隧道宽度对侧向排烟系统排烟效果的影响研究_付凯.pdf

文章编号:1009-6094(2023)03-0731-09隧道宽度对侧向排烟系统排烟效果的影响研究*付凯1，甄雅星2，谢宝超2，徐志胜2(1 中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600;2 中南大学防灾科学安全技术研究所，长沙 410075)摘要:为了研究不同隧道宽度对侧向排烟系统排烟效果的影响，基于 FDS 数值模拟分析方法，结合不同隧道宽度和排烟量对隧道拱顶温度、烟气层厚度及排烟效率等参数进行分析。结果表明:在相同边界条件下，隧道越宽，拱顶纵向温度衰减越剧烈，纵向方向烟气蔓延长度越长;在不同隧道宽度下，排烟量越大，侧向排烟效率越高;排烟效率受隧道宽度的影响较大，在相同排烟量下，随隧道宽度增加，各排烟阀排烟效率及总排烟效率均呈递减趋势，隧道宽度从 10 m 增至 20m，排烟效率降低了 18 个百分点左右;在隧道宽度为 20 m时，不同排烟量下排烟效率均在 50%左右，表明隧道宽度在20 m 以上时排烟效果相对较差，建议隧道宽度大于 20 m 时不宜采用侧向排烟方案。关键词:安全工程;隧道火灾;隧道宽度;侧向排烟;排烟效率中图分类号:X932文献标志码:ADOI:10.13637/j issn 1009-6094.2021.1798*收稿日期:2021 10 09作者简介:付凯，高级工程师，硕士，从事隧道及地铁通风、防灾设计研究，fk16 qq com;徐志胜(通信作者)，教授，博士，从事火灾科学、土木工程防灾减灾研究，2318735651 qq com。基金项目:中国铁建股份有限公司科技研究开发计划项目(2019 B20)0引言随着中国经济水平的提高和城市化进程的推进，城市人口不断增加，交通压力也不断增大，作为缓解交通压力的有效途径，隧道在全国范围内得到了快速发展。然而，隧道由于其狭长的结构形式，在火灾时，产生的火灾烟气和其他有毒有害气体容易在隧道内部集聚，对隧道内受困人员和救援人员生命安全造成巨大威胁1 4。因此深入分析隧道火灾危害及控制手段非常重要。公路隧道排烟系统设计和烟气控制方案是隧道消防设计中的核心内容。目前对机械排烟系统的研究集中在顶部集中排烟，但对于一些特殊的海底隧道，如港珠澳海底隧道和南京定淮门长江隧道，无法采用顶棚集中排烟，只能采用侧向集中排烟，因此，侧向排烟得到了许多学者的关注。2010 年，吴华5 首次研究了侧向集中排烟系统中，排烟口尺寸对火灾烟气流及排烟效果的影响。2015 年，陈娟娟等6 最先通过改变排烟口数量、面积和间距研究了侧向排烟口对机械排烟效果的影响，得到在火灾初期无纵向通风时，排烟口开启数量、面积和间距对烟气扩散有明显的影响。杨娟等7 和 Yang 等8 研究侧向排烟系统的排烟效率时发现，吸穿效应会降低侧向排烟的排烟效率，为避免烟气层被吸穿导致排烟效率降低，应保证烟气层至少覆盖一半排烟口。曹更任等9 研究了在不同纵向诱导风速下，沉管隧道侧向集中排烟模式下烟雾的温度场分布规律，得出随着纵向诱导风速增大，火源附近隧道顶板处的最高温度出现先升高后降低的现象。2019 年，Xu 等10 研究了烟气的扩散行为及烟气层厚度，并提出了改进的预测一维水平蔓延阶段烟气层厚度的经验公式。Liu 等11 研究了超宽断面沉管隧道侧壁集中排烟模式的排烟效率，结果表明，增加辅助排烟管道并结合合理的纵向风速，可以提高隧道的排烟效率。目前国内外针对侧向集中排烟研究较少，且大多是对排烟口进行研究，姜学鹏等12 利用数值模拟研究了侧向排烟模式下烟气层吸穿问题，通过改变排烟口的相关参数对发生吸穿现象时的温度分布、烟气层厚度及排烟效率进行分析，研究中没有考虑隧道自身结构对隧道火灾造成的影响。如今，隧道的宽度不断增加，不同的隧道宽度是否会对隧道火灾造成影响，值得进行深入研究。因此，本文主要研究侧向集中排烟模式下不同隧道宽度对火灾时拱顶温度、烟气层厚度及排烟效率的影响，为隧道排烟系统设计工程提供理论支撑，提高排烟效果，从而在一些特殊的隧道中能够更好地控制火灾烟气的蔓延，以达到减少人员和财产损失的目的。1数值模型建立1.1物理模型由美国国家标准技术研究院(National Instituteof Standards and Technology，NIST)开发的软件 FDS(Fire Dynamics Simulator)13，可用于模拟火灾情况下的温度场和流场变化、烟气蔓延流动特性及传热过程等，在火灾领域广泛应用14 16。