水下隧道排烟阀尺寸对侧向排烟系统烟气蔓延特性影响_梁园.pdf

ZHANG Q，CHENT，LXZMathematicalmodeling of building intelligent evacuation systemJ Fire Science and Technology，2011，30(6):500 504.19 刘世松，马鸿雁，焦宇阳 高层建筑火灾情况下人员疏散研究 J 消防科学与技术，2019，38(6):794798.LIU S S，MA H Y，JIAO Y Y Study on personnelevacuation from high-rise building in fireJ FireScience and Technology，2019，38(6):794 798.20 HULEY M JSFPE Handbook of fire protectionengineering M Berlin:Springer，2016.Simulation study on the law of firesmoke propagation under thestack effectZHANG Yu-tao，CHE Bo，ZHANG Yu-jie(College of Safety Science and Engineering，Xian University ofScience and Technology，Xian 710054，China)Abstract:In order to study the law of smoke propagation causedby stackeffectinhigh-risebuildings，thesmokespreadcharacteristics of four different cross-section dimensions(CSD)of vertical shaft in a high-rise building were compared andanalyzed based on FDS Aspect ratio of the shaft was introducedto judge whether the stack effect phenomenon was obvious or notThe laws of smoke longitudinal spread time and smoke velocity inshaft were obtained A shaft with aspect ratio of 11.8 is selectedto study the generation characteristics of the stack effect and itsinfluence on the distribution of smoke The temperature，COvolume fraction and visibility changes of the floors above theneutral planeofthebuildingwereanalyzedSimulationsillustrated that in the case of 8 MW fire on the first floor of thebuilding，when aspect ratio is around 8，the smoke velocity inthe shaft has a sudden change，and the smoke velocity in mostareas of the shaft reaches 6 m/s，resulting in an obvious stackeffect;the smoke hazards of floors above the neutral plane aremuch greater than those below the neutral plane under stackeffect The horizontal spread speed of smoke above the buildingneutral plane accelerates with the increase of floor height As thefire situation develops，the temperature of the evacuation corridorabove the neutral-plane all exceeds the critical temperature of thesafe evacuation by 60 The further away from the fire，thefaster the CO volume fraction reaches the critical value Thechange of visibility decreases sharply The time to reach