng)的豎井出口處的溫升。圖中已經(jīng)標(biāo)示出煙氣溫度測點在豎井出口處的布置方式，橫坐標(biāo)“1”、“2”、“3”、“4”與豎井出口測點序號相對應(yīng)。通過比較圖6和圖7可知，兩幅圖的曲線變化趨勢基本相同，火源功率較大時，相應(yīng)的溫升也比較大。圖6 和圖7 所示，小尺寸豎井20cm×20cm 出口處的溫升都比較高，小功率的工況對應(yīng)的溫升在24℃左右，大功率的工況對應(yīng)的溫升在30℃左右，說明此時通過豎井出口排出的氣體中摻混的空氣量比較少；隨著豎井截面尺寸的增大，排煙口附近的煙氣通過豎井排出，當(dāng)隧道內(nèi)蓄積的煙氣不足以迅速補充到排煙口下方時，導(dǎo)致排煙口處空氣與煙氣的摻混加劇，甚至有一部分空氣會直接進入豎井里面，從而使測得的開口處溫升越來越低。

豎井的內(nèi)外溫差的大小和熱煙氣的濃度以及煙囪效應(yīng)的強弱有直接的關(guān)系，內(nèi)外溫差較大，說明豎井排出的熱煙氣濃度也大，產(chǎn)生的煙囪效應(yīng)也會比較強，從而豎井排出的煙氣中CO 濃度比較大，相應(yīng)的排出速度比較大，這和圖4和圖5中豎井出口處所測得的CO 濃度和煙氣流速數(shù)值大小很相符。而20cm×20cm 小豎井出口處的四個測點所測溫升大小基本相等。這是因為在豎井內(nèi)部，卷吸進入的冷空氣或由于吸穿直接進入豎井內(nèi)的冷空氣與熱煙氣在上升過程中發(fā)生摻混，在豎井出口處混合得比較均勻，各個位置的煙氣溫度比較均勻，從而四個測點所測溫升基本相等。

圖6 ＝29．5kW 豎井出口處溫升Fig．6 The temperature rise at shaft exit with ＝29．5kW

圖7 ＝59kW 豎井出口處溫升Fig．7 The temperature rise at shaft exit with ＝59kW

隨著豎井尺寸的增大，越靠下游位置的溫升相對于靠近上游位置的溫升有所增大，而豎井尺寸為50cm×50cm 時，出口“2”位置處的溫升想對于其他三個測點的溫升有一個明顯的下降趨勢。隧道內(nèi)的熱煙氣由豎井底部開口上游位置進入，斜向上流向豎井頂部開口下游位置，因此下游的煙氣濃度、溫升以及速度都比較大。煙氣在運動過程中要不斷卷吸周圍空氣，而豎井左側(cè)壁面的存在限制了煙氣的卷吸，因此煙氣會向壁面靠近。本課題組在研究城市地下隧道豎井自然排煙過程中同樣發(fā)現(xiàn)了煙氣沿著隧道頂棚一維蔓延進入豎井時發(fā)生邊界層分離之后又重新吸附到豎井側(cè)壁的現(xiàn)象［6，8］。Harrison在研究粘附溢流的卷吸問題時也觀察到了這種現(xiàn)象［10－12］。熱煙氣重新粘附到豎井左側(cè)壁面通過豎井上游排出，因此位置“1”處的溫升比較高。

圖8 ＝29．5kW 豎井正下方溫升Fig．8 The temperature rise under shaft with＝29．5kW

圖9 ＝59kW 豎井正下方溫升Fig．9 The temperature rise under shaft with ＝59kW

圖8和圖9不同火源功率對應(yīng)的豎井正下方熱電偶串測點所測數(shù)據(jù)曲線，橫坐標(biāo)是熱電偶測點的縱向高度。由圖8和圖9可知，只有小尺寸的豎井20cm×20cm 正下方有溫升，其他兩個尺寸的豎井溫升基本在0℃附近，說明此處即豎井正下方基本沒有煙氣，煙氣層厚度為0，發(fā)生吸穿現(xiàn)象。

提出一個理想排煙量，即隧道內(nèi)的煙氣與冷空氣不發(fā)生卷吸，充滿整個豎井的排煙量，ms，ideal，用下式來計算豎井自然排煙效率：

式中，m，煙氣質(zhì)量流量，kg／s；ρ，煙氣密度，kg／m3；u，煙氣流速，m／s；A，豎井橫截面積，m2；T，煙氣溫度，K；CO，一氧化碳濃度，mol／mol。下標(biāo)shaft和tunnel分別指豎井和隧道煙氣參數(shù)。

圖10 豎井出口質(zhì)量流量Fig．10 The mass flow rate at shaft exit

圖11 豎井出口純煙氣質(zhì)量流量Fig．11 The mass flow rate of pure smoke at shaft exit

圖10是豎井出口質(zhì)量流量，圖11是質(zhì)量流量與排煙效率的乘積，即豎井出口排出煙氣中的純煙氣流量。可以看出，當(dāng)豎井橫截面尺寸較小時排煙口下方的煙氣層并不會吸穿，豎井排出的氣體中煙氣的深度更高，但是其總體的排煙量比較??；而當(dāng)豎井尺寸過大時，發(fā)生吸穿現(xiàn)象，隧道下部大量地空氣直接通過豎井排出，大大降低了其排煙效率。因此，對于豎井自然排煙來說，只有在合適的尺寸下豎井即能夠排出更多的煙氣同時又保證有足夠的排煙量，從而達(dá)到最佳的排煙效果。