在隧道宽度及排烟口尺寸的选取上，对国内侧向排烟系统水下隧道展开调研，如表 1 所示，港珠澳大桥海底隧道的宽度为 14.55 m，南京扬子江隧道137第 23 卷第 3 期2023 年 3 月安全 与 环 境 学 报Journal of Safety and EnvironmentVol 23No 3Mar，2023的宽度为 13.3 m，苏锡常南部高速公路太湖隧道的宽度为 17.45 m，深中海底隧道的宽度为 18.3 m，扬州瘦西湖隧道的宽度为13.3 m。以上5 条隧道的宽度在 13 18.5 m，结合未来隧道的发展情况，对宽为 20 m 的隧道进行研究，最后选取了 5 个隧道宽度:10 m、13 m、15 m、18 m 和 20 m。港珠澳大桥海底隧道的排烟口尺寸(长 宽)为 4 m 2 m，南京扬子江隧道的上层排烟口尺寸(长 宽)为 1.45 m 1.45 m、下层排烟口尺寸(长 宽)为 2.4 m 0.6m，苏锡常南部高速公路太湖隧道的排烟口尺寸(长 宽)为 3 m 2 m，扬州瘦西湖隧道的排烟口尺寸(长 宽)为 6 m 0.5 m。最终结合实际情况，将排表 1典型水下隧道宽度及排烟口设置Table 1Width of typical underwater tunnels and smoke outlet settings隧道名称隧道宽度/m排烟口尺寸(长 宽)/m港珠澳大桥海底隧道14.554 2南京扬子江隧道13.3上层 1.45 1.45下层 2.4 0.6苏锡常南部高速公路太湖隧道17.453 2深中海底隧道18.3扬州瘦西湖隧道13.36 0.5烟口尺寸(长 宽)设定为 4 m 2 m。本文利用 FDS 软件进行全尺寸数值模拟试验，建立了长 1 000 m、宽 10 m/13 m/15 m/18 m/20 m、高 8 m 的隧道模型。排烟道尺寸(宽 高)为 5 m 3 m，侧向排烟口尺寸(长 宽)为 4 m 2 m，其中排烟口长边与隧道纵向方向平行，开启 6 组排烟口，排烟口间距60 m。隧道两端设置“OPEN”边界。火源位于中间车道，距隧道左端 500 m，火源尺寸(长 宽)为 5 m 2 m，火源热释放速率设为 20 MW 的稳态火，即一辆长途汽车着火时的热释放速率17。隧道模型见图 1。通过位于隧道顶棚下方 0.1 m 处间隔 1 m 的热图 1模型隧道图Fig 1Model tunnel diagram电偶测量烟气的纵向温度，隧道的烟气层厚度通过设置间隔为 0.2 m 的竖向热电偶测定。当设置在隧道中的排烟口开启时，通过 FDS 中的“VelocityDevice”功能测量排烟口的速度，并在排烟口处设置统计面来统计 CO2通过量。模型隧道测点布置见图2。结合研究内容，在数值计算中改变的参数有隧道宽度和排烟量，综合考虑火灾发展及烟气蔓延情况，具体工况设计见表 2。1.2网格划分在 FDS 中，网格尺寸直接影响模拟计算结果的精度。对于网格尺寸的确定，主要使用被广泛应用的 D*/x标准，用以估计网格的精度13，其中 D*为特征长度(m)，x为网格尺寸(m)。计算 D*的具体公式如下。D*=QcpT()g25(1)式中Q为模拟火源热释放速率，kW;为环境空气密度，kg/m3;cp为环境空气比热容，kJ/(kgK);T为环境温度，K;g 为重力加速度，m/s2。通过 NIST 进行的一系列比较试验发现，当网格尺寸在 D*/16 D*/4 时，模拟结果与试验结果吻合良好。当火源热释放速率为 20 MW 时，火特征直径D*约为 3.16 m，此时计算出的建议网格尺寸范围为0.20 0.78 m。因此，从 0.20 0.78 m 的范围内选择了3 个网格尺寸(0.20 m、0.25 m 和0.50 m)进行网格独立性分析，见图 3。图 2模型隧道测点布置Fig 2Layout of measuring points in model tunnel237Vol 23No 3安全 与 环 境 学 报第 23 卷第 3 期距火源 30 m 的不同网格尺寸的垂直温度曲线见图 3。随网格尺寸减小，垂直温度曲线趋于均匀。当网格尺寸为 0.25 m 和 0.20 m 时，温度分布曲线之间只有很小的差异。