thecritical visibility at the shaft mouth of each floor is similar，andthe time to reach the critical visibility at the end of the walkwaydecreases gradually with the increase of building heightKey words:safety engineering;numerical simulation;verticalshaft;stack effect;spread of smoke文章编号:1009-6094(2023)03-0748-08水下隧道排烟阀尺寸对侧向排烟系统烟气蔓延特性影响*梁园1，刘邱林2，徐志胜2，谢宝超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:为探究水下隧道侧向排烟阀尺寸对烟气蔓延特性的影响，依托苏震桃高速公路太湖隧道工程，采用理论分析与FDS 数值模拟等方法，对水下隧道侧向排烟系统烟气蔓延特性展开分析。结果表明:随着排烟量的增加，侧向排烟阀变得越狭长，烟气控制效果越好，侧向排烟系统的排烟效率越高;随着排烟量的增大，每个排烟阀处的局部阻力损失有明显增加;并且随着排烟阀变得越来越狭长，排烟阀处局部阻力损失越小，最大能降低原有损失的 15.6%。提出了排烟阀局部阻力与无量纲排烟量与无量纲排烟阀尺寸之间的拟合关系式。结合排烟效率分析结果，建议排烟阀尺寸(宽 高)选取 4 m 1.5 m。关键词:安全工程;隧道火灾;排烟阀尺寸;排烟效率;烟气层;局部阻力中图分类号:X932文献标志码:ADOI:10.13637/j issn 1009-6094.2021.1550*收稿日期:2021 08 31作者简介:梁园，高级工程师，硕士，从事隧道通风及防灾设计研究，290230308 qq com;谢宝超(通信作者)，副教授，从事结构抗火、火灾烟气流动与控制、火灾疏散与应急管理研究，xiebaochao csu edu cn。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引言隧道建设给交通带来极大的便利1，但其消防安全问题也日益突出2。隧道发生火灾时，由于排烟散热条件差，高温有毒烟雾不易排出，易造成交通堵塞并导致严重伤亡3 6。因此隧道中需配置排烟系统，水下沉管隧道通常采用侧向排烟系统。国内学者针对侧向排烟系统进行了广泛研究。王闪7 研究了港珠澳大桥海底沉管隧道侧向排烟系统的排烟效果并优化了排烟方案。钱芳等8 利用数值模拟软件研究了侧向排烟口的分布形式对隧道内火灾烟气蔓延效果的影响，当在火灾上游开启排烟口时，位于火源上游的烟气回流长度以及蔓延速度847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会随着排烟口开启数量的增多而增大。吴和俊等9 以港珠澳海底隧道为主体研究侧向排烟加纵向通风的组合排烟模式时的烟气控制效果，证明了侧向排烟加纵向通风的组合排烟模式有助于提高排烟效率，并制定了不同坡度下的烟气控制方案。闫治国等10 探究了当城市公路隧道采用侧向排烟加水幕系统时的阻烟隔热作用，为隧道的水幕设计和消防疏散提供参考。Yang 等11 研究了侧向排烟下烟气层吸穿现象，结果表明吸穿现象会降低侧向排烟系统的性能。随着排烟速率的增加，排烟效率不会显著变化。Xu 等12 采用数值模拟软件研究了侧向排烟系统的排热系数及烟气流动特性，研究表明侧向排烟在排烟口下游引起强烈的空气卷吸，随着排烟速度的增加，空气卷吸的程度逐渐增加，排烟口附近的烟层逐渐变薄出现吸穿现象。已有的研究主要集中于侧向排烟系统排烟阀布置形式及排烟量等参数对侧向排烟系统排烟效果影响方面，缺少排烟阀尺寸对烟气蔓延特性的影响研究。在隧道集中排烟系统设计中，众多学者主要考虑排烟道沿程阻力及风井与排烟道连接处的局部阻力，缺乏对集中排烟系统下排烟阀局部阻力方面的研究。因此本文以苏震桃高速公路太湖隧道为工程依托，开展不同排烟阀尺寸及不同排烟量下隧道侧向排烟系统中烟气蔓延特性的研究。1工程背景苏震桃高速公路全长约 46 km，苏震桃高速公路太湖隧道按双向 6 车道标准设计，隧道净高 8.5m，建筑界限高 5 m，宽 17.5 m，隧道断面面积为137.86 m2，排烟道尺寸为高 3 m、宽 5 m，其中穿越东太湖段长约 9 km。起于苏州绕城公路西南段东山互通附近，途经吴中区胥口镇、吴中经济开发区、浦庄镇，在吴江区横扇社区跨越东太湖、太浦河，经庙港社区，在震泽镇跨国道 318 线及长湖申线后，经图 1隧道横断面Fig 1Tunnel cross section桃源西直至终点。全线采用双向六车道高速公路标准，隧道设计速度 120 km/h。拟在湖中不设岛，仅在湖西、湖东岸设排风塔，仅靠侧向重点排烟系统解决防排烟。隧道横断面见图 1。