机械排烟对隧道火灾烟气控制效果的模拟研究

邢艳军，杨 晖，孙大会

（北京建筑工程学院 环境与能源工程学院，北京 100044）

1 引言

火灾导致人员伤亡惨重的一个主要原因是烟气未能及时排出造成人员窒息。而隧道由于其特殊的管状封闭空间，火灾往往伴随着高温、烟气难以及时排除、能见度低，造成逃生困难以及短时间内外部救援很难到达现场开展施救工作。因此，对隧道烟气进行有效的控制就显得尤为重要。

那艳玲［1］用CFD方法模拟了几种火灾状况下的温度场和气流场，分析了火灾发生位置和排烟量对车站流场的影响，并用盐水实验验证了数值模拟研究。钟灵杰［2］依据美国国家防火协会的建筑防火性能设计标准，模拟了台北地铁站台发生人为纵火情况下的温度分布与烟气扩散情况，并与SES的计算结果进行了对比分析，得出了地铁排烟系统只有采用CFD方法才能真正达到性能防火设计要求的结论。Vauquelin等学者采用1／20缩尺模型，选择轻质气体模拟热烟气，研究水平隧道内的烟气运动，得到火灾热释放率（HRR）、烟气扩散距离与排烟风速的变化关系，并进一步指出排烟风速是衡量系统排烟效果的重要指标［3，4］。徐琳、张旭［5］结合某集中排烟隧道通风设计，通过CFD模拟，分析了排烟风口形状、风口间距对烟气控制效果的影响，结果表明:排风诱导风速随着排烟口下游烟气扩散范围的缩小而增大；烟气扩散距离一定时，排烟风口形状由正方形变为横向矩形时可以降低排风诱导风速。王军［6］等人借助CFD技术分析了纵向风速和排烟风量对隧道排烟系统排烟风口流量分配特性的影响，结果表明:排烟风口的排烟能力依赖于纵向风速和排烟风量的合理匹配。

数值分析方法进行模拟研究能够对各种复杂条件下的隧道火灾进行模拟，不但可以减少成本，还可以得到许多珍贵的数据。另外，CFD模拟还可以为隧道火灾的实验方案设计提供参考。目前，数值模拟的方法已经广泛应用于对隧道火灾的研究。

本文用CFD模拟方法对HRR和火源与排烟口的间距L对隧道发生火灾时排烟量的影响进行了研究；同时对隧道发生火灾时人员的安全疏散范围进行了研究。

2 数值模拟

2.1 几何模型

本文以1／20的模型隧道为原型建立了数值模拟的几何模型如图1所示，其长、宽和高分别为10m、0.4m和0.4m，火源为直径200mm的圆形，位于隧道底面几何中心位置，圆形排烟口及排烟风道位于隧道顶部。

图1 物理模型

2.2 数学模型

火灾时隧道中烟气流动状况符合流动和传热的基本规律，由于隧道采用了机械排烟，Re数范围为1.73×104～2.46×106，因此流动状态为紊流，计算采用了带有浮力修正的k－ε方程，流动与传热问题的控制方程都可以表达为统一的形式（表1），即通用控制方程［7］:

ηeff为有效粘滞系数；ηt为湍流脉动粘滞系数；η为动力粘滞系数；β、ν、ρ、P、T 分别为流体热膨胀系数、运动粘度、密度、压力、温度；ρref为流体相对密度；CD为经验常数；cp为定压比热容；g，重力加速度；k为湍流动能；ε为湍流动能耗散率。方程中其他系数的取值见表2。

表1 通用方程组参数项

表2 k－ε模型中系数的取值

2.3 网格划分及求解工况

采用CFX－ICEM对模型进行“O网格”划分，网格数量控制在40～45万间，如图2。将模型转换，导入CFX中迭代求解，残差控制在10～5内。计算采用试算方法，逐渐增加排烟风量，直至烟气被完全控制在排烟口和火源之间，即达到烟气得到控制时的临界排烟量Qpc。边界条件定义为:火源为面热源，根据模拟工况确定热流密度；隧道两端给出压力边界条件，相对压力为0；排烟管出口定义为流量边界。模拟过程中忽略壁面热损失，将壁面简化为绝热壁面。

图2 模型的网格划分

在交通隧道火灾中，大部分都是隧道内的车辆着火，不同车型的火灾热释放强度不同。目前在隧道通风设计中，隧道火灾强度主要取决于车载可燃物类型及其数量、车内装修和车载燃油量类型和数量等。目前，我国尚未对车辆火源强度做出明确规定，只有上海参照有关资料给出了已建隧道内车辆火源强度的建议值；一般参照美国国家防火协会502标准、国际道路学会建议值（PIARC，C5，1999）和根据通行车辆的种类来确定火灾规模［8］。例如轿车的最大 HRR为（3～5）MW、火车车厢的最大 HRR为（15～20）MW［9］。但研究［10］表明，在隧道封闭环境内，火灾热释放强度受环境条件、隧道断面大小、通风方式等影响，应适当考虑其增大系数。公路隧道火灾情况不尽相同，有可能是一辆车着火，或是多辆车相撞着火。本文模拟采用小尺寸模型，按与实际隧道尺寸相似比为1:20进行换算，本文模拟的相当于实际火灾强度为（3.5～22）MW，具体对应关系如表3。

表3 模型所用的HRR与对应的原型HRR

本文对排烟口与火源间3种不同的间距L，即L1、L2、L3分别为1.5m、2.5m和3.5m，模拟了2kW、4kW、6kW、8kW、10kW和12kW 6种不同HRR下的烟气运动情况，得到了烟气被控制时的临界排烟量Qpc，模拟工况及模拟结果见表4。