因此，选择 0.25 m 的网格来模拟本次试验中的隧道火灾，以节省计算时间并获得良好的模拟效果。在设定工况的模拟时间时，以火源下游 30 m 处表 2隧道结构参数及模拟工况Table 2Tunnel structural parameters andsimulation conditions工况编号热释放速率/MW隧道宽度/m排烟口尺寸(长 宽)/m排烟量/(m3s1)W01W02W03W04W05W06W07W08W09W10W11W12W13W14W1520104 2134 2154 2184 2204 2220240260220240260220240260220240260220240260图 3不同网格尺寸模拟结果Fig 3Simulation results with different grid sizes顶棚下方温度测点为例，从图 4 可以看出，该测点的温度在 100 s 之后进入了稳定阶段，因此，将每组工况的模拟时间设定为 600 s，并且选取后期稳定期间参数作为参考值，选取的时间范围为 300 600 s。图 4火源下游 30 m 处顶棚下方温度变化Fig 4Temperature change under the ceiling 30 mdownstream of the fire source2结果与分析2.1温度分布当隧道内发生火灾时，火羽流产生的高温烟气受浮力效应影响不断向上运动，直至撞击到隧道顶棚后形成拱顶射流，使得隧道拱顶处的温度急剧上升，与隧道其他部位相比，隧道的拱顶更容易被破坏，当隧道衬砌温度达到 800、燃烧时间超过 2 h或温度达到 1 000 以上时，隧道衬砌结构具有危险性，因此隧道拱顶温度是隧道排烟中的一个重要研究参数。有学者研究发现，拱顶纵向温升衰减随着隧道高度的增加而减缓18。从图 5 可以看到:在无排烟和排烟量为 220m3/s、240 m3/s、260 m3/s 时，拱顶的纵向温升呈现的规律基本相似，距火源越远温度越低;在 20 MW的火灾时，不同宽度隧道拱顶的最高温升基本一致，均未超过 800，表明隧道宽度对拱顶的最高温升影响不大;距火源 10 m 之外的顶板温度衰减根据隧道宽度的变化有所区别，隧道越窄，温度衰减越慢，隧道越宽，温度衰减越快，这是因为本文选用的是20 MW 的火源，属于较大规模的火灾，火羽流上升可以直接撞击拱顶，热量快速积聚，随着隧道宽度的增加，火羽流沿横向蔓延的距离增长，烟气层卷吸的冷空气也随之增长，从而降低了热积聚效应，使得隧道越宽，隧道顶板下方纵向烟气层的温度衰减越剧烈。在火羽流径向扩散阶段，径向流动的顶棚射流3372023 年 3 月付凯，等:隧道宽度对侧向排烟系统排烟效果的影响研究Mar，2023图 5不同隧道宽度的拱顶温度Fig 5Vault temperature for different tunnel widths受到隧道侧壁的影响时，热烟气会沿侧壁向下移动，形成反浮力壁面羽流19。反浮力壁面羽流在碰到侧壁后向下流动过程中，由于隧道侧壁摩擦力的作用，反浮力壁面射流在向下运动一段距离之后将趋于滞止，部分烟气回流，见图 6。不同宽度隧道内火羽流的发展情况见图 6。从图 6 可以看出，由于隧道顶板摩擦阻力的存在，在无排烟情况下，随隧道宽度增加，烟气向隧道侧壁蔓延的过程中阻力增大，导致烟气水平惯性力逐渐减弱，因此，隧道越宽，反浮力壁面射流越弱，其垂直长度相对减小。在无排烟情况下，随隧道宽度增加，烟气横向蔓延距离增大，火羽流卷吸的冷空气增多，且高温烟气层与隧道拱顶的接触面积增大，加剧了烟气层的热损失，因此随隧道宽度增加，火羽流在隧道横向上的空气卷吸也增加，这将导致隧道内烟气温度降低，与图 5 不同隧道宽度下顶板温度呈现的规律一致。2.2烟气蔓延分析本文采用积分比法计算不同工况下的烟气层厚度。积分比法由 He 等20 提出，它利用已知函数在有限区间内的平均值和均匀性，从数学的角度将该有限区间划分为两个区间。以此为理论基础，由于烟气层会出现分层现象，将隧道区间分为上层热烟气和下层冷空气，分别对应不同的温度积分比，从而得到烟气层的分界面。设温度函数 T(h)在区间 0，H 内变化，高度 h=Hi将隧道水平分隔为上下两部分，Hi(0，H)，计算公式为r=rp+ro=1(H Hi)2HHiT(h)dh HHi1T(h)dh+1H2iHi0T(h)dhHi01T(h)dh(2)r(Hi)=min(r)(3)式中H 为隧道地面到顶棚的高度，m;Hi为烟气层界面高度，m;T(h)为温度竖向分布函数，K;r 为温度积分比，其中 rp为上层烟气的温度积分比，ro为下层烟气的温度积分比。