基于机械排烟效率的隧道火灾安全管理研究

李林杰，李旭彦，刘佳亮

(1.重庆交通大学 土木工程学院,重庆 400074;2.科技部基础研究管理中心,北京 100862)

基于机械排烟效率的隧道火灾安全管理研究

李林杰1，李旭彦2，刘佳亮1

(1.重庆交通大学 土木工程学院,重庆 400074;2.科技部基础研究管理中心,北京 100862)

火灾中机械排烟的速率过大会导致吸穿现象，进而引起排烟效率大大降低，在隧道火灾中，由于没有稳定的蓄烟空间，烟气在隧道中具有定向的流动，吸穿现象的发生与中庭中不同。根据质量守恒定律分析了隧道火灾机械排烟的吸穿现象，得到隧道火灾中机械排烟的临界Froude数值为1.8。为了检验该结论，利用数值模拟分析了几种典型的隧道火灾机械排烟工况，模拟结果表明该结论可以很好地判定隧道火灾机械排烟的吸穿现象。

隧道火灾；排烟效率；吸穿；火灾安全

火灾是隧道内可能发生的重要安全威胁，由于隧道的封闭性，发生火灾之后，容易造成较大的安全事故。据统计，火灾中大部分的人员伤亡来自于火灾烟气中的有毒气体，所以在火灾发生之后，如何控制烟气在隧道中的蔓延便是一个重要的问题。隧道中的排烟有自然排烟和机械排烟两类，自然排烟成本较低，应用广泛，但可靠性较差；机械排烟相对成本较高，但具有更好的可靠性。机械排烟在隧道中大致可以分为两类，对于较短的隧道，一般采用纵向排烟，即利用风机直接将烟气从隧道的一个出口向另一个出口吹出，避免烟气的回流；对于较长的隧道，多采用横向排烟，即利用隧道内的管道和风机，将隧道内的烟气从排烟管道内向外排出，同时结合送风管道向隧道内送风。对于隧道内机械排烟，前人已经做了大量的研究，VAUQUELIN[1]利用小尺寸实验研究了排烟口的位置、排烟口的形状及火源功率等对机械排烟效能的影响。ZHONG等[2]研究了纵向风对隧道自然排烟效率的影响，指出吸穿现象是影响排烟效率的重要因素。FAN等[3-4]通过数值模拟和实验研究了竖井自然排烟的吸穿现象，结合实验和理论分析，提出了防止吸穿现象的竖井临界高度准则。姜学鹏等[5]研究了隧道集中排烟过程中的吸穿现象，研究结果表明，吸穿现象会降低整个排烟系统的排烟效率。影响排烟效率的一个重要因素就是吸穿现象，即在排烟速率过大时排烟口将会把烟气层下方的空气直接吸入排烟口，导致排烟效率的大幅下降[6]。COOPER[7]根据烟气层的稳定系构建了基于Froude数的吸穿模型，提出了预测吸穿现象的临界Froude数，该模型适用于自然排烟和中庭的机械排烟,可用来判断发生吸穿现象的临界排烟速率。在隧道火灾中，烟气运动与房间火灾不同，烟气层没有稳定的蓄烟空间，导致烟气在隧道中具有水平的流动速度，COOPER的基于烟气层稳定性的Froude模型能否用于判定隧道中的吸穿现象还没有定论。笔者将从质量守恒的角度来分析排烟情况下的吸穿现象，并提出在隧道火灾中排烟时吸穿的临界判据。

1 烟气层吸穿现象的模型

1.1 吸穿现象的传统模型

COOPER等提出的吸穿模型认为发生吸穿时，由于排烟的速率过大，导致烟气层发生失稳，引发了空气与烟气的剧烈掺混，可以用一个Froude值来判断烟气层失稳现象的发生。COOPER的吸穿模型预测了中庭内烟气发生吸穿现象的临界排烟速率。目前，对于吸穿现象的研究主要是针对具有稳定蓄烟空间建筑中的排烟过程，而隧道内火灾机械排烟与中庭等具有稳定空间的机械排烟的不同之处在于，中庭内烟气具有稳定的蓄烟空间，而隧道中没有稳定的蓄烟空间，烟气在隧道内将有一个定向的流动，导致隧道火灾中机械排烟的吸穿现象和中庭中机械排烟的吸穿现象有所不同。

图1所示为机械排烟示意图，d为无排烟时烟气层的厚度，排烟时排烟口下方的烟气层厚度会受到排烟速率的影响，如果排烟速率较小，则近似认为排烟口下方烟气层厚度等于d；随着排烟速率继续增大，排烟口下方烟气层厚度逐渐变薄；当排烟速率达到某个临界值时，排烟口下方将没有稳定的烟气层，即认为此时的烟气层厚度为0，便发生了吸穿现象。

