排烟量对隧道温度场变化特征的影响研究.pdf

第 4 期咸淑英.排烟量对隧道温度场变化特征的影响研究排烟量对隧道温度场变化特征的影响研究咸淑英(青海省交控建设工程集团有限公司,西宁 810000)采用日期:2022 10 21第一作者:咸淑英(1983),女,高级工程师,主要从事公路工程施工管理工作。摘 要:为探究隧道重点排烟量对火灾热烟气层与冷空气层温度变化的影响,采用数值模拟方法研究隧道温度分布和隧道热烟气层、冷空气层的温度变化情况。结果表明:当排烟量从 140 m3/s 增加至 220 m3/s,隧道内整体温度分布范围收缩明显,当排烟量为 220 m3/s 和 240 m3/s 时,隧道内整体温度分布范围变化不大;当重点排烟模式开启后,隧道内热烟气层和冷空气层的温度均低于未开启排烟口工况的温度。此外,结合重点排烟量对隧道温度的影响特征,进一步建立热烟气层温度衰减预测模型,为类似工程提供研究依据和技术参考。关键词:隧道火灾;集中排烟模式;排烟量;温度场中图分类号:TU997 文献标识码:A 文章编号:1672 9889(2023)04 0063 05Study on the Influence of Smoke Exhaust Volume on theVariation Characteristics of Tunnel Temperature FieldXIAN Shuying(Qinghai Transportation Holdings Construction Engineering Group Co.,Ltd.,Xining 810000,China)Abstract:In order to explore the influence of the centralized smoke exhaust rate of the tunnel on the temperature changesof the hot smoke and cold air layers of the fire,the numerical simulation was used to study the temperature distribution ofthe tunnel and the temperature changes of the hot smoke layer and the cold air layer of the tunnel.The results show that:when the smoke exhaust rate increases from 140 m3/s to 220 m3/s,the overall temperature distribution range in the tun-nel shrinks significantly.When the smoke exhaust volume is 220 m3/s and 240 m3/s,the overall temperature distribu-tion in the tunnel changes little.When the centralized smoke exhaust mode is turned on,the temperature of thehot smoke layer and the cold air layer in the tunnel is lower than those of the smoke exhaust without opening.Inaddition,combined with the impact characteristics of the centralized smoke rate on the tunnel temperature,a predic-tion model for the temperature decay of the hot smoke layer is further established,which can provide research basis andtechnical reference for similar projects.Key words:tunnel fire;centralized smoke exhaust mode;smoke exhaust volume;temperature field 随着我国交通运输行业的快速发展,跨江跨海隧道的建设数量在逐年增加1 7,而盾构施工法广泛应用于相关隧道的工程建设中8 10。