本文通过模拟得到的温度分布曲线进行非线性拟合，从而得到温度分布函数T(h)，在 r 取得极小值时对应的高度即为烟气层分界面高度。以隧道宽度为 10 m 为例，研究不同排烟量下烟气层分布特征，见图 7。从图 7 可以看出，当侧向排烟开启时，隧道内的烟气层以火源为中心呈对称分布，烟气蔓延范围超出最末端的排烟阀(距火源上下150 m 处)，但由于排烟阀的抽吸作用，烟气通过排437Vol 23No 3安全 与 环 境 学 报第 23 卷第 3 期图 6火源所在位置横截面上的温度云图Fig 6Temperature nephogram on cross section of fire source location烟道被排出隧道，因此从最末端的排烟阀到隧道端口，烟气层厚度逐渐变薄，直至烟气层厚度为 0。除此之外，排烟口处烟气层厚度较其两侧的厚度明显降低，形成突变，这是因为排烟口抽出大量烟气，导致排烟口处烟气层厚度降低。此外，不同排烟量的烟气蔓延分布如图8 和表3所示，当隧道宽度为 10 m，排烟量分别为 220 m3/s、240 m3/s、260 m3/s 时，烟气蔓延长度逐渐变短，分别为 610 m、566 m、518 m，表明在隧道宽度一定时，随排烟量增加，侧向排烟排出的烟气会增加，烟气向上、下游蔓延的距离逐渐变短，排烟量的增大有利于更好地控制烟气的蔓延距离。在隧道宽度不同时，距火源不同位置处的烟气层厚度如图 9 所示，烟气层厚度呈现以火源为中心的近似对称分布，排烟口处的烟气层厚度较其两侧的厚度出现不同程度的降低，形成突变，并且隧道越宽，突变越小;且在排烟口控制范围内(距火源上下150 m 内)，不同隧道宽度下烟气层厚度差异较小，表明此时烟气层厚度受排烟的影响大;在排烟口控制范围外，烟气层厚度随隧道宽度增加逐渐变薄，这是因为当隧道高度不变的情况下，相同火源功率下图 7不同排烟量隧道内烟气层厚度(隧道宽度 10 m)Fig 7Thickness of smoke layer in tunnels with differentsmoke exhaust rates(tunnel width 10 m)产生的热烟气总量是相同的，随隧道宽度增加，烟气与隧道壁面之间接触的面积增加，因此烟气层的厚度随隧道宽度增加逐渐变薄。此外，不同隧道宽度的烟气蔓延分布如图 10 和表 3 所示，当排烟量为 260 m3/s 时，随隧道宽度增加，烟气上、下游蔓延距离逐渐变远。隧道宽度为10 m、13 m、15 m、18 m 和 20 m 时，烟气蔓延长度分别为518 m、638 m、688 m、745 m 和769 m，烟气蔓延5372023 年 3 月付凯，等:隧道宽度对侧向排烟系统排烟效果的影响研究Mar，2023图 8不同排烟量隧道内烟气分布(隧道宽度 10 m)Fig 8Smoke distribution in tunnels with differentsmoke exhaust rates(tunnel width 10 m)图 9不同隧道宽度隧道内烟气层厚度(排烟量 260 m3/s)Fig 9Thickness of smoke layer in tunnels with differenttunnel widths(smoke exhaust volume 260 m3/s)图 10不同隧道宽度隧道内烟气分布(排烟量 260 m3/s)Fig10Smoke distribution in tunnels with different tunnelwidths(smoke exhaust volume 260 m3/s)长度的增长呈先快后慢的变化趋势。从图 10 烟气分布也可以看出，在隧道宽度为 18 m 和 20 m 时，蔓延长度的变化很小。这是因为烟气在纵向蔓延时，会受到侧向排烟口抽吸作用，当隧道宽度增加时，排烟口的抽吸作用对烟气层的扰动也逐渐减弱，即在相同排烟量下，隧道宽度越宽，侧向排烟排出去的烟气越少，烟气蔓延长度越长，隧道宽度的增加不利于排烟口对烟气蔓延的控制。