侧部点式排烟模式下烟气分层特性研究

姜学鹏，吕彦昕，李 超，万 娟

(1. 武汉科技大学资源与环境工程学院，武汉，430081；2. 武汉科技大学消防安全技术研究所，武汉，430081；3. 武汉科技大学湖北省工业安全工程技术研究中心，武汉，430081)

0 引言

点式排烟是指隧道内设置独立的排烟道，火灾时只开启火源下游最临近排烟口向排烟道内排烟。按不同排烟口位置可分为顶部点式排烟与侧部点式排烟。由于沉管法隧道及明挖法隧道施工工法的制约，设置侧部排烟道更具可行性，例如港珠澳隧道、武汉东湖隧道、扬州瘦西湖隧道等。当隧道发生火灾，烟气经历自由上升、径向蔓延阶段之后，燃烧生成的热量和烟气形成热分层流运输至隧道顶部，由于隧道侧壁限制，最终在隧道顶板下方进入纵向水平蔓延阶段，热分层流是有毒有害烟气在水平蔓延过程中实现跨区域传播的主要载体，良好的烟气分层能够为火灾时迅速开展灭火救援提供有利条件[1]。因此，烟气分层的深入探究对于各类交通隧道的防排烟设计具有重要意义。

学者们在隧道烟气分层研究方面已经做了诸多工作。Xu等[2]实验得到在改变风流强度的瞬间至再次达到稳定时间段内，层化曲线和层化强度会发生偏移现象；姜学鹏等[3]通过顶部点式排烟速率对烟气热分层影响实验，得到层化曲线随排烟速率变化沿隧道纵向呈复杂的变化趋势，“涡旋” 结构对烟气分层稳定性存在重要影响，同时烟气热分层现象具有分段的特点；Kalech等[4]采用Ri数对不同排烟模式(竖井自然排烟、纵向机械排烟、横向机械排烟)下公路隧道火灾中的温度层化程度进行量化；Li等[5]通过研究得到在顶部点式排烟与纵向通风的耦合作用下，热分层稳定性随顶部排烟速度的增加而降低；Tang等[6]研究了顶部点式排烟下的烟气分层，发现当Ri>2.0 或Fr<0.66 时，烟气分层明显；当Ri<1.4 或Fr>0.8 时，烟气层完全失去稳定。前人通过对烟气分层进行研究，获得了纵向排烟模式和顶部点式排烟模式下的烟气分层规律以及烟气层失稳的判据，但未见针对侧部排烟模式的研究。应注意到，侧部排烟时烟气分层形态受竖向热浮力、纵向送风推力及侧向抽吸力多向驱动力作用，其特征模式会加剧烟气蔓延过程中的掺混及扰动效应，故分层流界面会出现异于顶部、纵向排烟时的不稳定机制，导致烟气流动特性更加难以预测。因此，前人研究成果是否适用于侧部排烟模式值得商榷。

针对侧部点式排烟模式下不同火灾热释放速率、排烟流量等变化条件，拟采用数值模拟方法对烟气层厚度、烟气层温度及水平流动速度随烟气水平蔓延的变化情况进行研究，探析烟气分层情况及分层遭到破坏的原因，研究在多方向强制气流耦合作用下火灾烟气分层形态及稳定性的物理机制。

1 数值模型构建

1.1 火灾场景设置

以武汉黄鹤楼隧道为原型建立模拟模型，模拟主隧道长800 m，宽11 m，高4.5 m，地面厚度选取0.5 m，隧道高度范围为0.5 m～5 m，如图1所示。考虑火灾发生时最不利情况，将火源设于隧道纵向中心，两个排烟口正中间，火源尺寸为长6 m×宽2 m。排烟口设置在主隧道侧壁，距离地面高度为1.7 m，间距60 m，尺寸为长6 m×高2 m。模拟时选取稳态火，模拟时间为600 s，当燃烧进行至500 s时，隧道内的温度参数等均达到稳定状态，选取500 s～600 s的模拟数据平均值进行研究讨论。隧道墙体边界设置为“CONCRETE”，其热值为1.04 kJ/(kg·K)，密度为2 280 kg/m3，导热率为1.6 W/(m·K)；隧道两端口处设为“OPEN”；侧部排烟道端口处设为“EXHAUST”；隧道内初始环境温度设置为20 ℃。

