环境风作用下浅埋隧道自然排烟竖井组高度研究*

李森生

(中铁第四勘察设计院集团有限公司 武汉 430063)

0 引言

自然通风竖井因其运营更加经济环保，已成为城市浅埋隧道的重要设计方式[1-2]。相较于整体式单口竖井布置，分离式竖井组可增强竖井排烟效果[3]。自然排烟竖井是利用烟囱效应进行排烟，其排烟效果受竖井高度和外界环境风共同影响，故环境风作用下自然排烟竖井组高度的确定非常重要。

部分学者已对隧道竖井高度展开研究。LI Y 等[4]通过实验发现竖井高度的增加可增强自然排烟效果；邹金杰等[5]提出竖井临界高度的概念并建立预测模型；ZHAO S Z等[6]和ZHANG S G等[7]通过数值模拟发现竖井中烟气质量流量随竖井高度的增加而增加，且竖井高度到达临界值后，质量流量增加缓慢；ZHAO P等[8]通过1/20缩尺寸实验研究纵向着火位置、HRR对自然排烟隧道烟气蔓延的影响，发现临界竖井高度与HRR无关，提出预测临界竖井高度的理论模型；钟委等[9]研究堵塞情况下环境风对自然排烟效果的影响；JIANG X P等[10]通过数值模拟研究竖井数量、位置和热释放速率对自然排烟的影响。综上，前人大多仅对竖井高度或环境风开展排烟效果研究，较少有不同竖井高度和环境风速对自然排烟竖井组排烟效果的影响研究。

本文采用Fluent数值模拟，对不同环境风速(0～9 m/s)和竖井高度(4～8 m)下的隧道自然排烟效果进行研究，以期得到不同环境风作用下最优竖井组高度。

1 数值模拟

1.1 建模尺寸

以武汉市某湖底隧道自然排烟段为原型，采用ANSYS软件SCDM构建长500 m×宽12 m×高6 m的计算模型，设置2组由3口竖井组成的竖井组，竖井截面尺寸为长2 m×宽8 m，竖井组间距为120 m。

外部流体域按照出入口距竖井4H～5H(H为竖井高度)，侧面和顶面距离竖井5H～8H的原则，最终确定竖井外部流体域为长240 m×宽120 m×高40 m，如图1所示。

图1 隧道模型

1.2 火灾工况设定

设中巴车火灾热释放率为20 MW[11]，火源为长10 m×宽2 m×高0.5 m，位于两竖井组的中间位置，采用体积热源法进行火灾模拟[12]。武汉市全年平均风速为2.7 m/s，风向为东风[13]。考虑不同竖井高度和环境风速，设模拟工况如表1所示。

表1 数值模拟工况

1.3 网格灵敏度分析

模型整体采用结构网格划分，选取0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.8 m等6种网格尺寸进行灵敏度分析，如图2所示。由图可知，网格尺寸为0.4、0.3、0.2、0.1 m时，其温度分布曲线相近，故选用0.4 m×0.4 m×0.4 m的网格，并将火源和竖井附近网格加密为0.2 m×0.2 m×0.2 m。

图2 网格敏感性分析

2 模拟结果与分析

2.1 隧道及竖井温度场分布

隧道内及竖井外部温度场分布及隧道内高温区域对比如图3～图6所示。由图3、图5可知，无环境风作用下，隧道内高温区域(温度高于60 ℃)随竖井高度的增加而减小。当竖井高度H<6 m时，两竖井间高温区域范围较小；当竖井高度H>6 m时，两竖井间高温区域范围较大。当竖井高度H>6 m时，3#竖井(距离火源最远的竖井)下方出现低温区域，即发生了吸穿现象，如图6所示。

图3 竖井高度对隧道温度场影响对比

图4 环境风速对隧道温度场影响对比

(a)H=4 m

图6 3#竖井发生吸穿现象示意

由图3、图4可知，环境风将导致隧道内高温区域增大。存在环境风时，当竖井高度H<6 m时，隧道内高温区域随竖井高度的增加而减小；当竖井高度H=6 m时，隧道内高温区域最小；当竖井高度H>6 m时，隧道内高温区域随竖井高度的增加而增大。当竖井高度H>6 m时，隧道内高温区域随环境风的增大而增大；当竖井高度H<6 m时，隧道内高温区域随环境风的增大先增大，当环境风速>2 m/s时，隧道内高温区域随环境风的增大而减小，当环境风速>4 m/s时，隧道内高温区域随环境风的增大而缓慢增大。

