縱向風(fēng)作用下隧道斷面尺寸對(duì)火災(zāi)煙氣分層的影響

郭宇豪 袁中原 袁艷平

縱向風(fēng)作用下隧道斷面尺寸對(duì)火災(zāi)煙氣分層的影響

郭宇豪 袁中原 袁艷平

（西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 成都 610031）

隧道火災(zāi)中較大的縱向風(fēng)速會(huì)破壞火源下游煙氣分層，對(duì)下游人員逃生不利。然而，維持下游煙氣分層的合理風(fēng)速未知；隧道斷面尺寸對(duì)煙氣分層影響也尚不清楚。利用FDS，對(duì)縱向風(fēng)作用下5個(gè)不同斷面尺寸隧道內(nèi)煙氣分層規(guī)律進(jìn)行研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：Newman無量綱溫度比模型適用于寬高比在0.5至3范圍內(nèi)的隧道；維持下游煙氣分層的最大風(fēng)速隨隧道寬度增大而增大，而與高度無明顯關(guān)系；煙氣分層與Froude數(shù)的關(guān)系與隧道斷面尺寸相關(guān)，造成Hyman模型與FOA-SP模型試驗(yàn)結(jié)果無法吻合的原因可能是隧道寬高比的不同；煙氣層高度與隧道斷面尺寸相關(guān)，當(dāng)風(fēng)速較大時(shí)，寬度的增加會(huì)使煙氣層出現(xiàn)劇烈波動(dòng)。

煙氣分層；隧道斷面尺寸；縱向通風(fēng)；隧道火災(zāi)

0 引言

隧道火災(zāi)縱向通風(fēng)中，火源下游人員一直處于較不利地位。下游煙氣分層與縱向風(fēng)速關(guān)系密切，當(dāng)風(fēng)速較小時(shí)，下游煙氣可以維持較好的分層結(jié)構(gòu)[1]。而當(dāng)風(fēng)速增大，下游煙氣分層結(jié)構(gòu)將受到影響。目前，以臨界風(fēng)速為標(biāo)準(zhǔn)的通風(fēng)模式可以有效阻止煙氣向上游蔓延。然而，較大的風(fēng)速可能會(huì)破壞火源下游煙氣分層[2]，不利于下游人員逃生。因此，探究合理的縱向風(fēng)速以控制下游煙氣分層對(duì)人員逃生至關(guān)重要。

層不明顯。Newman將煙氣分層明顯區(qū)域稱為Region I，將分層不明顯區(qū)域稱為Region II。

其中：

Hyman和Ingason[4]通過分析FOA-SP、Ingason模型試驗(yàn)及Runehamar、Memorial大尺寸試驗(yàn)，驗(yàn)證了式（1）的準(zhǔn)確性。然而，Hyman得

一直以來，隧道斷面尺寸作為重要參數(shù)影響著隧道內(nèi)的煙氣流動(dòng)，受到學(xué)者廣泛關(guān)注[5,6]。在煙氣分層方面，Tang[7]、Gannouni[8]等人研究了阻塞存在時(shí)隧道內(nèi)的煙氣分層狀況；Tang和Li[9,10]等人研究了縱向風(fēng)與頂部排風(fēng)口協(xié)同作用下隧道內(nèi)的煙氣分層情況。然而，鮮有學(xué)者對(duì)隧道斷面尺寸與煙氣分層的關(guān)系進(jìn)行研究。

基于此，本文以Newman理論為基礎(chǔ)，從煙氣分層的角度出發(fā)，采用FDS數(shù)值模擬研究縱向通風(fēng)條件下隧道斷面尺寸對(duì)煙氣分層的影響，探究不同斷面尺寸下維持下游良好分層的合理風(fēng)速范圍。

1 數(shù)值計(jì)算模型

1.1 模型及工況

本文計(jì)算了5種不同斷面尺寸的隧道?；鹪淳挥谒淼赖撞恐休S線上?；鹪瓷?、下游長(zhǎng)度為200m。在一些風(fēng)速較大的工況，由于上游回流長(zhǎng)度很短，因此將上游隧道長(zhǎng)度減少至100m以節(jié)約計(jì)算資源。以火源中心為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，其中火源上游為負(fù)，下游為正。隧道進(jìn)風(fēng)端以“SUPPLY”定義速度邊界；出風(fēng)端以“OPEN”定義壓力邊界。隧道壁面為混凝土。湍流模型選用大渦模擬。

