公路隧道火灾时纵向通风排烟下临界风速问题探讨

周 庆倪天晓 彭锦志

（1湖南公安消防总队，湖南 长沙410205,2中南大学防灾科学与安全技术研究所，湖南 长沙，410075）

公路隧道火灾时纵向通风排烟下临界风速问题探讨

周 庆1倪天晓2彭锦志2

（1湖南公安消防总队，湖南 长沙410205,2中南大学防灾科学与安全技术研究所，湖南 长沙，410075）

烟气回流(Back-Layering)是隧道火灾在纵向风作用下的一种特殊烟气蔓延现象，抑制烟气逆流的临界风速一直是隧道火灾研究的一个热点。本文在分析国内外对纵向通风排烟下临界风速问题研究现状和规范规定的基础上，通过数值模拟和缩尺寸模型试验对临界风速与隧道坡度的关系进行研究，对它们的结果进行对比分析，为公路隧道火灾时纵向通风排烟管理提供参考。

公路隧道火灾，纵向通风排烟，临界风速

1、引言

隧道内发生火灾后，产生的大量高温烟雾，对于隧道内车辆疏散和人员逃生，具有极大的威胁。烟气回流(Back-Layering)是隧道火灾在纵向风作用下的一种特殊烟气蔓延现象[1]，在纵向通风排烟模式下，火源两侧的烟气将产生不对称，如果风速比较小，不足以克服烟气流速度时，将产生烟气逆风流动的情况，即回流现象。这对于防止火灾烟气蔓延(炽热烟气将点燃火源上风方向停留车辆)和前来救援的消防队员安全是很不利的。因此，纵向通风时必须增加通风风速以防止火灾烟气逆流，避免回流现象的发生，因此，抑制烟气逆流的临界风速一直是隧道火灾研究的一个热点。本文在分析国内外对公路隧道火灾时纵向通风排烟下临界风速问题研究现状和规范规定的基础上，通过数值模拟和缩尺寸模型试验对临界风速与隧道坡度的关系进行研究，对它们的结果进行对比分析，为公路隧道火灾时纵向通风排烟管理提供参考。

2、国内外研究现状

1993年，Bettis等人[2,3]进行了全尺寸矿山隧道火灾试验，发现当热释放速率较低时，临界风速与其1/3次方成正比；当火灾热释放速率增大到一定程度，临界风速与其近似无关。1996年，美国在Memorial隧道进行了全尺寸的火灾实验，实验证明了当火灾的热释放速率较大时，利用经验公式算出的控制隧道内烟气不发生逆流的临界风速要比真实的实验值高5～15%[4]。Oka和Atkinson[5]采用1/10缩尺的模型，用丙烷燃烧器作为火源，研究水平隧道里的烟气运动状况。这次小尺寸的试验也再次验证了Bettis等人的全尺寸试验结果[2,3]。随后，Atkinson和Wu[6]又在这一模型隧道内进行了坡度对烟气运动影响的实验，提出了控制烟气不发生逆流的临界风速的坡度修正系数，使该公式得到了进一步的完善。Wu和Bakar[7]对5种具有相同高度、不同宽度的隧道断面进行了实验研究，并将实验结果与数值模拟结果进行了对比，提出了新的控制烟气不发生逆流的临界风速的关系式，并将隧道断面的水利直径作为该关系式的特征尺寸，该式为以后地铁隧道的防火纵向通风设计提供了重要的理论依据。

美国的C.C.Hwang和J.C.Edwards两位学者[8]利用场模拟软件FDS模拟研究了火灾时纵向通风隧道内的临界风速问题。模拟结果表明，当火灾热释放速率增大到某一点时，临界风速将不再随火灾热释放速率的变化而改变。同时，两位学者还重点研究了临界风速保持不变的原因，研究得出了新的临界风速关系式，并将模拟结果与现有的实验数据和经验公式进行了对比。

清华大学的李先庭等[9]学者利用场模型模拟研究了隧道内的烟气流动，研究表明，在3MW的地铁火灾强度下，2m/s的纵向风速可有效抑制火灾热烟气向上游流动。广州大学的周孝清[10]等人利用场模拟软件Phoenics模拟研究了隧道断面形状对临界风速和隧道内温度和浓度分布的影响，拟合得出了烟气逆流层长度和通风速度大小的变化关系式。郑志敏等人[10]对地铁区间隧道火灾的疏散模式研究进行了一定的探讨，并利用

