纵向通风与顶部排烟协同作用下长距离隧道火灾烟气蔓延规律研究*

朱雄 秦毅，3 方丰

（1.重庆科技学院安全工程学院，重庆 401331；2.重庆科技学院重庆市安全生产科学研究院，重庆 401331；3.北京理工大学前沿交叉科学研究院，北京 100081）

0 引言

目前，我国现有公路隧道19 067处、总长度约1 896.66万m，其中距离超过3 000 m的特长隧道1 175处，1 000 m到3 000 m的长距离隧道4 784处［1］。然而，公路隧道带给人们交通便利的同时，火灾事故也频发。

因此，对隧道火灾烟气蔓延规律及防控措施的研究，一直是不少研究者关注的重点。近年来，组合式排烟已逐步成为隧道火灾防控的主体，其在长距离隧道建设中得到了广泛的应用［2］。为此，国内外学者对此开展了大量研究并取得了丰硕的成果。

INGASON H等［3］研究了单点和双点集中排烟在纵向风作用下不同火灾功率的烟气逆流长度，并建立了预测模型。在此基础上，CHEN L F等［4］通过缩尺寸模型，研究了顶棚排烟口与火源之间的距离对烟气回流长度的影响，改进了预测模型，提出了烟气逆流长度的修正公式，并结合实验数据验证了公式的准确性，但这只局限于排烟口位于火源下游的情况。对于排烟口位于上游时，李连健［5］提出了新的表征模型，并揭示了Fr数和Ri数与烟气分层稳定的定量关系。而综合排烟口位于上下游的情况，王骏横［6］分析了烟气的质量流率与纵向风速的关系，并建立了相应的预测模型。

与此同时，TANG F等［7］分析了纵向通风对隧道内烟气逆流临界风速的影响，提出了顶部集中排烟与纵向通风耦合效应的临界风速预测模型。徐浩倬等［8］利用FDS研究了纵向风速对集中排烟效果的影响，并利用方差分析得出了纵向通风对隧道集中排烟效果影响的显著程度。邱乔志等［9］在纵向风作用下，利用FDS分析了不同排烟方式的排烟效果，得出适当施加纵向风可以提高排烟效率，且结合顶部集中排烟的排烟效果最好。

综上所述，针对隧道内纵向通风与集中排烟协同作用下的相关研究，目前主要集中在单向纵向通风与顶部单点和双点排烟的组合研究，而针对双向纵向通风与顶部多排烟口协同作用下的相关研究缺乏。所以，本文主要在长距离隧道内双向纵向通风与顶部多排烟口协同作用下，研究了隧道火灾早期烟气的控制效果，可为长距离公路隧道火灾烟气防控、人员疏散及应急救援提供一定的参考。

1 数值模型建立

1.1 隧道几何模型

本文利用FDS建立了如图1所示的隧道几何模型。对长距离公路隧道来说，一般以300 m间距划分一个防烟分区［10］。因此，模型隧道取300 m，尺寸为300 m×14 m×6 m。其中，排烟道采用隔板分隔而成，其底端至模型顶端距离为1m，排烟口沿顶隔板中心布置，尺寸为3m×2m，火源设置于模型隧道中心。

图1 隧道模型

1.2 模拟参数及工况设置

1.2.1 参数设置

隧道内空气及墙壁温度为环境温度，均设置为20℃，隧道墙体设置为“CONCRETE”属性，为绝热边界条件，大气压力为标准大气压1.0l×105Pa，重力加速度为9.8 m/s2，隧道进出口两端纵向风速设置为1 m/s。由于公路隧道以通行小汽车、公共汽车等客运车辆为主，且火灾类型多以中型火灾为主，所以本文设置的火源功率为20 MW［11］。在离地面1.6 m的高度处设置温度、CO浓度监测点，间隔25 m，隧道中心线处设置温度、CO浓度、能见度切片用于观察烟气成分纵向分布状况。

