竖井横截面积对隧道自然排烟效果影响的实验研究

韩见云，纪 杰，王培永

（1．中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，合肥，230026；2．海洋石油工程股份有限公司，天津，300452）

0 引言

随着城市化进程的加快，地下公路隧道作为缓解城市交通压力的有效方式之一，在世界各国大量涌现。但是城市地下公路隧道在给交通、生活带来巨大便利的同时，伴随而来的火灾事故也频繁发生，并造成了巨大的社会影响和经济损失。统计资料显示，火灾烟气中的有毒气体，如一氧化碳、HCN 等，是造成人员伤亡的主要因素，85%以上的伤亡者大部分是因为吸入了烟尘及有毒气体昏迷后致死的［1］，因此，快速有效地排出有毒烟气，是减少火灾损失的重要保障，也是国内外学者研究的热点。

在工程实践中，机械排烟和自然排烟是公路隧道主要采用的排烟方式，目前国内外学者对隧道内机械排烟条件下火灾烟气的控制研究比较深入，而对于竖井自然排烟的研究则相对较少，主要针对竖井自然排烟的可行性和有效性进行了初步研究。王彦富等人在某顶部开口的隧道内进行了全尺寸火灾实验，对隧道的自然排烟特性进行了分析，研究了烟气回流距离、顶 棚射 流温度等参数［2，3］。Huang 等人采用Fluent软件对某地铁隧道竖井的形状、数量对自然排烟效果的影响进行了研究，得到了改变竖井的形状与数量对竖井排烟量的影响［4］。毕海权等使用CFD 模拟软件STAR－CD 计算了某城市隧道竖井自然排烟的效果，得到了烟气在该隧道内的最大蔓延距离［5］。Ji研究了隧道竖井自然排烟导致的烟气层吸穿和边界层分离现象，并提出了相应的判定模型［6］。Fan研究了隧道竖井自然排烟时的空气卷吸模式［7，8］。Zhong分析了隧道内纵向通风对竖井自然排烟的影响规律［9］。可见，城市隧道的自然通风排烟问题引起了国内外一些学者的关注，但目前对于竖井不同截面尺寸下自然排烟效果，尚未有学者进行深入分析。

隧道发生火灾时，火源产生的烟气撞击顶棚后沿隧道顶棚纵向流动，蔓延到竖井下方时，在竖井内外压差产生的烟囱效应的作用下，烟气通过竖井排出隧道。竖井自然排烟的驱动力主要是竖井内外压差引起的烟囱效应，而烟囱效应的强弱与竖井形态有直接的关系，因此，竖井形态是影响竖井自然排烟效果的一个非常重要的参数。因此，本文在中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室的1∶6小尺寸隧道实验台上进行实验，在不同的火灾规模和竖井尺寸下，通过分析竖井排烟量、出口处CO 浓度以及烟气温度等参数的变化，来研究竖井形态对自然排烟效果的影响，以期能够对自然排烟竖井的设计和工程应用提供指导。

1 实验设计

本实验在相似比为1∶6的小尺寸隧道实验台上进行，实验台主体尺寸为6m（长）×2m（宽）×0．88m（高），顶面、底面和一侧铺设8mm 厚的防火板，另一侧为6mm 厚的防火玻璃，以便观察实验中火源燃烧和烟气流动情况，两端开口。排烟竖井高0．8m，截面尺寸6 种：10cm×20cm，20cm×20cm，17．5cm×35cm，35cm×35cm，25cm×50cm，50cm×50cm。对于长方形竖井有两种放置方式：横向和纵向。横向方式是指竖井截面较长的一边沿隧道横向放置，纵向方式是指竖井截面较长的一边沿隧道纵向放置，如图2所示。

图1 实验台及测点布置图Fig．1 The schematic of experimental apparatus

本文的所有实验工况均采用液化气作为燃料，其优点是火源功率稳定且调节方便。火源系统由燃气罐、流量计、多孔燃烧器组成，通过调节燃气流量，模拟不同功率的火源，并使火源功率在实验过程中保持稳定。气体火源的热释放速率可以通过下式求得：