2.3排烟效率排烟效率是衡量隧道火灾排烟效果的主要因素，合理分析隧道火灾发生时的排烟效果，就能控制表 3烟气蔓延范围Table 3Smoke spread range隧道宽度/m排烟量/(m3s1)烟气蔓延范围/m上游下游烟气蔓延长度/m1022030330761024028228456626025826851813220354357711240337339676260318320638152203803827622403613647252603463426881822039640179724038538877326037237374520220407410817240393398791260386383769烟气的蔓延，有利于人员逃生21。由于排烟口排出的是烟气与空气的混合烟气，直接提取烟气量较为困难，本文以燃烧的主要产物 CO2作为参考，利用火源生成的 CO2量和排烟口排出的 CO2量表征火源的烟气生成量和排烟口的烟气排出量21 23，则排烟效率可以定义为=mpmz 100%(4)式中mp为排烟口排出的 CO2量，kg/s;mz为 CO2的总生成量，kg/s。由表 4 可知，排烟效率受隧道宽度的影响较大，在相同排烟量下，随隧道宽度增加，各排烟阀排烟效率及总排烟效率均呈递减趋势。在排烟量为 220m3/s 时，排烟效率从 65.62%递减到 47.64%，降低了17.98 个百分点;在排烟量为240 m3/s 时，排烟效率从 68.84%递减到 50.14%，降低了 18.7 个百分点;在排烟量为 260 m3/s 时，排烟效率从 71.37%递减到 52.86%，降低了 18.51 个百分点。可以看出，在不同的排烟量下，隧道宽度由 10 m 增加至 20 m，排烟效率降低了 18 个百分点左右。当火源热释放速率为 20 MW 时，不同隧道宽度637Vol 23No 3安全 与 环 境 学 报第 23 卷第 3 期下的排烟效率随排烟量和隧道宽度的变化趋势见图 11。表 4不同工况的排烟效率Table 4Smoke exhaust efficiency of different conditions工况排烟量/(m3s1)各排烟阀排烟效率/%S1S2S3X1X2X3合计/%W0122012.958.9210.9510.928.8313.0565.62W0224014.149.2111.2611.149.0814.0168.84W0326014.759.4911.4311.329.5614.8271.37W0422011.797.928.929.648.5412.3359.15W0524013.048.609.659.578.6213.0762.55W0626013.758.909.739.859.0113.9665.20W0722011.147.668.268.377.7510.9154.11W0824011.938.078.588.478.1112.0757.23W0926012.978.518.818.858.3912.9360.46W1022010.447.387.787.677.3310.5051.10W1124011.457.947.977.747.4611.3153.87W1226012.078.118.188.037.8411.9156.14W132209.857.107.256.966.869.6347.64W1424010.297.297.367.417.3510.4450.14W1526011.327.587.587.627.7011.0652.86图 11排烟效率随排烟量和隧道宽度变化趋势图Fig 11Trend diagram of smoke exhaust efficiency with smoke exhaust volume and tunnel width从图 11(a)可以看出，不同隧道宽度下的排烟效率均随排烟量增加而显著增加，这是因为在相同边界条件下，排烟量越大，侧向排烟口的抽吸能力就越强，排烟口排出的热烟气就越多，因此排烟效率会随排烟量的增加而增加;从图 11(b)可以看出，在相同排烟量的情况下，隧道宽度越窄，侧向排烟效率越高，这是因为隧道宽度越窄，隧道内的烟气层厚度越厚，从而侧向排烟口越容易浸没在烟气层中，导致侧向排烟口更容易排出热烟气，进而提高了侧向排烟的排烟效率。在隧道宽度为 20 m 时，在不同排烟量(220 m3/s、240 m3/s、260 m3/s)下排烟效率均在50%左右，表明隧道宽度在 20 m 以上时排烟效果相对较差，建议隧道宽度大于 20 m 后不宜采用侧向排烟方案。