当隧道内发生火灾事故时,热烟气沿隧道横向及纵向蔓延,这会对人员疏散及救援造成较大影响11 12,因此盾构隧道火灾烟气控制方案是隧道消防设计中的重点内容。盾构隧道多采用顶部半横向集中排烟方式,这是由于盾构隧道的断面近似圆形,结合热烟气向上运动的特点,弧顶通常用作排烟通道。目前,国内外已对隧道半横向集中排烟方式开展研究。Vauquelin 等13通过试验探究顶部排烟口形状及位置对隧道火灾排烟效率的影响,并研究火灾热释放速率对排烟效率的影响效果。Ingason等14分别针对单点、双点排烟方式开展相关试验研究,分析纵向风速、排烟口间距等因素对排烟效率的作用效果,并通过获得的温度分布及热通量数据建立经验模型。Chaabat 等15建立了缩尺寸隧道模型,通过试验探究挡烟垂壁对烟气蔓延行为的影响特征。Harish 等16通过 CFD(computational flu-第 20 卷 第 4 期2023 年 8 月现 代 交 通 技 术Modern Transportation TechnologyVol 20 No 4Aug.2023现 代 交 通 技 术2023 年id dynamics,计算流体力学)模拟手段研究了排烟口尺寸及火源位置对排烟效率的影响,并预测隧道上部的烟雾运动规律。王忠等17将胶州湾海底隧道作为研究实例,模拟并分析该隧道采用半横向排烟方式的排烟效果。陈娟娟等18采用大涡模拟的手段探究排烟口数量、面积对隧道温度分布、排烟效率的影响。潘一平等19分析排烟阀开启数量、布置间距等因素对单点、双点两种排烟模式下排烟效率的影响。方正等20以武汉长江盾构隧道为例,研究顶部排烟阀开启条件下,火源功率及纵向风速对烟气流动行为及隧道内温度分布的影响。夏之彬等21通过数值模拟研究盾构隧道顶部集中排烟模式下排烟阀组内的间距,发现使用高密闭排烟阀时,排烟阀组内间距不大于一倍排烟阀宽度。赵家明等22通过现场测试和数值模拟研究集中排烟模式下烟气层化高度和范围,发现排烟阀间距对烟气层化高度和范围影响较大。目前国内外学者的研究主要集中在顶部和侧壁排烟的排烟口数量和位置对排烟效果的影响,而顶部重点排烟量对隧道温度场变化特征的影响研究较少。本研究通过 CFD 数值模拟方式研究隧道温度分布和隧道热烟气层、冷空气层的温度变化情况,并建立热烟气层温度衰减预测模型,以丰富隧道顶部重点排烟理论,从而为隧道顶部集中排烟系统设计提供技术参考。1 数值模拟1 1 模型设置及测点布置为研究顶部重点排烟量对隧道温度场变化的影响特征,通过 CFD 数值模拟软件建立隧道长800 m,行车道层宽 13 2 m、高 6 m 的隧道模型。隧道上部为排烟道,下部为行车道。两端为自然开口,隧道壁面材料设置为混凝土,其弹性模量为30 000 N/mm2、每立方抗压强度为 30 MPa。环境温度为 293 K,火源位于隧道中间段中部车道处,隧道模型如图 1 所示。根据公路隧道通风设计细则(JTG/T D70/2022014)23、城市地下道路工程设计规范(CJJ 2212015)24,本研究主要考虑重型货车在隧道中发生火灾的情况,火灾热释放速率为 50 MW。火灾增长方式为 t2快速火21 22。隧道一般按照最不利火灾场景设计排烟量,50 MW 的产烟量理论计算值为 180 m3/s25,因此本研究考虑排烟量范围为 140240 m3/s,并设置无重点排烟模式的隧道作为对照工况。排烟阀间距为60 m,数量为 6 个,开启方式为火源对称开启。排烟阀尺寸为 5 m1 2 m,其长边垂直于隧道行车方向。此外,为探究集中排烟模式下烟气运动特性,在隧道内设置间距为 1 m 的烟层测点,用于实时记录烟气层高度、上层热烟气平均温度以及下层冷空气平均温度。(a)隧道侧视图(b)隧道俯视图图 1 隧道模型(单位:m)1 2 工况选择及网格设置根据 FDS(Fire Dynamics Simulator,火灾动力学模拟器)用户使用手册26可知,当网格尺寸 d取值介于D/16,D/4之间时,模拟结果与试验结果均较为准确,为综合软件运算时间并方便计算,排 烟 阀 附 近 网 格 尺 寸 为 0 25 m 0 25m0 25 m。其中火源特征直径 D的计算公式如式(1)所示。D=QcpTg25(1)式中,D为火源特征直径,m;Q为火源热释放速率,kW;为空气密度,取1 29 kg/m3;cp为空气定压比热容,取 1 02 kJ/(kgK);T为空气温度,取293 0 K;g 为重力加速度,取 9 8 m/s2。2 结果与分析2 1 隧道温度分布云图分析不同排烟量条件下隧道内温度分布如图 2 所示。当隧道中未开启重点排烟模式时,隧道内充满烟气,温度随着与火源距离的增加而降低。