式中，是气体燃料的质量流率，可以通过体积流量进行换算，Hc为液化气的燃烧热值，本文参考阳东博士论文的取值，0．3m3／h 对应的火源功率为8．8kW。

图2 竖井放置方式Fig．2 The shaft placement

表1 实验工况汇总Table 1 The summary of experiments

本次实验共采用两种流量，1．0m3／h 和2．0m3／h，分别对应火源功率为29．5kW 和59kW。火源距离实验台左端1．4m。竖井中心距实验台左端4．2m，在竖井正下方和隧道上游距离左端开口3m 处分别布置一串竖向热电偶，最高点距离顶棚2cm，各测点之间的间距2cm，每串热电偶16个测点。在竖井顶部出口处均匀布置四个温度测点，一个CO 浓度测点以及两个速度测点，如图1（a）竖井俯视图所示。隧道右端出口处布置一串竖向热电偶以及两个速度测点用来测量隧道出口处溢流烟气的参数，热电偶最高点距离顶棚2cm，间隔1．5cm，共16个测点，两个速度测点分别距离隧道顶棚5cm 和13cm。实验测点布置示意图如图1所示，实验工况如表1所示。

2 实验结果分析

2.1 吸穿现象

隧道发生火灾后，火源燃烧形成向上运动的烟气羽流，羽流撞击顶棚后，沿径向向四周自由蔓延，直到遇到隧道两侧壁面的阻挡后，烟气在侧壁的作用下逐渐由二维的径向运动转变为一维的水平流动，当烟气运动到竖井所在区域以后，通过竖井排出隧道。烟囱效应是隧道内发生火灾时烟气能够通过竖井排出的主要驱动力，它主要是由于隧道内烟气和环境空气的温度差引起的，温度差引起密度差，这种密度差使烟气在隧道内受浮力作用向上运动，温差越大，烟囱效应越明显。

烟气通过竖井排出的过程主要受到自身的水平惯性力与烟囱效应引起的竖向惯性力的作用，在竖井下方由于竖向惯性力的作用会使得大量空气卷吸进入烟气层中，其中的一部分通过竖井排出，另一部分随烟气从隧道右端溢流到外界环境中。烟囱效应增强时，烟气受到的竖向惯性力越来越大，排烟口下方烟气层的凹陷程度也越来越明显，当烟囱效应增强到一定程度时，烟气层凹陷区的最高点进入竖井，排烟口下方的烟气层厚度变为0，大量冷空气被直接吸入竖井，即发生了烟气层吸穿现象，如图3 所示［6，8］。当发生吸穿现象时，将大大降低竖井的自然排烟效果。

图3 竖井下方烟气层吸穿现象Fig．3 The plug－holing at the bottom of vertical shaft

当火源功率一定时，隧道内形成的烟气层厚度一定，竖井截面面积越大，隧道内的相对烟气层厚度（隧道内烟气层厚度相对竖井截面尺寸）变小，此时会有大量空气卷吸进入竖井，导致竖井内的烟气温度降低，相应地竖井内外压差变小，排烟速度变小，降低竖井的自然排烟效果。火源功率增大及竖井截面尺寸同时增大，隧道内的烟气层相对厚度可能变大或变小，若变小，大量冷空气稀释进入竖井的热烟气，导致内外压差降低，从而降低竖井自然排烟效果；若变大，则增加竖井的自然排烟效果。

图4 竖井出口CO 浓度Fig．4 The CO concentration at shaft exit

图5 竖井出口烟气速度Fig．5 The velocity at shaft exit

2.2 竖井横截面积对自然排烟效果的影响

图中上下游即是图1（a）竖井俯视图中对应的上下游测点所测得的数据。图4为不同横截面积下竖井出口的CO 浓度。随着竖井横截面积的增大，竖井出口的CO 浓度呈现递减的趋势，较大流量工况的CO 浓度递减趋势比较小流量的明显。而同一横截面积竖井出口处的上下游CO 浓度相差很小，基本都在测量误差范围之内，可以认为上下游的CO 浓度相等，即竖井出口处烟气混合均匀。在一定的火源功率下，竖井横截面积越大，越多的空气进入竖井，与竖井内的热烟气进行掺混，在竖向惯性力的作用下排出。卷吸的大量空气稀释了进入竖井内的热烟气，导致热烟气浓度降低。由图4可知，火源功率越大，竖井横截面积的增大对竖井排出烟气的稀释程度影响越大，卷吸进入烟气层的空气中通过竖井排出的部分越多。对于较小火源功率，随着竖井横截面积的增大，竖井出口处CO 浓度降低的趋势不明显，尤其是20cm×20cm 的竖井截面到35cm×35cm 的竖井截面，上游的CO 浓度基本相等，下游的CO 浓度略微下降。

图5是不同竖井横截面积竖井出口处的烟气流速。随着竖井横截面积的增大，竖井出口处的烟气流速持续下降，竖井下游的烟气流速都略大于上游。烟气排出速度和烟囱效应的强弱有直接关系，当竖井内外温差很大，产生相当大的压差，进而会有很强的烟囱效应。当竖井尺寸为20cm×20cm 时，从图4可以看出，无论火源功率大小，竖井出口处的CO浓度都是三种竖井尺寸中最大，也就是说竖井排出的热烟气浓度越大。竖井排出的热烟气浓度越大，竖井内外产生的温差就越大，从而有比较强的烟囱效应。因此，横截面积较小的竖井排出烟气的流速比较大。随着竖井尺寸的增大，排出烟气的浓度逐渐降低，相应地烟囱效应减弱，排出烟气的流速也呈现下降趋势。从图5中可知，火源功率较大的烟气排出速度相应也大。