3结论本文基于 FDS 建立了侧向排烟系统下不同隧道宽度的数值模型，结合不同隧道宽度及排烟口风7372023 年 3 月付凯，等:隧道宽度对侧向排烟系统排烟效果的影响研究Mar，2023速对拱顶温度、烟气层厚度和排烟效率进行了分析，结论如下。1)在相同边界条件下，隧道越宽，拱顶纵向温度衰减越剧烈，而拱顶的最高温升受隧道宽度的影响不大。2)在不同隧道宽度下，排烟效率均随侧向排烟量的增加而显著增加;在同一排烟量下，随着隧道宽度增加，各排烟阀排烟效率及总排烟效率均呈递减趋势。3)排烟效率受隧道宽度的影响较大，在相同排烟量下，随隧道宽度增加，各排烟阀排烟效率及总排烟效率均呈递减趋势，隧道宽度从 10 m 增加至 20m，排烟效率降低了 18 个百分点左右。4)在隧道宽度为 20 m 时，在不同排烟量(220m3/s、240 m3/s、260 m3/s)下排烟效率均在 50%左右，表明隧道宽度在 20 m 以上时排烟效果相对较差，建议隧道宽度大于 20 m 后不宜采用侧向排烟方案。参考文献(eferences):1 BESSEE ecent studies prove that the main causeof death during urban fires is poisoning by smokeJ Urgences Mdicales，1997，16(2):77 78.2BABAUSKAS V，GANN G，LEVIN B C，et al Amethodology for obtaining and using toxic potency data forfire hazard analysisJ Fire Safety Journal，1998，31(4):345 358.3 JI J，WAN H X，LI K Y，et al A numerical study onupstream maximum temperature in inclined urban roadtunnel firesJ International Journal of Heat and MassTransfer 2015，88:516 526.4 YANG 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11)2021 10 09 http:/kns cnkinet/kcms/detail/11.4537.x202108110856001 htmlStudy on the influence of tunnel widthon the smoke exhaust effect of thelateral smoke exhaust systemFU Kai1，ZHEN Ya-xing2，XIE Bao-chao2，XU Zhi-sheng2(1 China ail Fifth Survey and Design Institute Group Co，Ltd，Beijing 102600，China;2 Institute of Disaster Preventionand Safety Engineering，Central South University，Changsha410075，China)Abstract:This paper intends to take the horizontal tunnel underthe lateral smoke exhaust system as the research object，and setsup different tunnel widths(10 m，13 m，15 m，18 m and 20 m)and smoke exhaust volume(220 m3/s，240 m3/s and 260m3/s)，so as to explore and find out its influence of differenttunnel widths on the smoke control from the smoke exhausteffect In this paper，based on the FDS numerical simulationanalysis method，combined w