表1 隧道幾何結(jié)構(gòu)及計(jì)算工況

注：計(jì)算風(fēng)速間隔為0.2m/s

1.2 網(wǎng)格劃分

1.3 計(jì)算方法驗(yàn)證

本文參考胡隆華[13]全尺寸試驗(yàn)元江一號(hào)隧道Test 9進(jìn)行計(jì)算方法驗(yàn)證。元江一號(hào)隧道位于我國(guó)云南省境內(nèi)，隧道斷面尺寸如圖1所示。由于計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力的限制，本文只取一段隧道進(jìn)行驗(yàn)證，其中火源上游取220m，火源下游取250m，全長(zhǎng)470m?；鹪次挥谒淼乐休S線上，距地面高0.2m。驗(yàn)證工況火源功率3.2MW，縱向風(fēng)速0.5m/s，環(huán)境溫度25℃。驗(yàn)證內(nèi)容為火源下游頂棚下方溫度分布。驗(yàn)證結(jié)果如圖2所示?？梢钥吹?，頂棚下方溫度模擬結(jié)果與試驗(yàn)吻合較好，說明FDS能較好反應(yīng)隧道內(nèi)的溫度分布情況。

圖2 頂棚下方溫度模擬結(jié)果與試驗(yàn)對(duì)照

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 煙氣分層狀況

縱向風(fēng)影響著隧道內(nèi)的煙氣分層。一般情況下，較小風(fēng)速下煙氣分層較好。以高5 m寬7.5 m的隧道A為例，圖3展示了不同縱向風(fēng)速下隧道內(nèi)的分層情況。可以看到，當(dāng)風(fēng)速為1.0m/s時(shí)，火源上游有較長(zhǎng)的回流，此時(shí)上、下游煙氣具有清晰的分層。當(dāng)風(fēng)速為1.8m/s時(shí)，上游煙氣逆流得到有效限制，而下游煙氣分層狀況較差。當(dāng)風(fēng)速為2.6m/s時(shí)，煙氣無逆流，下游分層幾乎不存在。一般情況下，縱向風(fēng)作用下火源上游回流煙氣分層較為明顯[12]。本文主要討論火源下游的分層情況。

圖3 隧道A，不同縱向風(fēng)速下煙氣分層

圖4展示了風(fēng)速2.6 m/s時(shí)，不同隧道內(nèi)的煙氣分層情況。對(duì)于較寬的B、C隧道，火源下游煙氣具有分層，但伴隨有明顯的波動(dòng)現(xiàn)象；較高的D、E隧道下游煙氣無明顯分層。當(dāng)風(fēng)速為2.6m/s時(shí)，隧道C下部空間依然為環(huán)境溫度，說明其煙氣分層依然存在；而由圖3(c)，隧道A在風(fēng)速2.6m/s的工況下無明顯分層。這說明了在較大風(fēng)速下，隧道寬度的增加有利于煙氣維持分層，但此時(shí)煙氣層出現(xiàn)波動(dòng)現(xiàn)象。

圖4 風(fēng)速2.6m/s，不同隧道內(nèi)煙氣分層

圖5 無量綱溫度比模擬結(jié)果與Newman模型對(duì)照

圖7 不同風(fēng)速下隧道C中無量綱溫度比

2.2 煙氣分層狀況與Froude數(shù)的關(guān)系

根據(jù)Newman[3]和Hyman[4]的理論，火源下游Froude數(shù)與煙氣分層的關(guān)系可通過式（7）擬合。

表2 不同隧道中式（7）擬合結(jié)果及Fr數(shù)

圖9 煙氣分層與Froude數(shù)關(guān)系模擬結(jié)果與FOA-SP試驗(yàn)對(duì)照

2.3 煙氣層高度變化情況

煙氣層高度是較為重要的物理量?；馂?zāi)中將有毒熱煙氣與人員逃生路徑相分離將有助于人員疏散。本文采用FDS內(nèi)置的煙氣層高度計(jì)算方法[11]輸出煙氣層高度進(jìn)行討論。

圖10展示了隧道寬度對(duì)煙氣層高度的影響。在風(fēng)速較小，為1.0m/s時(shí)，對(duì)于火源上游，回流長(zhǎng)度較長(zhǎng)，在回流煙氣中部，煙氣局部降低。此時(shí)，隧道寬度的增加對(duì)上游煙氣層高度無明顯影響；對(duì)于火源下游，煙氣層高度隨隧道寬度的增加有所升高。在風(fēng)速較大，為3.0m/s時(shí)，對(duì)于上游，無煙氣回流；對(duì)于下游，較寬隧道的煙氣層出現(xiàn)較為明顯的波動(dòng)現(xiàn)象，煙氣層高度起伏不定。對(duì)于隧道A、B，此時(shí)由于風(fēng)速較大，煙氣分層可能被破壞，因此FDS輸出的煙氣層高度較低。

圖10 隧道寬度對(duì)煙氣層高度的影響

圖11 隧道高度對(duì)煙氣層高度的影響

圖11展示了隧道高度對(duì)煙氣層高度的影響。在風(fēng)速較小，為1.0m/s時(shí)，隧道高度的增加均會(huì)使得火源上、下游煙氣層高度升高。且D、E隧道中上游未出現(xiàn)煙氣層局部降低現(xiàn)象。而當(dāng)風(fēng)速較大，為2.6m/s時(shí)，上游無煙氣回流，下游煙氣分層被破壞，F(xiàn)DS輸出的煙氣層高度很低，此時(shí)隧道高度對(duì)煙氣層高度無明顯影響。