图6和图7为不同火源功率对应的竖井出口处的温升。图中已经标示出烟气温度测点在竖井出口处的布置方式，横坐标“1”、“2”、“3”、“4”与竖井出口测点序号相对应。通过比较图6和图7可知，两幅图的曲线变化趋势基本相同，火源功率较大时，相应的温升也比较大。图6 和图7 所示，小尺寸竖井20cm×20cm 出口处的温升都比较高，小功率的工况对应的温升在24℃左右，大功率的工况对应的温升在30℃左右，说明此时通过竖井出口排出的气体中掺混的空气量比较少；随着竖井截面尺寸的增大，排烟口附近的烟气通过竖井排出，当隧道内蓄积的烟气不足以迅速补充到排烟口下方时，导致排烟口处空气与烟气的掺混加剧，甚至有一部分空气会直接进入竖井里面，从而使测得的开口处温升越来越低。

竖井的内外温差的大小和热烟气的浓度以及烟囱效应的强弱有直接的关系，内外温差较大，说明竖井排出的热烟气浓度也大，产生的烟囱效应也会比较强，从而竖井排出的烟气中CO 浓度比较大，相应的排出速度比较大，这和图4和图5中竖井出口处所测得的CO 浓度和烟气流速数值大小很相符。而20cm×20cm 小竖井出口处的四个测点所测温升大小基本相等。这是因为在竖井内部，卷吸进入的冷空气或由于吸穿直接进入竖井内的冷空气与热烟气在上升过程中发生掺混，在竖井出口处混合得比较均匀，各个位置的烟气温度比较均匀，从而四个测点所测温升基本相等。

图6 ＝29．5kW 竖井出口处温升Fig．6 The temperature rise at shaft exit with ＝29．5kW

图7 ＝59kW 竖井出口处温升Fig．7 The temperature rise at shaft exit with ＝59kW

随着竖井尺寸的增大，越靠下游位置的温升相对于靠近上游位置的温升有所增大，而竖井尺寸为50cm×50cm 时，出口“2”位置处的温升想对于其他三个测点的温升有一个明显的下降趋势。隧道内的热烟气由竖井底部开口上游位置进入，斜向上流向竖井顶部开口下游位置，因此下游的烟气浓度、温升以及速度都比较大。烟气在运动过程中要不断卷吸周围空气，而竖井左侧壁面的存在限制了烟气的卷吸，因此烟气会向壁面靠近。本课题组在研究城市地下隧道竖井自然排烟过程中同样发现了烟气沿着隧道顶棚一维蔓延进入竖井时发生边界层分离之后又重新吸附到竖井侧壁的现象［6，8］。Harrison在研究粘附溢流的卷吸问题时也观察到了这种现象［10－12］。热烟气重新粘附到竖井左侧壁面通过竖井上游排出，因此位置“1”处的温升比较高。

图8 ＝29．5kW 竖井正下方温升Fig．8 The temperature rise under shaft with＝29．5kW

图9 ＝59kW 竖井正下方温升Fig．9 The temperature rise under shaft with ＝59kW

图8和图9不同火源功率对应的竖井正下方热电偶串测点所测数据曲线，横坐标是热电偶测点的纵向高度。由图8和图9可知，只有小尺寸的竖井20cm×20cm 正下方有温升，其他两个尺寸的竖井温升基本在0℃附近，说明此处即竖井正下方基本没有烟气，烟气层厚度为0，发生吸穿现象。

提出一个理想排烟量，即隧道内的烟气与冷空气不发生卷吸，充满整个竖井的排烟量，ms，ideal，用下式来计算竖井自然排烟效率：

式中，m，烟气质量流量，kg／s；ρ，烟气密度，kg／m3；u，烟气流速，m／s；A，竖井横截面积，m2；T，烟气温度，K；CO，一氧化碳浓度，mol／mol。下标shaft和tunnel分别指竖井和隧道烟气参数。

