縱向通風與頂部排煙協(xié)同作用下長距離隧道火災煙氣蔓延規(guī)律研究*

朱雄 秦毅，3 方豐

（1.重慶科技學院安全工程學院，重慶 401331；2.重慶科技學院重慶市安全生產(chǎn)科學研究院，重慶 401331；3.北京理工大學前沿交叉科學研究院，北京 100081）

0 引言

目前，我國現(xiàn)有公路隧道19 067處、總長度約1 896.66萬m，其中距離超過3 000 m的特長隧道1 175處，1 000 m到3 000 m的長距離隧道4 784處［1］。然而，公路隧道帶給人們交通便利的同時，火災事故也頻發(fā)。

因此，對隧道火災煙氣蔓延規(guī)律及防控措施的研究，一直是不少研究者關注的重點。近年來，組合式排煙已逐步成為隧道火災防控的主體，其在長距離隧道建設中得到了廣泛的應用［2］。為此，國內外學者對此開展了大量研究并取得了豐碩的成果。

INGASON H等［3］研究了單點和雙點集中排煙在縱向風作用下不同火災功率的煙氣逆流長度，并建立了預測模型。在此基礎上，CHEN L F等［4］通過縮尺寸模型，研究了頂棚排煙口與火源之間的距離對煙氣回流長度的影響，改進了預測模型，提出了煙氣逆流長度的修正公式，并結合實驗數(shù)據(jù)驗證了公式的準確性，但這只局限于排煙口位于火源下游的情況。對于排煙口位于上游時，李連?。?］提出了新的表征模型，并揭示了Fr數(shù)和Ri數(shù)與煙氣分層穩(wěn)定的定量關系。而綜合排煙口位于上下游的情況，王駿橫［6］分析了煙氣的質量流率與縱向風速的關系，并建立了相應的預測模型。

與此同時，TANG F等［7］分析了縱向通風對隧道內煙氣逆流臨界風速的影響，提出了頂部集中排煙與縱向通風耦合效應的臨界風速預測模型。徐浩倬等［8］利用FDS研究了縱向風速對集中排煙效果的影響，并利用方差分析得出了縱向通風對隧道集中排煙效果影響的顯著程度。邱喬志等［9］在縱向風作用下，利用FDS分析了不同排煙方式的排煙效果，得出適當施加縱向風可以提高排煙效率，且結合頂部集中排煙的排煙效果最好。

綜上所述，針對隧道內縱向通風與集中排煙協(xié)同作用下的相關研究，目前主要集中在單向縱向通風與頂部單點和雙點排煙的組合研究，而針對雙向縱向通風與頂部多排煙口協(xié)同作用下的相關研究缺乏。所以，本文主要在長距離隧道內雙向縱向通風與頂部多排煙口協(xié)同作用下，研究了隧道火災早期煙氣的控制效果，可為長距離公路隧道火災煙氣防控、人員疏散及應急救援提供一定的參考。

1 數(shù)值模型建立

1.1 隧道幾何模型

本文利用FDS建立了如圖1所示的隧道幾何模型。對長距離公路隧道來說，一般以300 m間距劃分一個防煙分區(qū)［10］。因此，模型隧道取300 m，尺寸為300 m×14 m×6 m。其中，排煙道采用隔板分隔而成，其底端至模型頂端距離為1m，排煙口沿頂隔板中心布置，尺寸為3m×2m，火源設置于模型隧道中心。

圖1 隧道模型

1.2 模擬參數(shù)及工況設置

1.2.1 參數(shù)設置

隧道內空氣及墻壁溫度為環(huán)境溫度，均設置為20℃，隧道墻體設置為“CONCRETE”屬性，為絕熱邊界條件，大氣壓力為標準大氣壓1.0l×105Pa，重力加速度為9.8 m/s2，隧道進出口兩端縱向風速設置為1 m/s。由于公路隧道以通行小汽車、公共汽車等客運車輛為主，且火災類型多以中型火災為主，所以本文設置的火源功率為20 MW［11］。在離地面1.6 m的高度處設置溫度、CO濃度監(jiān)測點，間隔25 m，隧道中心線處設置溫度、CO濃度、能見度切片用于觀察煙氣成分縱向分布狀況。