2数值模拟2.1模型及测点设置采用由美国标准技术研究院(National Instituteof Standards and Technology，NIST)开发的软件火灾动 力 学 模 拟 软 件(FireDynamicsSimulator，FDS)13 15 模拟隧道火灾中温度场、流速场及烟气蔓延等参数特征。如图 2 所示，模型隧道的行车道和排烟道长 宽 高分别为 1000 m 17.5 m 8.5m 和 1000 m 5 m 3 m。火源设置在隧道中心处，火源面积为 10 m2，火源功率为 50 MW，单位面积热释放速率为 5 MW/m2，火灾增长方式为 1 s 达到稳定。在隧道顶棚下方 0.5 m 处设置热电偶及流速测点，并沿隧道纵向方向间隔 10 m 进行布置。在排烟道中心位置处，沿排烟道纵向方向间隔 10 m 布置热电偶及流速测点。每个工况开启 6 个排烟阀，以火源间隔 60 m 对称分布，在排烟阀处布置一组热电偶及流速测点，用于测量排烟阀处温度及流速。以火源为中心，在隧道中心线处，间隔 10 m 设置烟气层分界面高度测点，并在距火源 40 m 处设置 1 列热电偶树。模型的环境温度设置为 20，压强设置为101 kPa，模拟时长为 600 s。2.2工况设置选取 4 种面积相同、宽 高分别为 2 m 3 m、3 m 2 m、4 m 1.5 m 和 6 m 1 m 的侧向排烟阀，排烟量分别为 220 m3/s、240 m3/s 和260 m3/s，热释放速率均为 50 MW，排烟道尺寸(长 宽)均为5 m 3 m，总共 12 组工况，见表 1。表 1工况设计表Table 1Summary of simulation conditions编号排烟量/(m3s1)排烟阀尺寸(宽 高)/(m m)12342202 33 24 1.56 156782402 33 24 1.56 191011122602 33 24 1.56 19472023 年 3 月梁园，等:水下隧道排烟阀尺寸对侧向排烟系统烟气蔓延特性影响Mar，2023图 2隧道模型Fig 2Tunnel model diagram2.3网格划分在 FDS 中，网格尺寸是影响模拟结果的准确性与客观性的关键参数之一。对于网格尺寸的确定主要使用被广泛应用的 D*/x标准16。其中 D*为特征长度，x为网格尺寸，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。D*可表示为D*=QacpTa()g2/5(1)式中Q为模拟火源热释放速率，kW;a为环境空气密度，kg/m3;cp为环境空气比热容，kJ/(kgK);Ta为环境温度，K;g 为重力加速度，m/s2。当火源热释放速率为 50 MW 时，此时计算出的网格尺寸范围为 0.28 1.14 m。为验证网格精度，从 0.28 1.14 m 的范围内选择了 3 个网格尺寸(0.4 m、0.5 m 及 1.0 m)进行网格独立性分析。图3 为采用不同网格尺寸时距火源 40 m 位置的垂直温度曲线。随着网格尺寸的减小，垂直温度曲线趋于均匀。当网格尺寸为 0.4 m 与 0.5 m 时，温度分布曲线之间只有很小的差异。若选择 0.4 m 作为网格尺寸，网格数量非常多，会占用大量计算资源，消耗较多计算时间。因此选择 0.5 m 作为网格尺寸，以在节省计算时间的同时获得良好的模拟图 3不同网格尺寸模拟结果Fig 3Simulation results with different grid sizes效果。3结果分析3.1烟气控制图 4 为不同排烟量下排烟阀尺寸(宽 高)为6 m 1 m 的隧道内烟气分布规律。可以看出，在不同排烟量下，隧道内烟气呈对称分布，烟气能够得到有效的控制，不再继续向隧道洞口蔓延。在排烟量为 220 m3/s 时，烟气蔓延距离最长，为 825 m，并且随着排烟量的增加，烟气蔓延距离有显著变短，当排烟量为 220 m3/s 时，烟气蔓延距离为 730 m，这是因057Vol 23No 3安全 与 环 境 学 报第 23 卷第 3 期为在相同边界条件下，排烟量越大越容易排出更多的烟气，从而隧道内的烟气蔓延范围就越小。但 3种排烟量下的烟气蔓延长度均超过了 6 个排烟阀300 m 的开启范围。图 5 为排烟量 240 m3/s 时不同排烟阀尺寸下的隧道内烟气分布规律。不同尺寸的侧向排烟阀下烟气均以火源呈对称分布，这与不同排烟量下的烟气蔓延规律基本相似。在相同侧向排烟阀面积及排烟量下，随着侧向排烟阀变得越狭长烟气蔓延范围就越小，这是因为在相同火源功率及隧道尺寸下，隧道火灾的产烟量是一致的，烟气层厚度也是一致的，而侧向排烟阀越狭长越容易浸没在烟气层中。因此在相同排烟量下，越狭长的侧向排烟阀就越容易排出更多的烟气，从而导致隧道内烟气蔓延范围越小，烟气控制效果就越好。图 4不同排烟量隧道内烟气分布(排烟阀尺寸(宽 高):6 m 1 m)Fig 4Smoke distribution in tunnels with different smokeexhaust rate(exhaust vent size(width height):6 m 1 m)3.2烟气层分布特征当隧道没有排烟时，火灾发生后烟气羽流将会自由蔓延，烟气羽流垂直上升撞击顶板后，向顶板四周二维径向蔓延，当碰触到隧道两侧壁面时，烟气在侧壁的作用下，由二维径向蔓延转变为一维水平运动，即烟气的 4 个蔓延阶段:羽流上升阶段、径向蔓延阶段、径向蔓延向一维水平蔓延过渡阶段及一维水平蔓延阶段17。