2.2 竖井组烟气质量流量

不同环境风和竖井高度下的竖井组CO2质量流量如图7、图8所示。不同环境风作用下，竖井组附近CO2质量流量基本随竖井高度的增加而增大。环境风的存在阻碍竖井组排烟，当竖井高度H>6 m时，环境风越大，排烟效果越差；当竖井高度H<6 m时，一定程度的弱环境风可以增强竖井排烟效果。

图7 不同环境风速下CO2质量流量随竖井高度变化

图8 不同竖井高度下CO2质量流量随环境风速变化

竖井高度H=6、8 m时的竖井组CO2质量流量如图9、图10所示。当竖井高度H=6 m时，弱环境风的存在使得竖井组内3口竖井都可以较好地进行排烟，增强了竖井组排烟效果；而强环境风的存在抑制了1#、2#竖井的排烟效果，导致总体排烟效果较差。当竖井高度H=8 m时，随着环境风的增大，1#竖井排烟效果逐渐减弱，2#竖井排烟效果基本保持不变，而3#竖井排烟效果逐渐增强。

图9 竖井高度H=6 m时竖井组内各竖井CO2质量流量

图10 竖井高度H=8 m时竖井组内各竖井CO2质量流量

2.3 竖井组流场分布

无环境风条件下，竖井组内流场分布如图11所示。由图可知，竖井组内最大流速可达4 m/s，最小流速为-2 m/s。1#竖井(距离火源最近的竖井)内流速最大，达3 m/s以上；不同竖井高度下的1#竖井内都存在涡流区，这是由于竖井和隧道顶板连接处是一个直角，烟气在流经竖井时出现边界层分离现象，在1#竖井左侧壁面出现逆压梯度，竖井内部烟气与空气卷吸混合，在1#竖井左侧壁面附近形成漩涡，影响排烟效率；当竖井高度H=6、7 m时，竖井内涡流区面积较小，排烟效率最高；当竖井高度H=8 m时，在竖井右上角出现小范围逆流现象。2#竖井内流速基本处于0.5～2.5 m/s，仅当竖井高度H=6 m时，竖井内不存在涡流区，对竖井组排烟效果起到较好的辅助作用；当竖井高度H>6 m时，竖井内风流较紊乱，严重影响竖井组排烟效率。3#竖井内流速基本在0.5 m/s以下，排烟效率较差，当竖井高度H=6 m时，竖井内风流流向最稳定；当竖井高度H>6 m时，竖井内出现逆流现象，其主要原因是烟气蔓延至3#竖井时，烟气温度大幅降低，热浮力接近零，同时1#、2#竖井对下游烟气存在抽吸作用，导致隧道内压强小于隧道外压强，引起空气倒吸。因此，当竖井高度增加到一定程度后，继续增加竖井高度不会增强排烟效果，反而会阻碍竖井排烟。

(a)1#，H=4 m (b)1#，H=5 m (c)1#，H=6 m (d)1#，H=7 m (e)1#，H=8 m

存在环境风时，竖井组内流场分布如图12所示。当竖井高度H=6 m时，无环境风和弱环境风条件下，1#竖井内流线分布和最大流速区别较小，但弱环境风条件下2#、3#竖井内流速明显高于无环境风情况，对竖井组排烟起到良好的辅助作用。当环境风持续增大时，3口竖井内都出现较大涡流区，严重阻碍竖井组排烟。当竖井高度H=7 m时，弱环境风条件下，3口竖井内都出现涡流区，一定程度上影响竖井组排烟。当竖井组高度H=8 m时，3口竖井内都出现涡流区，且随着环境风的增大，涡流区面积增大，阻碍竖井组排烟。因此，当竖井高度H<6 m时，弱环境风的存在促进竖井组排烟，强环境风的存在阻碍竖井组排烟。当竖井组高度H>6 m时，环境风的存在阻碍竖井组排烟，且环境风越大，竖井组排烟效果越差。

图12 不同环境风速下竖井内部流场分布

3 结论

采用数值模拟研究5种竖井高度和10种环境风速下，隧道内温度场分布、CO2质量流量及流场分布，得到如下结论：

(1)无环境风作用下，隧道内高温区域随竖井高度的增加而减小，当竖井高度H>6 m时，两竖井间高温区域较大。存在环境风时，当竖井高度H<6 m时，隧道内高温区域随竖井高度的增加而减小；当竖井高度H>6 m时，隧道内高温区域随竖井高度的增加而增大。当竖井高度H<6 m时，弱环境风的存在可以减小隧道内高温区域范围。

(2)不同环境风作用下，竖井组附近CO2质量流量随竖井高度的增加而增大。环境风的存在阻碍竖井组的排烟，当竖井高度H>6 m时，环境风越大，排烟效果越差；当竖井高度H≤6 m时，弱环境风可以增强竖井排烟效果；竖井高度H=6 m时，竖井排烟效果最好。