隧道半横向排烟模式下不同排烟口分布的温度场数值模拟研究

代言明，刘鹏飞，陶维号，胡彦杰，姚 斌，王 强，唐 飞

（1．中交第二公路勘察设计研究院有限公司，武汉，430000；2．湖北省交通节能减排办公室，武汉，430000；3．中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，合肥，230026）

0 引言

近年来，出于交通现代化的需要，出现了越来越多的公路隧道。然而由于特殊环境的限制，特别是在水下环境条件下，隧道安全运营面临很大的挑战［1］。为此，国内外不少学者对隧道纵向通风下的火灾特点和烟气流动特性做过大量的相关研究［1－17］。其中，1993年，Bettis［7］等人进行了全尺寸隧道火灾试验，试验得出：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。法国的Vauquelin和Megret［8］采用1／20 的隧道模型进行了火灾排烟测试，研究了风机安装位置和出口形状对排烟效果的影响，认为风机安装在隧道顶部要比安装在侧墙上的排烟效果好。在隧道火灾安全研究方面，国内许多学者通过缩比尺寸模型实验、数值模拟和全尺寸实验等方式开展了大量的研究，研究内容着重于通风控制火灾时隧道的温度［2，9］、烟气的流向及流速［10］、隧道火灾的消防方法和救援预案［17］等，对火灾时的火焰动态特性以及隧道火灾增长发展的规律则研究较少。中国科学技术大学胡［6］等人在云南做了大量全尺寸隧道火灾实验，研究隧道火灾温度分布规律。此外，卢［18］研究了上海军工路水下双层隧道通风排烟方案。唐［19］等运用火灾动力学软件研究了纵向通风模式下南京长江隧道火灾过程中烟气蔓延的规律。

尽管前人做了大量的隧道火灾安全研究工作，但是对于半横向排烟模式下排烟口在火源上下游的分布对烟气层温度分布的影响却研究得较少。基于此，本文利用三维流体动力学模拟仿真软件平台，建立三维仿真模型，研究火灾发生在隧道盾构段典型区段时，排烟口分布对隧道内烟气层温度分布的影响，为隧道火灾烟气控制提供依据。

1 隧道概况

本文以某过江隧道为研究背景，该隧道为双管双层隧道，内径为13．3m，隧道上下层行车道侧面每隔30m 设置排烟口，规格分别为：1．5m×2m 和3m×0．75 m。火灾情况下，隧道通过控制相应风口的排烟风阀，按照火灾位置开启5个距火源最近的排烟口，将烟气就近迅速排除，其风流组织形式如图1所示。

图1 火灾位于盾构段气流组织图Fig．1 Air distribution of the shield section in the fire condition

由于隧道内空间狭长，发生火灾时往往会产生大量的浓烟并且含有大量CO 等剧毒物质，同时烟气的存在也将使能见度降低。此时火源上游的车辆通行往往受阻，由于逆流烟气的蔓延，上游阻滞人员生命安全受到极大的威胁。下游车辆由于可以继续驶出隧道，相对危险性较低。对于采用半横向排烟方式的隧道，如何设计排烟开口在火源上下游的分布方式，使得烟气控制在一定的范围内，避免逆流烟气对阻滞人员的安全构成威胁至关重要。

2 模型建立

2．1 模拟软件简介

本文使用了火灾动力学模拟软件FDS（版本号5．5．0）对隧道进行建模。FDS［20］可用于求解热浮力驱动的低马赫数Navier－Stokes方程，对于模型中的湍流结构一般使用大涡模拟（LES）方法，而对于火灾中的辐射热传导则通过有限容积法（Finite Volume Method）求解“灰色气体”的辐射输运方程来实现。FDS的控制方程如下［21］：

组分方程

动量方程

能量方程

气体状态方程

其中的各主要参量的含义为：ρ为密度，速度项为u＝［u，v，w］T，T为温度为各气体组分产生率为环境作用力，τij为应力张量为显焓，为单位体积热释放速率，为液滴蒸发热，为对流和辐射热流。

FDS采用大涡模拟，对于大尺度的湍流运动可以直接求解，而对于小尺度的湍流运动，则采用Smagorinsky亚网格模型［22］，模型中的流体动力粘性系数表示为：

流体的导热系数和物质扩散系数分别表示为：

Smagorinsky 亚网格模型中，Cs为Smagorinsky常数。大涡模拟中亚网格模型主要取决于三个参数［23］：Cs、Sc、Pr。在本文中，这三个参数取 为0．2、0．5、0．2。