1.2.2 计算域网格设置

在FDS数值模拟中，模拟结果是否准确取决于网格大小，网格划分越小结果越精确。但网格设置太小，模拟时间会大大加长，而且对计算机的性能要求也较高。考虑到模拟精确度与计算时间之间的平衡，根据FDS用户手册里的火源特征直径计算方法［12］，本文采取分段网格法，将火源附近的网格划分为0.25 m×0.25 m×0.3 m，其余部位网格划分为0.5 m×0.5 m×0.6 m。

1.2.3 工况设置

根据隧道火灾规模大小，以Heskestad［13］羽流模型计算出产烟速率为v=101 m3/s。而《建筑设计防火规范》（GB 50016—2014）规定了排烟风机全压应满足排烟系统最不利环路要求，且其排烟量应考虑10%～20%的漏风量［14］。因此，在本研究中将排烟量分别设置为120、150、180 m3/s，同时考虑不同排烟口布置间距，共设置了9组模拟工况，具体如表1所示。

表1 火灾模拟工况设置

2 结果分析

2.1 火灾烟气蔓延分析

不同排烟量条件下，在100 s时排烟口间距分别为20、30、40 m的烟气分布情况如图2所示。

从图2（a）可以看出，在排烟量120 m3/s的条件下，排烟口间距20 m时烟气蔓延至80 m，排烟口间距30 m时烟气蔓延至100 m，排烟口间距40 m时烟气蔓延至105 m。排烟口间距20 m时，烟气蔓延距离较短，这是由于一定距离内多个排烟口同时作用，及时将烟气排出隧道，进而阻止了烟气进一步蔓延。

从图2（b）和图2（c）可以看出，在排烟量150m3/s和180 m3/s的条件下，排烟口间距20 m时烟气蔓延至75 m，排烟口间距30 m时烟气蔓延至95 m，排烟口间距40 m时烟气蔓延至100 m，烟气蔓延距离较排烟量120m3/s来说减少了5m。排烟量不同但烟气蔓延距离相同，说明排烟量150 m3/s为临界排烟量。

排烟量180 m3/s时，排烟口两端的烟气会出现明显的下沉回流现象，比其他工况更为明显。这是由于排烟量增大，在排烟口下方产生的负压效果也加强，再加上纵向风的作用下就会导致烟气出现一定的回流，此时对于人员的疏散与救援会造成严重影响。所以，对于排烟口和排烟量的选择要寻求一个合理的参数值，既要有效控制烟气蔓延，又要经济合理。

2.2 温度分析

不同排烟量条件下，在100 s时排烟口间距分别为20、30、40 m的温度分布如图3所示。分别距离火源25 m和50 m，高1.6 m（人员特征高度）处的温度变化如图4所示。

图4 温度随时间变化分布

从图3（a）可以看出，排烟口间距20 m，隧道内温度蔓延至75 m；排烟口间距30 m，隧道内温度蔓延至90 m；排烟口间距40 m，隧道内温度蔓延至100 m。温度在排烟口的作用下，在顶棚下方呈波浪状分布，这是由于排烟口对热烟气流动的干预，从而导致排烟口下方的温度较低，周围温度值较高，呈现起伏状蔓延。

从图3（b）可以看出，排烟口间距20 m，将温度扩散范围控制在70 m以内。且温层明显比排烟量120 m3/s要薄，这是由于排烟口及时将热烟气排出从而降低了火源产生的温度，说明排烟量150 m3/s时对隧道内温度控制更有效。

从图3（c）可以看出，排烟口间距20 m时，隧道内温度蔓延至60 m；排烟口间距30 m时，隧道内温度蔓延至90 m；排烟口间距40 m时，隧道内温度蔓延至80 m。说明排烟量越大越能有效控制隧道内的温度扩散，及时将隧道火灾产生的部分高温烟气排出。

图3 温度纵向分布

由图4可知，排烟量120 m3/s时，距离火源50 m处的温度变化较快，但相比于环境温度升高10℃。距离火源25 m处时，隧道内最高温度达到了38℃，相比于环境温度升高18℃，温度值都介于人员耐受极限之内。排烟量150 m3/s时，火源附近的人眼高度基本维持在环境温度，说明对烟气温度控制效果较好。排烟量为180 m3/s时，温度呈下降趋势，这是由于排烟口在较大的排烟量作用下，会吸收大量烟气并吸引冷空气汇入，从而降低了火源周围的温度。因此，在纵向风与顶部排烟口协同作用下火源附近的温度场对人员不会构成太大的威胁。