图1 机械排烟示意图

1.2 基于质量守恒的吸穿模型

基于质量守恒定律，可以从另外一个方面来分析吸穿现象。当发生火灾时，烟气由于浮力的作用，位于空气层上部，机械排烟时，排烟口下方的烟气被吸入排烟口，烟气层便发生凹陷(见图1)，由于空气和烟气存在密度差，凹陷区将与周围的烟气产生压强差，周围的烟气在压强差的作用下流向凹陷区域，使得烟气层下方的空气不能进入机械排烟口。当排烟速率过大时，凹陷区域附近流向排烟口的烟气量小于排烟量，这样就会导致凹陷区域下方的冷空气进入排烟口，发生吸穿现象，导致排烟的效率降低。

在排烟时，排烟口下方发生凹陷，由于烟气和空气层之间的密度差会产生压强差，根据伯努利方程，可以计算烟气流向排烟口下方的速度：

(1)

式中：P0为烟气层与空气层分界面的压强；h为距离分界层的高度；ρ0为空气的密度；ρs为烟气的密度；uh为排烟口下方距离烟气层分界面高度为h处的烟气流动速度，计算得该速度为：

(2)

如图1(b)所示，将临界吸穿时候的凹陷区域简化成一个圆锥体，发生吸穿时，通过圆锥面流入凹陷区域烟气的最大体积流量为：

(3)

(4)

根据文献[1]和文献[8]等的研究，临界吸穿现象发生和实验的尺寸无关，所以可假设临界吸穿情况下的凹陷区域形态都是自相似的，即认为发生临界吸穿时凹陷区域的角度θ是一个常数。

根据质量守恒定律，排烟时不发生吸穿现象的最大排烟量必须小于等于排烟口下方凹陷区域附近由于烟气和空气之间的压强差产生的最大烟气体积流量，即：

(5)

式中:u为排烟口烟气的流动速度；A为排烟口的面积。结合理想气体状态方程：

ρ0·T0=ρs·Ts

(6)

可以将不等式转换成如下的等价形式：

(7)

这样，就可以得到与Froude模型类似的结果，根据 LOUGHEED等的研究结果，式(7)右边应该等于1.5，即：

(8)

tanθ≈0.422

(9)

1.3 模型检验

图2 排烟口烟气流动示意图

(10)

将Vmax和tanθ的值代入式(10)可以得到：

(11)

这个结果和LOUGHEED等研究的排烟口靠近侧壁时吸穿的临界Froude数值1.1非常接近。证明通过排烟量与流向凹陷区域烟气流量守恒分析得到的吸穿结果是可靠的。

2 隧道内排烟的吸穿现象

当在隧道中开展机械排烟时，由于隧道中没有稳定的蓄烟空间，隧道内的烟气沿着隧道方向流动，分别分析隧道火灾排烟时排烟口下方由于烟气层凹陷导致的从4个方向流过来的烟气量。由于隧道内烟气的定向流动速度方向平行于隧道侧壁，并且排烟口下游烟气流向凹陷区域较少受隧道烟气流动影响，因此假设临界吸穿时，只考虑隧道内烟气流动对从机械排烟口上游流入排烟区域的烟气量的影响。从机械排烟口上游流向排烟区域的烟气具有初始的流动速度，利用伯努利方程，可计算得到隧道上游烟气的初始速度为：

(12)

上游烟气在临界吸穿时流向排烟口下方凹陷区域的速度可以再次利用伯努利方程进行计算：

(14)

对上游烟气流动引起的烟气体积流量可以用类似的方法进行计算，上游流入圆锥体内的烟气体积流量为：

(15)

那么在隧道排烟过程中，排烟口下方流过来的烟气的总体积可以用这两部分之和来表示，不发生吸穿的情况下应有如下不等式：

(16)

不等式等价转换之后有：

(17)

即隧道火灾排烟吸穿的临界Froude值为1.8。

3 数值模拟验证

为了对理论分析的结果进行验证，笔者选用美国NIST开发的计算机流体力学(CFD)模拟程序FDS(fire dynamics simulator)对隧道火灾机械排烟的吸穿现象进行模拟。根据隧道尺寸的调研，选择了模拟隧道的尺寸为：长50 m，宽12 m，高5.5 m，排烟口的面积为1.5 m×1.5 m。排烟速率从1 m3/s开始按照1 m3/s的速率递增(4 MW的火源补充了5.5 m3/s的排烟速率)，直到能够发生吸穿现象。 随着排烟速率的增大，排烟口下方的凹陷增加，在发生吸穿的情况下，排烟口下方烟气层厚度为0。实验上判断烟气层厚度的常见方法主要有N百分比法、积分比法等[9]。N百分比法由于使用简单，应用广泛，但是N的取值受到使用者以往经验的影响，具有一定的主观性，因此需要使用者对实验工况具有较高的认识，否则使用时容易出错[10]。积分比法则可以排除人为因素的干扰，笔者模拟实验中依据积分比法利用FDS中的语句来计算烟气层厚度[11]。