2．2 模型结构

本文搭建了1000m 全尺寸三维隧道模型网格的尺寸，本文主要针对火源附近的温度场梯度和速度场梯度变化比较大的区域进行网格加密，而远离火源的区域由于温度速度梯度变化较小则采用较大网格。如图2 所示：排烟道和逃生道为0．25 m×0．25m×0．5m；行车道0．5m×0．5m×1m；且对火源上下游附近100m 范围内局部加密，网格尺寸0．25 m×0．25 m×0．25 m，根据McGrattan 等人［23］提出的网格计算方法，如果D＊／dx值在4 和16之间，就可以真实反映火灾场景，通过计算发现D＊／dx＝12．7，满足网格计算要求（针对20 MW火源）。

图2 隧道模型Fig．2 Numerical model of the tunnel

2．3 火灾场景设计

在模型中部设置一个20 MW 的火源，火源附近开启5 个开口，射流风机提供的纵向风速为2m／s，排烟风量110 m3／s。该隧道火灾场景设计思路如下：

1）验证原设计火灾场景排烟的有效性：建立三维隧道火场模型，在模型－4．5% 坡度段布置20 MW火源，火源附近开启5个开口，射流风机提供的纵向风速为2m／s，排烟风量110m3／s；

2）研究排烟口在火源上下游分布对排烟效果的影响：逐渐增加火源上游的排烟口个数并相应减少下游排烟口个数；

3）研究排烟口面积大小对排烟效果的影响：逐步加大排烟开口面积，研究其相应的排烟效果；

4）研究排烟口间距大小对排烟效果的影响；

5）研究排烟口宽高比（排烟口的宽度除以高度比值）对排烟效果的影响：对于特定面积的排烟开口，变化其宽高比，观察相应的排烟效果。

研究工况如表1所示：

表1 设计工况汇总表Table 1 Summery of numerical simulation conditions

4 20 2 110 3×0．75 上游3个，下游2个5 20 2 110 3×0．75 上游4个，下游1个6 20 2 110 3×0．75 上游5个，下游0个研究排烟口面积大小对排烟效果的影响7 20 2 110 1×2 下游5个8 20 2 110 1×3 下游5个9 20 2 110 1×4 下游5个10 20 2 110 1×5 下游5个研究排烟口间距大小对排烟效果的影响11 20 2 110 排烟口间距10m 下游5个12 20 2 110 排烟口间距20m 下游5个13 20 2 110 排烟口间距30m 下游5个14 20 2 110 排烟口间距40m 下游5个15 20 2 110 排烟口间距50m 下游5个研究排烟口宽高比对排烟效果的影响（高×宽）16 20 2 110 0．5m×6m 下游5个17 20 2 110 1m×3m 下游5个18 20 2 110 1．5m×2m 下游5个19 20 2 110 2m×1．5m 下游5个

3 结果与分析

3．1 排烟口在火源上下游分布对排烟效果的影响

结合模型逃生口的设置以及人员逃生相关的参数，研究了各工况下起火后300s、600s和900s时刻隧道内的温度分布。图3为模拟场景1～6在起火后300s、600s和900s时刻隧道内温度监测面截图。通过比较图3中各工况模拟结果可以看出：对于功率为20 MW 的火源，纵向风速为2m／s时，随着火源上游开口分布个数逐步增加，火源上游超过危险临界温度60℃的长度先相对稳定而后逐步增长，并且烟气沉降到隧道中间高度2／3以下的范围也相应增加，即意味着在一定区域范围内，排烟开口在火源上游分布越多，逆流烟气速度和长度越大。而火源下游的温度超过临界危险温度60℃的范围则逐步减小，但减小的幅度逐渐降低。另外，火源下游烟气层沉降高度却逐渐升高。这一现象我们将结合图4做一定的解释说明。由图3还可以看出，随着上游排烟开口个数的增加，下游排烟开口个数的相应减少，上游烟气层受横向排烟风流的扰动也越强烈，烟气层不稳定性增加。这是由于侧向排烟开口的卷吸形成的诱导风流作用造成的。当上游的开口逐渐增加时，上游的排烟风量也会逐步增大，从而形成更强的诱导风流使得更多的烟气更加迅速的向上游蔓延，加剧了火源上游的火灾危险性，同时对上游烟气层流动稳定性也造成了一定的干扰。