1.2.2 計算域網(wǎng)格設置

在FDS數(shù)值模擬中，模擬結果是否準確取決于網(wǎng)格大小，網(wǎng)格劃分越小結果越精確。但網(wǎng)格設置太小，模擬時間會大大加長，而且對計算機的性能要求也較高?？紤]到模擬精確度與計算時間之間的平衡，根據(jù)FDS用戶手冊里的火源特征直徑計算方法［12］，本文采取分段網(wǎng)格法，將火源附近的網(wǎng)格劃分為0.25 m×0.25 m×0.3 m，其余部位網(wǎng)格劃分為0.5 m×0.5 m×0.6 m。

1.2.3 工況設置

根據(jù)隧道火災規(guī)模大小，以Heskestad［13］羽流模型計算出產(chǎn)煙速率為v=101 m3/s。而《建筑設計防火規(guī)范》（GB 50016—2014）規(guī)定了排煙風機全壓應滿足排煙系統(tǒng)最不利環(huán)路要求，且其排煙量應考慮10%～20%的漏風量［14］。因此，在本研究中將排煙量分別設置為120、150、180 m3/s，同時考慮不同排煙口布置間距，共設置了9組模擬工況，具體如表1所示。

表1 火災模擬工況設置

2 結果分析

2.1 火災煙氣蔓延分析

不同排煙量條件下，在100 s時排煙口間距分別為20、30、40 m的煙氣分布情況如圖2所示。

從圖2（a）可以看出，在排煙量120 m3/s的條件下，排煙口間距20 m時煙氣蔓延至80 m，排煙口間距30 m時煙氣蔓延至100 m，排煙口間距40 m時煙氣蔓延至105 m。排煙口間距20 m時，煙氣蔓延距離較短，這是由于一定距離內多個排煙口同時作用，及時將煙氣排出隧道，進而阻止了煙氣進一步蔓延。

從圖2（b）和圖2（c）可以看出，在排煙量150m3/s和180 m3/s的條件下，排煙口間距20 m時煙氣蔓延至75 m，排煙口間距30 m時煙氣蔓延至95 m，排煙口間距40 m時煙氣蔓延至100 m，煙氣蔓延距離較排煙量120m3/s來說減少了5m。排煙量不同但煙氣蔓延距離相同，說明排煙量150 m3/s為臨界排煙量。

排煙量180 m3/s時，排煙口兩端的煙氣會出現(xiàn)明顯的下沉回流現(xiàn)象，比其他工況更為明顯。這是由于排煙量增大，在排煙口下方產(chǎn)生的負壓效果也加強，再加上縱向風的作用下就會導致煙氣出現(xiàn)一定的回流，此時對于人員的疏散與救援會造成嚴重影響。所以，對于排煙口和排煙量的選擇要尋求一個合理的參數(shù)值，既要有效控制煙氣蔓延，又要經(jīng)濟合理。

2.2 溫度分析

不同排煙量條件下，在100 s時排煙口間距分別為20、30、40 m的溫度分布如圖3所示。分別距離火源25 m和50 m，高1.6 m（人員特征高度）處的溫度變化如圖4所示。

圖4 溫度隨時間變化分布

從圖3（a）可以看出，排煙口間距20 m，隧道內溫度蔓延至75 m；排煙口間距30 m，隧道內溫度蔓延至90 m；排煙口間距40 m，隧道內溫度蔓延至100 m。溫度在排煙口的作用下，在頂棚下方呈波浪狀分布，這是由于排煙口對熱煙氣流動的干預，從而導致排煙口下方的溫度較低，周圍溫度值較高，呈現(xiàn)起伏狀蔓延。

從圖3（b）可以看出，排煙口間距20 m，將溫度擴散范圍控制在70 m以內。且溫層明顯比排煙量120 m3/s要薄，這是由于排煙口及時將熱煙氣排出從而降低了火源產(chǎn)生的溫度，說明排煙量150 m3/s時對隧道內溫度控制更有效。

從圖3（c）可以看出，排煙口間距20 m時，隧道內溫度蔓延至60 m；排煙口間距30 m時，隧道內溫度蔓延至90 m；排煙口間距40 m時，隧道內溫度蔓延至80 m。說明排煙量越大越能有效控制隧道內的溫度擴散，及時將隧道火災產(chǎn)生的部分高溫煙氣排出。

圖3 溫度縱向分布

由圖4可知，排煙量120 m3/s時，距離火源50 m處的溫度變化較快，但相比于環(huán)境溫度升高10℃。距離火源25 m處時，隧道內最高溫度達到了38℃，相比于環(huán)境溫度升高18℃，溫度值都介于人員耐受極限之內。排煙量150 m3/s時，火源附近的人眼高度基本維持在環(huán)境溫度，說明對煙氣溫度控制效果較好。排煙量為180 m3/s時，溫度呈下降趨勢，這是由于排煙口在較大的排煙量作用下，會吸收大量煙氣并吸引冷空氣匯入，從而降低了火源周圍的溫度。因此，在縱向風與頂部排煙口協(xié)同作用下火源附近的溫度場對人員不會構成太大的威脅。