图10 竖井出口质量流量Fig．10 The mass flow rate at shaft exit

图11 竖井出口纯烟气质量流量Fig．11 The mass flow rate of pure smoke at shaft exit

图10是竖井出口质量流量，图11是质量流量与排烟效率的乘积，即竖井出口排出烟气中的纯烟气流量。可以看出，当竖井横截面尺寸较小时排烟口下方的烟气层并不会吸穿，竖井排出的气体中烟气的深度更高，但是其总体的排烟量比较小；而当竖井尺寸过大时，发生吸穿现象，隧道下部大量地空气直接通过竖井排出，大大降低了其排烟效率。因此，对于竖井自然排烟来说，只有在合适的尺寸下竖井即能够排出更多的烟气同时又保证有足够的排烟量，从而达到最佳的排烟效果。

如图12所示，当竖井尺寸为20cm×10cm 时，火源功率为29．5kW，竖井出口CO 浓度横向放置比纵向放置的大；火源功率为59kW，竖井出口CO浓度横向放置比纵向放置的小。当竖井尺寸为35cm×17．5cm 时，火源功率为29．5kW，竖井出口CO 浓度纵向放置比横向放置大，而纵向放置时竖井上游的浓度比下游的大；火源功率为59kW，横向放置的竖井出口CO 浓度与纵向放置竖井出口下游的CO 浓度基本大小相等，而纵向放置时竖井上游的CO 浓度偏大一些。当竖井尺寸为50cm×25cm时，火源功率为29．5kW，两种放置方式竖井出口的CO 浓度基本相等，而纵向放置时上下游的浓度大小也基本相差不大，近似认为相等；火源功率为59kW，横向放置的CO 浓度明显大于纵向放置的CO 浓度。

图12 竖井出口处的CO 浓度Fig．12 The CO concentration at shaft exit

图13 ＝29．5kW 竖井正下方温升Fig．13 The temperature rise under shaft with ＝29．5kW

由图13、图14可知，20cm×10cm 的竖井不管是横向放置还是竖向放置在两种火源功率下都没有发生吸穿，而35cm×17．5cm 的竖井在横向放置时两种火源功率下都没有发生吸穿，但是纵向放置时都发生了吸穿，最大竖井50cm×25cm 在两种火源功率下也都发生吸穿。同样横截面的竖井，沿隧道横向放置即竖井较长的一边垂直于烟气流动方向放置时不易发生吸穿。火源功率大，水平惯性力也大，当竖井较长一边垂直于烟气蔓延方向时也就是横向放置时，进入竖井的烟气有一个很大的向下游运动的力，而此种放置方式的竖井长度即烟气蔓延方向的长度比纵向放置时对应的长度小了一半，因此横向放置的有效排烟面积比纵向放置的排烟面积小，所以竖井出口的CO 平均浓度低于纵向放置。相反，火源功率小时，水平惯性力也比较小，烟气在竖向惯性力的作用下很快通过竖井排出。

图14 ＝59kW 竖井正下方温升Fig．14 The temperature rise under shaft with ＝59kW

图15 竖井出口纯烟气质量流量Fig．15 The mass flow rate of pure smoke at shaft exit

图15是质量流量与排烟效率的乘积，即竖井出口排出烟气中的纯烟气流量。随着竖井横截面积的增大，竖井排出的纯烟气质量也随着增大，但对于50cm×25cm 的竖井，较大火源功率59kW 纵向放置时的纯烟气质量流量明显低于横向放置。火源功率为29．5kW 时，20cm×10cm 的竖井横向放置和纵向放置的纯烟气流量相差不大，几乎相等。同样，35cm×17．5cm 的竖井在火源功率为59kW 时，纯烟气质量流量在两种放置方式下几乎相等。其他工况中，纵向放置的纯烟气排出流量比横向放置的纯烟气流量都略微大一些。因此，竖井的放置方式对排烟效果有很大的影响，火源功率小时，小尺寸竖井纵向放置比横向放置排烟效果好，火源功率大时，大尺寸的竖井横向放置比纵向放置排烟效果要好一些。O．Vauquelin［14］研究了竖井截面形状对机械排烟效果的影响，实验结果显示在相同的竖井横截面面积以及火源功率一定时，横向放置比纵向放置的机械排烟效果好，这和本文中较大火源功率的实验结果相吻合。

3 结论

通过对城市公路隧道内采用竖井自然排烟时烟气运动状态的研究，得到了竖井横截面尺寸与放置方式对自然排烟效果的影响规律。结果表明，烟气在竖井内的运动状态与竖井横截面尺寸密切相关，竖井尺寸不能太小，太小排出的烟气量比较少，太大排出的烟气中空气含量增大也不会改善排烟效果，竖井大小适中才能达到最佳的排烟效果。而且，竖井的放置方式对排烟效果有很大的影响，火源功率小时，小尺寸竖井纵向放置比横向放置排烟效果好，火源功率大时，大尺寸的竖井横向放置比纵向放置排烟效果要好一些。

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