图1 隧道模型示意图Fig. 1 Schematic diagram of the tunnel model

沿隧道纵向布置10组温度、流速测点，火源两侧各5组，分别位于正对排烟口，排烟口内侧5 m、10 m，排烟口外侧5 m、10 m；横向上，距离排烟道0.1 m、3 m、5.5 m、8 m布置四组温度、流速测点；竖向间距0.1 m，一组为44个测点，范围在0.6 m～4.9 m。如图2所示。

图2 测点布置图Fig. 2 Measuring point layout

1.2 工况设置

共设置24组对比工况，将火源功率5 MW(10 MW)编号为A(B)，在其他条件不变的情况下，依次改变火灾热释放速率、排烟流量来研究不同参数对烟气分层特性的影响。由于侧部排烟道两端各设置一个排烟风机，故每个排烟风机排烟流量为设定排烟流量的1/2。如表1所示。

表1 工况Table 1 Working conditions

2 烟气分层特征参数

2.1 烟气层厚度

烟气层厚度的计算方法主要有N-百分比法[7]、积分比法[8]。N-百分比法由于N的取值主观性较强，可能会给计算带来较大的误差。运用积分比法对烟气与空气分界面进行判断，其原理是将不同高度作为分界点，对上半部分和下半部分分别求取温度的积分比，上下积分比和最小的点对应的高度为烟气与空气分界面的位置。

上层烟气温度积分比：

(1)

下层空气温度积分比：

(2)

总积分比：

rt=rμ+r1=f(y)

(3)

其中：H是地面到顶板的高度，y是竖直方向上的高度，T(z)是温度竖向分布函数。图3是火源功率为5 MW，排烟流量为80 m3/s时某位置竖向方向上烟气层温度变化情况。对模拟所得的温度测点数值用Origin 9软件进行BiDoseResp函数非线性拟合，得到温度竖向分布函数T(z)。

图3 竖向温度变化图Fig. 3 Vertical variation of temperature

通过使用 Matlab 程序对T(z)进行积分运算，得到竖直方向上的总积分比变化情况，取总积分比最小点对应高度为烟气层高度(如图4)，此时的烟气层厚度为1.26 m。

图4 总积分比变化曲线Fig. 4 Variation of total integral ratio

2.2 烟气掺混影响长度

在侧部排烟模式下，由于侧部排烟口对烟气存在一定大小的抽吸力，烟气蔓延过程中排烟口烟气始终处于掺混状态，导致横向上无法确定烟气整体的分层规律，其掺混程度与排烟口风速正相关。对排烟口抽吸力作用在隧道横向上烟气的影响范围进行研究，得到烟气横向掺混影响长度与隧道宽度的量化占比，以此判定侧部排烟模式下的烟气分层稳定性。

将侧部排烟口看作四周无边的矩形侧吸罩[9]，烟气放散的最小控制速度取0.25 m/s(一般为0.25 m/s～0.5 m/s)，即认定排烟口附近烟气横向流速小于0.25 m/s时，不参与排烟口附近掺混。

a/b=α;x/b=β;vx/v0=δ

(4)

其中：a、b分别为排烟口的宽、高；vx为烟气放散的最小控制速度；v0为排烟口上的平均速率(注：排烟口平均速率为不同排烟流量下排烟口所达到的速率)，将上式代入矩形吸气口速度分布计算(如图5)，即可得到不同排烟口排烟速率下的烟气掺混影响长度x(如图6)。