Phoenics软件对利用地铁区间隧道间的联络通道排烟进行了可行性研究。北京工业大学的张娜[11]等人利用场模拟软件CFX5.5研究了火灾时坡度隧道内的临界风速问题，得出了临界风速的通用坡度修正公式。王日升[12]利用CFX5.5对美狐林隧道内发生火灾时烟气流动情况进行了三维瞬态的模拟计算，研究了烟气在隧道内的分层扩散现象，以及不同火源情况下的临界风速的确定，进而研究了烟气的流动情况和疏散放案。

从以上国内外对纵向通风排烟下临界风速研究现状的调研，可以看出不同的学者对临界风速的研究成果具有一定的差异，各不同的参数（如隧道坡度、火灾规模等）对临界风速的影响关系尚没有得到统一。

3、国内对临界风速的工程要求

1987年，世界道路协会（PIARC）建议临界风速：客车火灾为1～2m/s；公共汽车或者卡车火灾为2～3m/s；汽油油罐车火灾，则需要大于或等于5m/s。建议通风系统的最大设计风速为3～6m/s，具体数值的大小将取决于设计火灾的规模。

1999年世界道路协会（PIARC）标准提出通过以下公式确定：

式中，VC——临界风速，m/s；

K1——临界查德森的1/3次幂，取0.61；

K2——坡度修正系数，K2=1+0.0374i0.8；

i——隧道纵坡，%；

g——重力加速度，取9.8 N/kg；

H——隧道高度，m；

Q——火灾释放热量，W；

A——隧道横断面积，m2；

ρ∞——流向火灾区的空气密度，kg/m3；

T∞——环境空气温度，K；

Cp——空气比热，J/kg·K。

从式中可以看出，能够防止逆通风的气流速度主要取决于火灾的热释放率Q、隧道截面积A以及高度H。

美国NFPA502标准同样引用了世界道路协会（PIARC）标准提出的临界风速的公式。

下表给出了法国和荷兰两个国家对隧道内设计风速的要求。

表1 法、荷两国对隧道内设计风速的要求对比

在我国行业标准《公路隧道通风照明设计规范》（JTJ 026.1-1999）确定，火灾时排烟风速可按2m/s～3m/s取值。

从以上国内外对纵向通风排烟下临界风速的工程要求调研上，可以看出不国家的规范对临界风速的规定具有一定的差异，要求比较粗糙，没有充分考虑各不同的参数对临界风速的影响。

4、临界风速数值模拟研究

通过火灾场模拟软件FDS，对某隧道火源功率为50MW，不同坡度、不同纵向通风风速进行数值模拟，从模拟的结果可以分析出各个工况的回流长度结果，如表2所示。

表2 各个数值模拟工况的回流长度结果总结

通过对表2各个工况的回流长度的总结，可以判断出抑制烟气回流所需临界风速与隧道坡度的关系，下表给出的是火源功率为50MW，不同坡度的抑制烟气回流的临界风速模拟结果。

表3 不同坡度的临界风速的模拟结果

5、临界风速缩尺寸模型试验研究

临界风速缩尺寸模型试验研究通过建立隧道缩尺寸模型，模型长度均为52.5m，模型断面与实际隧道的比例为1：10。采用油池火模拟火源，配备送风风机，通过分布式无线数据采集系统对隧道内343个温度测点和49个速度测点数据进行采集。

通过对不同火源功率，不同坡度，不同通风速率下不同工况的试验，并经过试验的数据分析，得到各工况的回流长度汇总，如下表所示。

表4 各个工况回流长度汇总

通过对上表各个工况的回流长度的总结，可以判断出抑制烟气回流所需临界风速与隧道坡度的关系，下表给出的是缩尺寸试验中不同坡度的抑制烟气回流的临界风速模拟结果，如下表所示。

表5 不同坡度的临界风速

6、数值模拟结果和模型试验结果对比分析

在数值模拟中，本文对火源功率为50MW，坡度为-2%、-1%、0%、1%、2%，纵向通风风速 1m/s、2m/s、3m/s、4m/s、5m/s的25组模拟工况进行了数值模拟，以及通过缩尺寸模型做了不同坡度下不同通风风速的34组试验工况，分别得到不同坡度下不同纵向通风速率的烟气回流长度的变化规律，以及不同坡度下抑制烟气回流所需临界风速。

通过对数值模拟结果和模型试验结果的对比，两者的结果基本符合，由于在数值模拟中，为了节省模拟计算的时间，数值模拟中所建立的模型只是尽量地接近于实际的情况，而和实际的情况还存在一定的差别，所得出结果在整体上说具有一定的规律性，具有分析研究的价值，而也存在个别工况有较大的偏离。