图4为稳定状态下隧道顶部中央纵向温度分布规律。由图4可以看出随着火源上游排烟开口数目逐渐增加，上游排烟诱导风流作用逐渐增强，发现：

1）火源下游的烟气蔓延范围同样可以看出先逐渐减小，而后又逐渐趋于稳定的规律。这是由于上游排烟开口数量增加以后，将增大上游的排烟能力，更多的烟气受到风流的诱导将会往上游运动。但是，由于上游的排烟风量的增加并不能完全控制下游烟气的蔓延。因此，当下游的排烟开口减少到一定个数之后下游的排烟能力和烟气蔓延能力实现了一个相对平衡的状态，使得下游的烟气蔓延长度基本趋于稳定；

图3 各模拟场景行车道中央温度监测面截图Fig．3 Temperature monitoring interface for each numerical simulation condition

图4 稳定状态下隧道顶部中央纵向温度分布规律Fig．4 Temperature distributions of the ceiling center in stable conditions

2）而火源上游烟气逆流长度开始时变化较小，而后（火源上游2个排烟口和下游3个排烟口以后）逆流长度又逐步增大。这是由于开始时增加火源上游排烟开口虽然可以排除部分逆流烟气，但是也对烟气形成了一定的诱导运动效果，弥补了上游逆流烟气的损失。然而随着上游开口数目的继续增加，诱导效果加剧，并且一定程度上削弱了纵向风流对逆流的抑制作用，使得上游烟气逆流长度反而增长；

3）火源上方最高温度逐步上升。这是由于火源上游排烟开口增加后，火源上游的排烟风量增加，流经火源的纵向风量逐步减小，其对火源的冷却作用也逐步降低，从而火源位置的温度也逐步升高。

3．2 排烟口面积、间距和宽高比等因素对排烟效果的影响

对于其他变换排烟开口的工况（7～19），我们主要关注了烟气在指定位置（火源上游32m，距火源最近的逃生通道位置）处烟气沉降使得临界危险高度2m 温度升高到临界危险温度60℃的时间。由图5中的模拟结果可以看出：

1）随着排烟开口面积的逐步增大，烟气蔓延下沉的速度先增加而后又逐步减小；

2）随着开口间距的逐渐增大，烟气蔓延下沉速度先增加而后又逐渐减小。根据模拟结果显示，开口间距为30m 左右时烟气相对较慢；

3）排烟口宽高和高度比值为0．75到3之间时，对烟气蔓延影响较小。

4 结论

本文利用FDS建立三维数值模拟模型，发现对于此类型的隧道结构，排烟开口的设置形式对隧道内烟气的蔓延过程有很大的影响。通过改变模型中排烟开口的分布方式、开口面积大小、开口间距和开口宽高比等关键因素，我们发现了以下规律：

图5 其他变化排烟开口设置工况温度分布模拟结果Fig．5 Temperature monitoring interface for other settings

（1）随着隧道火源上游排烟开口个数逐步增加，隧道火源位置上游逆流烟气层蔓延的速度有所增加，而下游的烟气蔓延速度相应减小，另外火源上游烟气层流场受到横向排烟风流的扰动而变得更加不稳定，并且下游烟气层沉降高度也逐步减小。

（2）随着隧道火源上游的排烟开口个数逐步增加，在隧道火源下游的烟气蔓延长度先减小而后又基本趋于稳定；同时，随着隧道火源上游的排烟开口个数逐步增加，在隧道火源上游的烟气逆流长度开始时候变化较小，而后来又逐步增加；火源位置处正上方温度随着火源上游的排烟开口个数逐步增加而逐渐升高。

（3）随着排烟开口面积的逐步增大，烟气蔓延的速度先增加而后又逐步减小；随着开口间距的逐渐增大，烟气蔓延速度先增加而后又逐渐减小。根据模拟结果显示，开口间距为30 m 左右时烟气蔓延相对较慢；排烟口宽度和高度比值为0．75到3之间时，对烟气蔓延影响较小。

（4）通过比较本文中不同排烟开口分布方式下的火灾工况模拟结果，可以得出火灾发生在盾构段时，宜考虑开启火源下游附近5 个排烟口的排烟模式。

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