2.3 CO浓度分析

不同排烟量条件下，在100 s时排烟口间距分别为20、30、40 m的CO浓度纵向分布如图5所示。排烟口间距20 m，位于火源两侧25 m和50 m，1.6 m人眼高度处的CO浓度变化状况如图6所示。

图5 CO浓度纵向分布

图6 CO浓度随时间变化分布

通过图5可知，在3种排烟量下，排烟口间距20 m时，CO蔓延至70 m；排烟口间距30 m时，CO蔓延至90 m；排烟口间距40 m时，CO蔓延至100 m。CO浓度蔓延分布规律和温度分布规律基本相同，火源上方及附近CO浓度值较大，体积分数基本达到900×10-6左右，最高达到了1 500×10-6。随着烟气的纵向蔓延浓度值逐渐降低，远离火源上方顶棚的CO浓度值基本维持在150×10-6左右。这是由于受纵向风和排烟口的影响，烟气被及时排出和空气的稀释作用，从而导致浓度值下降。

通过图6可知，CO浓度变化跟排烟量的大小基本无关，3种排烟量下的浓度变化曲线基本上相同。图6（a）中距离火源25 m处的CO浓度在19 s时开始快速上升至140×10-6，然后围绕120×10-6上下波动，图6（b）中距离火源50 m处的CO浓度在40 s时快速上升至110×10-6，然后围绕90×10-6上下波动。因此，在纵向风与顶部排烟口协同作用下，短时间内CO浓度暂时不会对人员构成威胁，不会影响人员的疏散与救援。

2.4 能见度分析

不同排烟量条件下，在100 s时排烟口间距分别为20、30、40 m的能见度纵向分布如图7所示。

通过图7可知，隧道内能见度分布和烟气蔓延情况基本一致，通过能见度也可很好地表征烟气浓度分布情况。在排烟口的作用下，隧道内的烟气蔓延可以很明显地看出呈波浪状，在隧道顶棚聚集的烟气浓度大，能见度为0 m，靠近地面烟气浓度低，能见度为30 m（图中白色区域）。这是由于烟气密度比空气小，并受到隧道顶棚的限制，烟气会聚集在顶棚周围出现顶棚射流现象，从而导致顶棚处烟气浓度高能见度低。

通过图7（b）和图7（c）可知，排烟量150 m3/s和180 m3/s以及排烟口间距为20 m时，通过能见度分布图可以明显看出比排烟量120 m3/s的烟气蔓延距离短一些。但排烟量180 m3/s时，隧道内能见度云图厚度明显较大，也就是烟气层厚度较厚，且在两端出现明显回流现象。这是由于在排烟口吸进烟气同时也吸引了周围大量空气融入烟气层，从而导致燃烧不充分，产生大量烟气增加了烟气层厚度，并且在较高的纵向风和机械风联合作用下，会对烟气流动产生阻碍，就会出现回流现象。因此，排烟量150 m3/s时对烟气控制更有效。

图7 能见度纵向分布

3 结论

1）纵向通风和顶部集中排烟协同作用下，可以有效降低火源的不充分燃烧，减少烟气的产生量，还可以有效降低隧道内的温度、CO浓度和烟气层厚度，为保障人生财产安全提供了强有力的支撑。

2）排烟量一定，排烟口间距越小，越能有效控制烟气蔓延，排烟量150 m3/s为烟气控制的临界值。当排烟量增加到180 m3/s时，对排烟效果会存在很大的影响，会增加排烟口附近烟气层厚度，引起烟气出现回流，对人员的疏散与救援构成严重的威胁。

3）通过设置合理的排烟口间距和排烟量，可以有效降低隧道火灾烟气对人员构成威胁。排烟口间距20 m、排烟量150 m3/s的条件下，控烟效果较好，更有利于人员的疏散与救援。