图5 矩形吸气口速度分布Fig. 5 Rectangular suction port velocity distribution

图6 不同排烟速率下的烟气掺混影响长度Fig. 6 Influence length of flue gas blending under different exhaust wind speeds

2.3 烟气水平流速

在数值模拟中测量的气流速度可能具有大的波动，可以认为测量的空气速度是恒定速度和扰动速度的叠加[10]。如图7是火源功率为5 MW，排烟流量为80 m3/s时，排烟口位置处横向方向上烟气层流速变化情况。通过数值模拟测得排烟口处，距排烟口不同横向位置的烟气流动速度，模拟结果中取稳定时间段的流速平均值。

图7 不同位置处烟气层流速变化情况Fig. 7 Flue gas velocity variations at different locations

3 结果与讨论

3.1 烟气分层形态

侧部排烟模式下，隧道空间内的烟气分层形态由竖向热浮力、纵向惯性力以及排烟口侧向抽吸力多向驱动力共同决定。在模拟结果中观察到，当隧道发生5 MW火灾，排烟流量较小时，烟气存在明显分层，只有极少部分烟颗粒扩散到隧道下部空气层中，如图8(a)所示。但随着排烟流量的增大，烟气层与冷空气层剧烈掺混，烟颗粒大量侵入下部空气层，烟气层变得紊乱，看不到明显的分层现象。此时，隧道竖向区域内，可分为三个区域，即上部烟气强分层区、中部烟-空气掺混区、下部冷空气区。其中，排烟口与火源区段内，烟气与空气掺混较强，强分层区的厚度较薄，如图8(b)所示。

图8 不同排烟流量下的烟气分层特征Fig. 8 Characteristics of flue gas stratification under different flue gas flow rates

3.2 烟气层厚度变化

各模拟工况下烟气层厚度如表2所示，排烟流量较大时，计算所得为上部强分层区的烟气层厚度。为准确描述各位置的烟气层厚度变化情况，定义纵向方向上排烟口与火源间区段为排烟口内侧，排烟口与隧道端口间区段为排烟口外侧，模拟结果取横向测点值的平均。另考虑排烟口开启方式及火源位置的对称性，将两侧对称位置的厚度取均值。由表2数据可以看出，总体烟气层厚度呈随火源功率增大而增大的趋势，这一趋势在排烟口及排烟口外侧区段更为明显。在同一火源功率下，排烟口内侧的烟气层厚度随排烟流量增大基本无变化，且排烟口内侧10 m(距排烟口10 m)位置烟气层高度高于排烟口内侧5 m位置，这是因为排烟口尺寸一定时，对烟气的影响程度存在一定范围，在较远条件下不会对烟气厚度产生明显影响，另外，越靠近火源的烟气温度越高，分层强度越大，其厚度越不容易产生变化。而在排烟口及排烟口外侧区段，烟气层厚度随排烟流量增大呈复杂的变化趋势。烟气层厚度在一定范围内产生连续的浮动变化，火源功率增大，这一波动幅度变小，这是因为火源功率越大，空间烟气与空气的交界面剪切效应越弱，排烟流量对于加剧烟气空气混合的影响越小。

表2 各模拟工况下的烟气层厚度Table 2 Thickness of flue gas layer under various simulated working conditions

3.3 烟气流速变化

图9为火源功率5 MW时，隧道内不同纵、横向位置下烟气水平流速的变化曲线，对烟层稳定性破坏后的情况进行研究(V≥80 m3/s)。为准确描述排烟口附近各位置的流速变化情况，定义排烟口与火源间区段为排烟口内侧，排烟口与隧道端口间区段为排烟口外侧；测点与排烟口的纵向距离定义为L，其中排烟口内(外)侧L为正(负)值；测点与排烟口的横向距离定义为D。