实验模拟了6种火源功率，分析在不同火源功率下临界吸穿时的Froude数值。无排烟时烟气层溢流速度和温度都取排烟口位置下方烟气层中几个测点的平均值，烟气层厚度用FDS中的语句计算，其原理是积分比法。随着排烟速率的增大，排烟口下方的凹陷增加，在发生吸穿的情况下，由于空气与烟气的掺混，排烟口下方的烟气温度变得很低，但是并不等于环境温度。当排烟口下方的温度相差不大，且基本不随排烟速率的增大而改变时，即发生了吸穿现象。模拟不同火源功率下隧道火灾机械排烟的临界吸穿速率如表1所示。

表1 模拟的火源热释放速率与相应的临界吸穿速率

如图3所示为火源功率为4 MW时几种典型的排烟速率情况下排烟口下方的温度等值线图。当机械排烟速率为1.0 m3/s时，机械排烟对烟气层的温度分布影响很小；当机械排烟速率为3.0 m3/s时，排烟口下方烟气层温度降低，有明显的凹陷，仍然没有吸穿；当机械排烟速率为5.5 m3/s时，发生了吸穿现象，下层的空气直接进入机械排烟口。这与通过FDS命令得出的临界吸穿速率一致，说明积分比法能够较好地判定吸穿。

图3 火源功率为4 MW时排烟口下方的温度等值线图

图4所示为火源功率为4 MW时几种典型的排烟速率情况下排烟口下方的速度矢量图。当机械排烟速率为1.0 m3/s时，机械排烟只排出了上层的烟气，没发生吸穿现象；当机械排烟速率为3.0 m3/s时，排烟口下游附近的烟气获得向下的速度分量，卷吸的空气增多，仍然没有吸穿；当机械排烟速率为5.5 m3/s时，发生了吸穿现象，下层的空气直接进入机械排烟口。这与通过FDS命令得出的临界吸穿速率一致，这也验证了积分比法判定吸穿的可靠性。

图4 火源功率为4 MW时排烟口下方的速度矢量图

图5 火源功率为4 MW，临界吸穿时排烟口下方横向和纵向的温度分布

图5所示为临界吸穿时排烟口下方横向和纵向的烟气温度切片。由图5(a)可以看出，从排烟口两侧流入排烟口的烟气温度和从排烟口上游流入排烟口的温度近似相等，说明从排烟口下游流入排烟口的烟气中掺混了较多的空气。从图5(b)可以看出，在临界吸穿情况下，从排烟口上游流入排烟口的烟气温度比从排烟口下游流入的烟气温度高；且机械排烟造成的烟气凹陷的中心点不在排烟口的正下方，而是在排烟口正下方偏下，这正是由于烟气在隧道中的定向流动造成的。

图6 火源功率为4 MW，临界吸穿时排烟口下方横向和纵向的速度矢量分布

图6所示为临界吸穿时排烟口下方横向和纵向的烟气流动速度矢量分布。从速度矢量图可以看出，机械排烟发生临界吸穿情况下，从排烟口上游流入排烟口的烟气流速比从排烟口下游流入排烟口的烟气流速大；从排烟口左右两边流入排烟口的烟气流速基本相同。这同理论分析的结果基本一致。类似地，从图6(b)可以看出，由于烟气在隧道中的定向流动，排烟口下方烟气的流动速度在纵向上并不对称，这正是由于烟气在隧道内的定向流动导致了隧道内机械排烟发生吸穿的情况与中庭中不同。

根据模拟得到的不同火源功率下机械排烟发生吸穿的临界排烟量，可以计算出对应的吸穿临界Froude数值，如表2所示。根据计算结果，得到在隧道火灾机械排烟过程中，吸穿的临界Froude值在1.9附近，当Froude值大于1.9时，将发生吸穿现象。这同理论分析得到的隧道内机械排烟吸穿的临界Froude值1.8非常接近，说明理论分析的结果是可靠的。