對(duì)下游50m至150m煙氣層較穩(wěn)定段取平均，得不同縱向風(fēng)速、不同隧道中下游煙氣層平均高度，如圖12所示。煙氣層平均高度隨風(fēng)速的增大逐漸減小，其中風(fēng)速在1.4至2.0m/s范圍內(nèi)煙氣層平均高度變化最快。風(fēng)速超過2.0m/s后，煙氣層平均高度變化較小。對(duì)于隧道C，較大風(fēng)速下下游煙氣層將出現(xiàn)上下波動(dòng)的現(xiàn)象，因此煙氣層平均高度在風(fēng)速大于2.6m/s時(shí)有小幅度的上升。對(duì)于寬高比小于1的隧道D、E，在風(fēng)速小于1.2m/s時(shí)煙氣層平均高度要比寬高比大于1的隧道A、B、C的高。而隨著風(fēng)速增大，寬高比小于1的隧道煙氣層平均高度急劇下降。當(dāng)風(fēng)速大于2.0m/s后，D、E隧道的煙氣層平均高度整體小于A、B、C隧道的。

圖12 下游煙氣層平均高度隨風(fēng)速變化情況

3 結(jié)論

本文以Newman的理論為基礎(chǔ)，采用FDS進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，討論了縱向風(fēng)作用下寬高比為0.5至3的隧道中斷面尺寸對(duì)煙氣分層的影響，得到的結(jié)論包括：

（1）驗(yàn)證了Newman無量綱溫度比關(guān)系式的準(zhǔn)確性，該關(guān)系式適用于寬高比在0.5至3范圍內(nèi)的隧道；

（2）維持下游煙氣分層明顯（Region I）的最大風(fēng)速與隧道斷面尺寸相關(guān)。該風(fēng)速隨隧道寬度的增大而增大；而與隧道高度無明顯關(guān)系；

（3）無量綱溫度比與Froude數(shù)的關(guān)系與隧道斷面尺寸相關(guān)，這將導(dǎo)致不同斷面尺寸的隧道中用以判斷煙氣分層明顯與否的Froude數(shù)不同。造成FOA-SP模型試驗(yàn)結(jié)果與Hyman結(jié)論無法吻合的原因可能是隧道寬高比的不同。然而，當(dāng)隧道寬高比為3時(shí)，無法得到無量綱溫度比與Froude數(shù)的關(guān)聯(lián)式。

（4）相同風(fēng)速下煙氣層高度與隧道斷面尺寸相關(guān)。風(fēng)速較小時(shí)，隧道高度的增加會(huì)使上、下游煙氣層高度均升高，而寬度的增加僅會(huì)使下游煙氣層高度升高。風(fēng)速較大時(shí)，隧道高度的增加對(duì)煙氣層高度無明顯影響；寬度的增加會(huì)使煙氣層高度相對(duì)升高，但會(huì)出現(xiàn)劇烈的上下波動(dòng)。

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Effect of Tunnel Cross Section on Smoke Stratification under Longitudinal Velocities

Guo Yuhao Yuan Zhongyuan Yuan Yanping

( School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu, 610031 )

The large longitudinal velocity in tunnel fires will destroy the downstream smoke stratification, which is not conducive to evacuation of tunnel users in the downstream. However, the reasonable velocity to maintain smoke stratification is unknown. And the effect of tunnel cross section on smoke stratification is unclear. The relationship between tunnel cross section and smoke stratification is studied by using FDS. The main conclusions include: The dimensionless temperature ratio model of Newman is suitable for tunnels in the range of 0.5 to 3 of the aspect ratios; The maximum velocity which maintain downstream smoke stratification increases with the increase of tunnel width, but has no obvious relationship with tunnel height; The relationship between smoke stratification and Froude number is related to tunnel cross section. The reason why Hyman model cannot be matched with FOA-SP model test results may be the difference of tunnel aspect ratio. The smoke layer height is related to the cross section. When the velocity is large, the increase of tunnel width will cause the smoke layer to fluctuate violently.

smoke stratification; cross section; longitudinal velocity; tunnel fire

1671-6612（2019）06-597-08

U453.5

A

建筑環(huán)境與能源高效利用四川省青年科技創(chuàng)新研究團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(2015TD0015)；國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目（51708454）

郭宇豪（1994-），男，在讀碩士研究生，E-mail：YuhaoGuo@swjtu.edu.cn

袁艷平（1973-），男，博士后，教授，博士生導(dǎo)師，E-mail：ypyuan@home.swjtu.edu.cn

2019-05-10