表4 模拟工况及模拟结果

3 模拟结果分析

本文所定义的达到的烟气控制效果指在一定排烟量下，火源产生的热烟气以一定角度偏离火源上方上升至顶棚处后大部分烟气经排烟口排出，少部分烟气向BA方向流动，但逆流烟气的前锋位置在竖直方向上与火源过B点的垂直断面平齐，即为烟气得到控制的临界状态，此时排烟量为Qpc，即为临界排烟量。为了便于研究，将模型分为5段，其中BC段为火源，DE段为排烟口（图3）。

图3 模型简化示意

从表4中可以得知:临界排烟量随着排烟口中心与火源中心间距离的增大而增大。临界状态下，L1时的排烟量Qpc比L2时可节省大约10.5%，比L3时可节省22%，这就意味着风机风量、设备投资和运行费用的减少，有较好的经济效益。因此在隧道发生火灾时应当就近开启排烟口排烟。由表4还可以看出:当火源与排烟风口间距离一定时，临界状态下的排烟量Qpc随HRR的增大而增大。

图4 不同模拟条件下ZX平面的温度分布（Y＝0.2m）

以HRR为4kW时的工况为例具体分析烟气温度分布特性。不同L时在临界排烟量下火源中心与排烟口间的温度分布如图4所示。

图4－1是时间为2500s时的烟气温度分布。由图可以看出:无机械排烟时，火源产生的烟气随着时间的推移逐渐向隧道两端呈对称状扩散，直到充满整个隧道。AB段距火源1m处烟气最高温度达到598K，EF段距火源2m处烟气最高温度达到523K。图4－2、4－3、4－4分别是火源与排烟口间距为L1、L2、L3时，临界排烟量下火源与排烟口间的温度分布。与无机械排烟时的温度分布明显不同:AB、EF段没有烟气，温度值约为298K左右；烟气主要集中在CD段，CD段的烟气有明显的温度分层。在AB段和EF段，火源与排烟口间的不同距离均能保证人员的安全疏散。

对于CD段的滞留人员，具体分析其中的烟气情况。我国《建筑设计防火规范》（GB50016－2006）对于人员安全疏散时的环境温度规定人在疏散时能承受的最高空气温度不超过353K。本文以人员疏散时的安全环境温度为333K，即疏散通道从地面起2m的逃生空间内，空气温度不超过333K。图5是不同HRR条件下，不同L时，Z＝0.1m（折算到实际隧道中为2m）与Y＝0.2m两平面的交线上的温度分布，图中以T＝333K的等温线，作为划分人员疏散时安全温度的界线。

图5 临界排烟量下Z＝0.1m和Y＝0.2m平面交线上的温度分布。

图中X轴是隧道长度的不同坐标，火源在X＝（4.9－5.1）m处；L1时排烟口位置为 X＝（6.4－6.6）m；L2时排烟口位置在X＝（7.4－7.6）m；L3时排烟口位置是X＝（8.4－8.6）m。图中可以看出:不同L时温度急剧上升的位置大约在X＝5.3m左右，而不是火源的边界线上方；不同L时的温度线再次达到299K时的位置均在排烟口处，从而保证了AB段和EF段人员的安全疏散。不同L时温度最大值集中在X＝（5.5－6.0）m。当环境温度小于333K时人员可以安全疏散。由于模拟所做的是稳态情况，暂不考虑人员逃逸的安全时间。

不同L时，T≥333K的区间互有交叉，且区间长度相差很小。临界状态下，同一HRR下不同的L对人员安全疏散的区间影响很小，需要进一步的分析和研究。

4 结语

本文主要研究了排烟口与火源间的距离L对临界排烟量的影响和不同HRR情况下，临界排烟量的变化情况，在本文的试验工况下和HRR范围内得出以下结论:

（1）临界排烟量随着HRR的增大、排烟口中心与火源中心间距离的增大而增大。

（2）在相同HRR情况下，对比不同L时达到烟气控制效果所需要的排烟量:火源与排烟口的间距为L1时，所需要的排烟量最小，比L2时节省约10.5%，比L3时节省约22%。

（3）在临界状态和相同HRR下，不同L对人员安全疏散区间影响很小，需要进一步进行分析研究。

［1］那艳玲.地铁车站通风与火灾的CFD仿真模拟与实验研究［D］.天津:天津大学，2003.

［2］钟灵杰.地下捷运排烟系统性能式设计安全验证与改善方法研究［D］.台北:国立台湾大学，2005.

［3］Vauquelin O，T elle D.Definition of experimental evaluation of the smoke confinement velocity in tunnel fires［J］.Fire Safety，2005（40）:320～330.

［4］Vauquelin O，Megret O.Smoke extraction experiments in case of fire in tunnel［J］.Fire Safety，2002（37）:525～533.

［5］徐 琳，张 旭.风口特性对集中排烟隧道烟气控制效果的影响［J］.暖通空调 HV＆AC，2008，38（3）.

［6］王 军，张 旭.公路隧道火灾排烟风口流量分配特性［J］.消防科学与技术，2008，27（10）.

［7］Yang Hui，Jia Li，Yang Lixin.Numerical analysis of tunnel thermal plume control using longitudinal ventilation［J］.Fire Safety Journal，2009（44）:1067～1077.

［8］顾 闻，乔宗昭，沈婕青.隧道通风设计中火灾释放量的取用［J］.地下工程与隧道，2005（4）.

［9］赵忠杰，苏诗琳.公路隧道火灾探测方法研究［D］.西安:长安大学，2007.

［10］BETTIS R J，JA GGER S F，MOODIE K.Reduced Scale Simulations of Fires in Partially Blocked Tunnels［C］／／EUREKA.Proceeding of the International Conferences on Fires in Tunnels.Boras:SP Fire Technology，1994.