2.3 CO濃度分析

不同排煙量條件下，在100 s時排煙口間距分別為20、30、40 m的CO濃度縱向分布如圖5所示。排煙口間距20 m，位于火源兩側25 m和50 m，1.6 m人眼高度處的CO濃度變化狀況如圖6所示。

圖5 CO濃度縱向分布

圖6 CO濃度隨時間變化分布

通過圖5可知，在3種排煙量下，排煙口間距20 m時，CO蔓延至70 m；排煙口間距30 m時，CO蔓延至90 m；排煙口間距40 m時，CO蔓延至100 m。CO濃度蔓延分布規(guī)律和溫度分布規(guī)律基本相同，火源上方及附近CO濃度值較大，體積分數(shù)基本達到900×10-6左右，最高達到了1 500×10-6。隨著煙氣的縱向蔓延濃度值逐漸降低，遠離火源上方頂棚的CO濃度值基本維持在150×10-6左右。這是由于受縱向風和排煙口的影響，煙氣被及時排出和空氣的稀釋作用，從而導致濃度值下降。

通過圖6可知，CO濃度變化跟排煙量的大小基本無關，3種排煙量下的濃度變化曲線基本上相同。圖6（a）中距離火源25 m處的CO濃度在19 s時開始快速上升至140×10-6，然后圍繞120×10-6上下波動，圖6（b）中距離火源50 m處的CO濃度在40 s時快速上升至110×10-6，然后圍繞90×10-6上下波動。因此，在縱向風與頂部排煙口協(xié)同作用下，短時間內CO濃度暫時不會對人員構成威脅，不會影響人員的疏散與救援。

2.4 能見度分析

不同排煙量條件下，在100 s時排煙口間距分別為20、30、40 m的能見度縱向分布如圖7所示。

通過圖7可知，隧道內能見度分布和煙氣蔓延情況基本一致，通過能見度也可很好地表征煙氣濃度分布情況。在排煙口的作用下，隧道內的煙氣蔓延可以很明顯地看出呈波浪狀，在隧道頂棚聚集的煙氣濃度大，能見度為0 m，靠近地面煙氣濃度低，能見度為30 m（圖中白色區(qū)域）。這是由于煙氣密度比空氣小，并受到隧道頂棚的限制，煙氣會聚集在頂棚周圍出現(xiàn)頂棚射流現(xiàn)象，從而導致頂棚處煙氣濃度高能見度低。

通過圖7（b）和圖7（c）可知，排煙量150 m3/s和180 m3/s以及排煙口間距為20 m時，通過能見度分布圖可以明顯看出比排煙量120 m3/s的煙氣蔓延距離短一些。但排煙量180 m3/s時，隧道內能見度云圖厚度明顯較大，也就是煙氣層厚度較厚，且在兩端出現(xiàn)明顯回流現(xiàn)象。這是由于在排煙口吸進煙氣同時也吸引了周圍大量空氣融入煙氣層，從而導致燃燒不充分，產(chǎn)生大量煙氣增加了煙氣層厚度，并且在較高的縱向風和機械風聯(lián)合作用下，會對煙氣流動產(chǎn)生阻礙，就會出現(xiàn)回流現(xiàn)象。因此，排煙量150 m3/s時對煙氣控制更有效。

圖7 能見度縱向分布

3 結論

1）縱向通風和頂部集中排煙協(xié)同作用下，可以有效降低火源的不充分燃燒，減少煙氣的產(chǎn)生量，還可以有效降低隧道內的溫度、CO濃度和煙氣層厚度，為保障人生財產(chǎn)安全提供了強有力的支撐。

2）排煙量一定，排煙口間距越小，越能有效控制煙氣蔓延，排煙量150 m3/s為煙氣控制的臨界值。當排煙量增加到180 m3/s時，對排煙效果會存在很大的影響，會增加排煙口附近煙氣層厚度，引起煙氣出現(xiàn)回流，對人員的疏散與救援構成嚴重的威脅。

3）通過設置合理的排煙口間距和排煙量，可以有效降低隧道火災煙氣對人員構成威脅。排煙口間距20 m、排煙量150 m3/s的條件下，控煙效果較好，更有利于人員的疏散與救援。