表2 不同火源功率下的临界吸穿排烟速率及相应的Froude数值

4 结论

笔者通过理论分析，从质量守恒的角度分析了排烟过程中的吸穿现象，认为吸穿现象发生的条件是排烟的速率大于排烟口下方烟气流向排烟口的最大速率。吸穿现象发生之后，由于排烟口吸入了大量的空气，机械排烟的效率会大大降低。基于伯努利方程，计算了排烟口下方烟气流向排烟口的最大速率，得到了吸穿现象发生的临界判据。并利用前人的研究结果对该判据进行了检验，结果表明利用质量守恒方法分析得到的结果是可靠的。将该方法运用于分析隧道火灾机械排烟的吸穿现象，通过理论分析，得到隧道火灾吸穿的临界Froude值为1.8。利用数值模拟的方法分析了典型的隧道火灾机械排烟的临界Froude数值，对理论分析的结果进行检验，模拟得到不同隧道火灾机械排烟吸穿临界Froude值的平均值为1.9，与理论分析的结果非常接近，表明理论分析的结果是可靠的。

[1] VAUQUELIN O. Experimental simulations of fire-induced smoke control in tunnels using an “air-helium reduced scale model”: principle limitations results and future[J]. Tunneling and Underground Space Technology, 2008,23(2)：171-178.

[2] ZHONG W, FAN C G, JI J, et al. Influence of longitudinal wind on natural ventilation with vertical shaft in a road tunnel fire [J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2013,57(2):671-678.

[3] FAN C G, JI J, GAO Z H , et al. Experimental study of air entrainment mode with natural ventilation using shafts in road tunnel fires [J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2013,56(1):750-757.

[4] JI J , GAO Z H , FAN C G. Large eddy simulation of stake effect on natural smoke exhausting effect in urban road tunnel fires [J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2013,66(6):531-542.

[5] 姜学鹏，袁月明，李旭.隧道集中排烟速率对排烟口下方烟气层吸穿现象的影响[J].安全与环境学报，2014(2):36-40.

[6] LOUGHEED G D, HADJISPHOCLEOUS G V, MECARTNEY C, et al. Large-scale physical model studies for an atrium smoke exhaust system [J]. Ashrae Transactions, 1999,105(1):1-23.

[7] COOPER L Y.Smoke and heat venting in SFPE handbook of fire protection engineering [C]∥3rd Society of Fire Protection Engineers and National Fire Protection Association. Boston:[s.n.], 2002:3-9.

[8] LI L J, GAO Z H, JI J, et al. Research on the phenomenon of plug-holing under mechanical smoke exhaust in tunnel fire [J]. Procedia Engineering, 2013(62):1112-1120.

[9] 毛少华，祝实，李元洲，等.低温烟气层高度的一种新计算方法及实验验证[J].燃烧科学与技术，2012,18(5):436-440.

[10] COOPER L Y, HARKLEROAD M, QUINTIERE J. An experimental study of upper hot layer stratification in full-scale multiroom fire scenarios[J]. Journal of Heat Transfer, 1982,104(4):741-749.

[11] HE Y P, FERNANDO A, LUO M C. Determination of interface height from measured parameter profile in enclosure fire experiment[J]. Fire Safety Journal, 1998,31(1):19-38.

LI Linjie:Assoc. Prof. ; School of Civil Engineering,Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400074, China.

Research on the Safety Management of Tunnel Fire Based on the Efficiency of Mechanical Smoke Extraction

LILinjie,LIXuyan,LIUjialiang

When the plug-holing occurs in tunnel fire mechanical ventilation, it will significantly reduce the efficiency of ventilation. In the tunnel fire, there is no stable smoke space, flue gas in the tunnel with directional flow, the phenomenon of suction wear and atrium in the different. According to the law of conservation of mass, the suction of the mechanical exhaust is analyzed, and the critical Froude value of the mechanical exhaust is 1.8. In order to test the result, several kinds of typical mechanical smoke exhausting conditions of tunnel fire are analyzed by numerical simulation. The simulation results show that the conclusion can be used to judge the suction of mechanical smoke in tunnel fire.

tunnel fire; efficiency of mechanical smoke extraction; plug-holing；fire safety

2095-3852(2016)06-0656-06

A

2016-07-17.

国家自然科学青年基金项目(51508065)；中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室开放课题基金项目(HZ2015-KF05)；重庆交通大学山区桥梁与隧道工程国家重点实验室培育基地开放课题基金项目(CQSLBF-Y15-10)；重庆市教委科学技术研究资金项目(KJ1500509).

X93

10.3963/j.issn.2095-3852.2016.06.004

收稿日期：李林杰(1986-)，男，重庆人, 重庆交通大学土木工程学院副教授;博士.