数值模拟结果和模型试验结果表明在同一个坡度下，纵向通风速率与回流长度近似成线性关系；但两者的结果均得出，当坡度为零时，抑制烟气回流所需临界风速较大。

7、结束语

本文通过数值模拟和缩尺寸模型试验对临界风速与隧道坡度的关系进行研究，分别得到不同坡度下不同纵向通风速率的烟气回流长度的变化规律，以及不同坡度下抑制烟气回流所需临界风速。通过对数值模拟结果和模型试验结果的对比，两者的结果基本符合，由于在数值模拟中，为了节省模拟计算的时间，数值模拟中所建立的模型只是尽量地接近于实际的情况，所得出结果在整体上具有一定的规律性，也存在个别工况结果有较大的偏离。通过数值模拟结果和模型试验结果，可以得出，在同一个坡度下，纵向通风速率与回流长度近似成线性关系；但两者的结果均得出，当坡度为零时，抑制烟气回流所需临界风速较大。

［1］ 胡隆华.隧道火灾烟气蔓延的热物理特性研究［D］.合肥:中国科学技术大学,2006.

［2］ Bettis R JJ，agger S F，Wu Y.Interim validation of tunnel fire consequence models；summary of phase 2 tests ［R］.The Health and Safety Laboratory Report IR/L/FR/93/11，The Health and Safety Executive，UK，1993

［3］ Bettis R J，Jagger S F，Macmillan A J R，Hambleton R T.Interim validation of tunnel fire consequence models；summary of phase 1 tests［R］.The Health and Safety Laboratory Report IR/L/FR/94/2，The Health and SafetyExecutive，UK，1994

［4］ Art Bendelius.Memorial tunnel fire ventilation test programme［A］.In：One Day Seminar of Smoke and Critical Velocity in Tunnels［C］，London，1996

［5］ Yasushi Oka，GrahamTAtkinson.Control of smoke flowin tunnels.Fire SafetyJournal，1995，25：305-322

［6］ Atkinson GT，Wu Y.Smoke control in slopingtunnels.Fire SafetyJournal，1996，27（4）：335-341，

［7］ Wu Y，Bakar MZ A.Control of smoke flowin tunnel fires using longitudinal ventilation systems-a studyofcritical velocity.Fire SafetyJournal，2000，35（4）：363-390.

［8］ C.C.Hwang，J.C.Edwards.The critical ventilation velocity in tunnel fires-a computer simulation.Fire SafetyJournal，2004：1-32

［9］ Li Xianting，Yan Qisen.Numerical analysis of smoke movement in subway.Fire SafetyScience，1993，2（2）:6-13

［10］ 郑志敏，赵相相，周孝清.利用地铁区间隧道联络通道排烟的可行性研究［J］.暖通空调，2005，8（35）

［11］ 张娜，戴国平，郭光玲，马世杰.坡度隧道中烟气控制的CFD模拟研究［J］.公路，2005（5）

［12］ 王日升.美狐林纵向通风公路隧道数值模拟与研究［D］.北京:北京工业大学，2003.

Research on the Critical Velocity under Longitudinal Ventilation Smoke Evacuation in Highway Tunnel Fire

ZHOU Qing1NI Tian-xiao2PENG Jing-Zhi2
(1 Fire Prevention And Supervision Division,Fire Corps OfHunan Province,Changsha Hunan 410205,China;2.Institue of Disaster Prevention Science and SafetyTechnology,Central South University,Changsha Hunan 410075,China)

Back-Layering is an unusual smoke spread phenomenon driven by longitudinal ventilation in tunnel fire,and the critical velocity of the smoke backflow has always been a general interest for tunnel fire studies.Based on the analyses of the domestic and foreign current study situation of the critical velocityunder longitudinal ventilation smoke evacuation and the specifications ofcriterion,this paper makes a research on the connection between the critical velocity and the tunnel slope through value stimulations and size-reduced models and compares their results,which will offer references for longitudinal ventilation smoke evacuation management in highwaytunnel fire.

highwaytunnel fire;longitudinal ventilation;critical velocity

F412

A

1671-5004（2011） 03-0003-04

2011-5-9

公安部消防局科研项目，项目名称：高速公路隧道工程消防验收方法及技术标准指南研究（项目编号：2008XFCX019）

周庆（1975-），男，湖南祁东人，硕士，湖南公安消防总队科技处工程师，研究方向：火灾烟气蔓延及数值模拟。