图9(a)～图9(d)为排烟口内侧L=10 m(近火源端)不同横向距离下的烟气水平流速随排烟流量变化情况。由图9可以看出，不同横向位置下，各流速曲线均在距地面高度2.2 m～4.2 m(排烟口所在高度，图9竖向虚线位置)范围内存在极值点。D=0.1 m～3 m时，随着排烟流量的增加，上层烟气层流速值呈现先增大后减小的趋势，如图9(c)～图9(d)，且流速值在V=110 m3/s时达到最大，这反映了受排烟口排烟强度的影响，热烟气与冷空气的速度剪切强度存在极限值，排烟流量过大时，排烟口大量卷吸烟气层下方冷空气，会完全破坏烟气分层稳定性及排烟口的稳定排烟机制，降低排烟效率。故火源功率5 MW时，排烟流量不宜超过110 m3/s，此时单个排烟口达到的排烟速率为4.78 m/s。

图9(d)～图9(h)为D=0.1 m(近隧道壁面)不同纵向位置处的烟气水平流速随排烟流量变化情况。可以看出，各流速曲线在隧道竖向空间范围内的极值点位置变化较大。纵向上，排烟口内侧不同距离处(图9(d)和图9(e))的流速曲线基本一致，表明侧向排烟对两个位置烟气蔓延的抑制作用相当，烟气层流速值随排烟流量的增大整体呈现先增大后衰减的趋势；排烟口外侧烟层流速衰减较快，距离排烟口越远时(L=-10 m)，侧向排烟对烟气蔓延的抑制作用越强；排烟口位置处，流速曲线变化复杂，可以看出流速曲线明显的向上凹起，在距地面高度2.2 m～4.2 m范围内，烟气流动速度骤增，这一变化主要是由于排烟口对烟气的抽吸作用，排烟口附近烟气空气大量掺混所致。

图9 不同排烟流量下的烟气流速变化Fig. 9 Flue gas flow rate variations under different exhaust wind speeds

3.4 烟气温度变化

图10为火源功率5 MW时，不同排烟流量下的温度变化云图。为准确比较各风速下的温升变化，横向位置均取距离排烟口D=5.6 m(最大排烟流量下烟气掺混影响长度约为5.625 m)。由图10可以看出，此时温度变化可分为两个阶段，烟气分界层以下，即隧道底部空气层基本保持环境温度，烟气分界层以上，温度随高度的增加而升高。上部烟气层在排烟流量V=0 m3/s 时，稳定状态下的温度曲线分布均匀，可以看到明显的烟气分层，这与前文排烟流量V=0 m3/s时的烟气分层形态是一致的。随着排烟流量的增大，烟气层整体温升有所下降，纵向上看烟气层与空气层的临界面不再是均匀的水平面，排烟口附近这一变化尤为明显。另外，排烟口与火源间区段分界层的平均高度随排烟流量增大基本无变化，排烟口与隧道端部一侧分界层的平均高度随排烟流量增大有所减小，可以看出排烟流量对于烟气层稳定性的抑制作用主要集中在排烟口处及排烟口与隧道端部区段。

图10 不同风速下温度变化云图Fig. 10 Cloud graph of temperature changes at different wind speeds

4 结论

采用数值模拟方法研究了侧部点式排烟模式下火源功率、排烟流量的变化对烟气层温度、厚度及流速等分层特征的影响，得到以下结论：

(1)烟气掺混影响长度随排烟速率增长而增大，即排烟流量越大，排烟口附近烟气掺混程度越强。

(2)排烟流量较小时，烟气存在明显分层。随着排烟流量的增大，烟气层与冷空气层剧烈掺混，烟气层变得紊乱，看不到明显的分层现象。其中，排烟口与火源区段内，强分层区的厚度较薄。

(3)同一纵向位置下上层烟气层的流速值随排烟流量增加呈现先增大后减小的趋势；不同纵向位置下排烟口外侧烟层流速较低，距离排烟口越远时，侧向排烟对烟气蔓延的抑制作用越弱。排烟流量对于烟气层稳定性的抑制作用主要集中在排烟口处及排烟口与隧道端部区段。