如圖12所示，當(dāng)豎井尺寸為20cm×10cm 時，火源功率為29．5kW，豎井出口CO 濃度橫向放置比縱向放置的大；火源功率為59kW，豎井出口CO濃度橫向放置比縱向放置的小。當(dāng)豎井尺寸為35cm×17．5cm 時，火源功率為29．5kW，豎井出口CO 濃度縱向放置比橫向放置大，而縱向放置時豎井上游的濃度比下游的大；火源功率為59kW，橫向放置的豎井出口CO 濃度與縱向放置豎井出口下游的CO 濃度基本大小相等，而縱向放置時豎井上游的CO 濃度偏大一些。當(dāng)豎井尺寸為50cm×25cm時，火源功率為29．5kW，兩種放置方式豎井出口的CO 濃度基本相等，而縱向放置時上下游的濃度大小也基本相差不大，近似認(rèn)為相等；火源功率為59kW，橫向放置的CO 濃度明顯大于縱向放置的CO 濃度。

圖12 豎井出口處的CO 濃度Fig．12 The CO concentration at shaft exit

圖13 ＝29．5kW 豎井正下方溫升Fig．13 The temperature rise under shaft with ＝29．5kW

由圖13、圖14可知，20cm×10cm 的豎井不管是橫向放置還是豎向放置在兩種火源功率下都沒有發(fā)生吸穿，而35cm×17．5cm 的豎井在橫向放置時兩種火源功率下都沒有發(fā)生吸穿，但是縱向放置時都發(fā)生了吸穿，最大豎井50cm×25cm 在兩種火源功率下也都發(fā)生吸穿。同樣橫截面的豎井，沿隧道橫向放置即豎井較長的一邊垂直于煙氣流動方向放置時不易發(fā)生吸穿?；鹪垂β蚀?，水平慣性力也大，當(dāng)豎井較長一邊垂直于煙氣蔓延方向時也就是橫向放置時，進入豎井的煙氣有一個很大的向下游運動的力，而此種放置方式的豎井長度即煙氣蔓延方向的長度比縱向放置時對應(yīng)的長度小了一半，因此橫向放置的有效排煙面積比縱向放置的排煙面積小，所以豎井出口的CO 平均濃度低于縱向放置。相反，火源功率小時，水平慣性力也比較小，煙氣在豎向慣性力的作用下很快通過豎井排出。

圖14 ＝59kW 豎井正下方溫升Fig．14 The temperature rise under shaft with ＝59kW

圖15 豎井出口純煙氣質(zhì)量流量Fig．15 The mass flow rate of pure smoke at shaft exit

圖15是質(zhì)量流量與排煙效率的乘積，即豎井出口排出煙氣中的純煙氣流量。隨著豎井橫截面積的增大，豎井排出的純煙氣質(zhì)量也隨著增大，但對于50cm×25cm 的豎井，較大火源功率59kW 縱向放置時的純煙氣質(zhì)量流量明顯低于橫向放置?；鹪垂β蕿?9．5kW 時，20cm×10cm 的豎井橫向放置和縱向放置的純煙氣流量相差不大，幾乎相等。同樣，35cm×17．5cm 的豎井在火源功率為59kW 時，純煙氣質(zhì)量流量在兩種放置方式下幾乎相等。其他工況中，縱向放置的純煙氣排出流量比橫向放置的純煙氣流量都略微大一些。因此，豎井的放置方式對排煙效果有很大的影響，火源功率小時，小尺寸豎井縱向放置比橫向放置排煙效果好，火源功率大時，大尺寸的豎井橫向放置比縱向放置排煙效果要好一些。O．Vauquelin［14］研究了豎井截面形狀對機械排煙效果的影響，實驗結(jié)果顯示在相同的豎井橫截面面積以及火源功率一定時，橫向放置比縱向放置的機械排煙效果好，這和本文中較大火源功率的實驗結(jié)果相吻合。

3 結(jié)論

通過對城市公路隧道內(nèi)采用豎井自然排煙時煙氣運動狀態(tài)的研究，得到了豎井橫截面尺寸與放置方式對自然排煙效果的影響規(guī)律。結(jié)果表明，煙氣在豎井內(nèi)的運動狀態(tài)與豎井橫截面尺寸密切相關(guān)，豎井尺寸不能太小，太小排出的煙氣量比較少，太大排出的煙氣中空氣含量增大也不會改善排煙效果，豎井大小適中才能達(dá)到最佳的排煙效果。而且，豎井的放置方式對排煙效果有很大的影響，火源功率小時，小尺寸豎井縱向放置比橫向放置排煙效果好，火源功率大時，大尺寸的豎井橫向放置比縱向放置排煙效果要好一些。

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