开启重点排烟模式后,隧道内的烟气得到控制,由于距离火源较近,第一个排烟阀附近的排烟道温度较高。随着排烟量的增加,隧道内烟气蔓延范围逐渐收缩,烟气影响到的温度范围也逐渐收缩。当排烟量增长至 220 m3/s 以后,继续增加排烟量,隧道内整46第 4 期咸淑英.排烟量对隧道温度场变化特征的影响研究体温度分布范围变化不大。此外,当排烟量分别为140 m3/s、160 m3/s、180 m3/s、200 m3/s、220 m3/s、240 m3/s 时,其对应的烟气长度分别为 303 m、278 m、250 m、220 m、184 m、176 m。可以发现,当排烟量范围在 140 m3/s220 m3/s 之间时,排烟量越大,隧道内烟气长度越小,且缩短幅度逐渐增加;而当排烟量进一步增大至 240 m3/s 时,其与排烟量为220 m3/s 时对应的烟气长度相差不大,因此从节约工程成本的角度出发,220 m3/s 为本研究的最佳排烟量。图 2 不同排烟量条件下隧道内温度分布2 2 隧道冷空气层温度变化分析不同排烟量工况下冷空气层温度分布规律如图 3 所示,发现当隧道开启重点排烟模式后,冷空气层的温度低于无排烟的工况。不同排烟量工况,冷空气层的温度区别不明显。(a)隧道整体分布规律(b)火源附近分布规律图 3 不同排烟量工况下冷空气层温度分布规律2 3 隧道热烟气层温度变化分析不同排烟量工况下热烟气层温度分布规律如图 4 所示,当隧道开启重点排烟模式后,热烟气层温度低于无排烟的工况。针对不同排烟量工况,第一个排烟阀范围内温度变化不大,温度主要从第一个排烟阀之后开始有明显差异。(a)隧道整体分布规律(b)火源附近分布规律图 4 不同排烟量工况下热烟气层温度分布规律为量化分析不同排烟量工况下热烟气层温度分布规律,进一步分析无量纲温升随距离的变化关系,建立无量纲温升与距离的函数模型,模型计算公式如式(2)所示。TT0=fcn(V,x)=Aexp(Bx)(2)56现 代 交 通 技 术2023 年式中,T 为随距离变化的温升,K;T0为测得的最大温升,K;V为排烟阀系数;x 为与火源的距离,m;A、B 均为拟合系数。由于排烟阀尺寸固定,引入排烟阀系数 V,其计算公式如式(3)所示。V=VSgH(3)式中,V 为排烟量,m3/s;S 为排烟阀面积,m2;g 为重力加速度,m/s2;H 为隧道高度,m。不同排烟量工况温度衰减规律拟合如图 5 所示,数据具有良好的相关性,不同排烟量下无量纲温度拟合结果如表 1 所示。图 5 不同排烟量工况温度衰减规律拟合表 1 不同排烟量下无量纲温度拟合结果排烟量/(m3s-1)系数 A系数 B相关系数1400 211-0 008 40 981600 220-0 009 30 981800 238-0 010 20 972000 250-0 011 20 962200 261-0 011 90 952400 265-0 012 20 95 通过无量纲排烟量与系数 A 和系数 B 的相关拟合发现,无量纲排烟量与系数 A 和系数 B 呈线性关系,系数 A 和系数 B 与排烟阀系数的关系拟合如图 6 所示。(a)系数 A(b)系数 B图 6 系数 A 和系数 B 与排烟阀系数的关系拟合系数 A 与排烟阀系数 V的关系如式(4)所示,系数 B 与排烟阀系数 V的关系如式(5)所示。A=0 130 9V+0 026 19(4)B=-0 002 99V-0 001 8(5)最终建立不同排烟量条件下烟气蔓延范围的温度衰减预测模型,模型表达式如式(6)所示。TT0=(0 130 9V+0 026 19)e(-0 002 99V-0 001 8)x(6)3 结论研究盾构隧道重点排烟模式对火灾热烟气层与冷空气层的温度变化影响,并采用数值模拟方法研究隧道温度分布云图以及隧道热烟气层和冷空气层的温度变化情况,得到如下结论。(1)排烟量从 140 m3/s 增加至 220 m3/s,隧道内整体温度分布范围收缩明显,排烟量为 220 m3/s和 240 m3/s 的工况下,隧道内整体温度分布范围变化差异较小。(2)开启重点排烟模式后,隧道内热烟气层和冷空气层的温度均低于无排烟工况的温度。(3)不同排烟量工况,热烟气层温度衰减规律从第一组排烟阀开始有区别。考虑无量纲排烟量为系数,最终建立热烟气层温度衰减预测模型。参考文献 1 朱晓宁,黄俊,董飞,等.超大断面隧道施工安全风险分析及控制研究J.现代交通技术,2022,19(3):44 52.2 林杨辉.厦门轨道交通 2 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