当隧道内开启烟气控制系统后，将会对烟气蔓延阶段产生影响。图 6 为排烟量 260 m3/s 时不同排烟阀尺寸下的烟气层分布特征。当侧向排烟系统开启时，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，但是由于排烟阀的抽吸作用，烟气通过排烟道被排出隧道，因此从火源到隧道端口，烟气层厚度逐渐变薄，直至烟气层厚度为0。除此之外，烟气层在排烟阀处发生突变，这是因为排烟阀对烟气层与空气交界面产生了扰动，使得烟气从排烟阀排出，在侧向排烟阀处形成凹陷区域。3.3排烟效率在数值模拟中分别用火源生成的 CO2和排出的CO2表征火源的烟气生成量和排出量18，排烟效率可表示为单位时间内所有排烟阀的 CO2排出量之和与单位时间内 CO2的生成量之比。图 5不同排烟阀尺寸隧道内烟气分布(排烟量:240 m3/s)Fig 5Smoke distribution in tunnels with different exhaustvent sizes(exhaust volume:240 m3/s)表 2 给出了所有工况的排烟效率。不同排烟量下的排烟效率有所不同，随着排烟量的增加排烟效率显著增加，排烟量越大，在开启的侧向排烟阀处形成的侧向风速越大，越容易排出更多的烟气，从而提高了排烟效率。除此之外，不同的侧向排烟阀尺寸也会影响侧向排烟效率，侧向排烟阀尺寸越狭长，排烟效率变得越来越大，这是因为侧向排烟阀越狭长，越容易浸没在烟气层中，从而排出去的气体中热烟气的成分就越大，进而提高了排烟效率。3.4排烟阀局部阻力在集中排烟中，当火灾产生的烟气通过排烟阀进入排烟道时，烟气通过排烟阀进入到排烟道时，会在排烟阀支路及排烟道相关支路存在局部风阻，排1572023 年 3 月梁园，等:水下隧道排烟阀尺寸对侧向排烟系统烟气蔓延特性影响Mar，2023图 6不同排烟阀尺寸下烟气层分布特征(排烟量:260 m3/s)Fig 6Distribution characteristics of smoke layer with different exhaust vent sizes(exhaust volume:260 m3/s)表 2排烟效率汇总Table 2Summary of smoke extraction efficiency%排烟阀尺寸(宽 高)/(m m)排烟量/(m3s1)2202402602 355.258.159.93 256.659.661.64 1.557.560.062.96 158.561.663.9烟阀处流动情况见图 7。v 为排烟阀处流速，m2/s;vL为排烟阀左侧的排烟道内流速，m/s;v为排烟阀右侧的排烟道内流速，m/s;A 为排烟道面积，m2;S为排烟阀面积，m2。采用流体力学方法求解排烟阀处局部阻力系数19 20，求解方程为1，2=p1，2/v2()2 1.55QQQQ()2=1.55vSvAvSv()A2(2)图 7排烟阀处流动情况示意图Fig 7Schematic diagram of flow at exhaust vent3，2=p3，2/v2()2=0.55 1+QSQ()A2 21 QQ()2=0.55 1+vSv()A2 21 vSv()A2(3)式中1，2为左侧烟气流经排烟口的局部阻力损失系数;3，2为烟气通过排烟口进入到右侧排烟道的局部阻力损失系数;p1，2为左侧烟气流经排烟口的局部阻力损失，Pa;p3，2为烟气通过排烟口进入到右侧排烟道的局部阻力损失，Pa;Q 为通过排烟口的烟气流量，m3/s;Q为右侧排烟道烟气流量，m3/s;v257Vol 23No 3安全 与 环 境 学 报第 23 卷第 3 期为排烟口处烟气流速，m2/s;v为右侧排烟道内流速，m2/s;为右侧排烟道烟气密度，kg/m3。根据理想气体方程可得排烟阀左侧及右侧的局部阻力损失 p1，2和 p3，2分别为p1，2=1，2v22=176.51，2v2T(4)p3，2=3，2v22=176.53，2v2T(5)p=p1，2+p3，2(6)式中p 为排烟阀总局部阻力损失，Pa;T为右侧排烟道烟气温度，K。图 8排烟阀局部阻力损失分布特征Fig 8Distribution characteristics of local resistance loss of exhaust vent图 8 为所有工况下不同排烟阀的局部阻力损失。排烟阀处风速越大，排烟阀处局部阻力损失越大，因此不同排烟量下的排烟阀处局部阻力损失呈两边大中间小的趋势，不同排烟阀处的沿程阻力损失以火源为中心呈对称分布。随着排烟量的增大，每个排烟阀处的局部阻力损失有明显增加，这是因为排烟量越大，排烟阀处形成的排烟风速也越大，从而造成排烟阀处局部阻力损失的增加。表 3 为不同排烟阀尺寸下总排烟阀局部阻力损失。可以看出，排烟量越大，排烟阀处局部阻力损失就越大。相同排烟量下不同尺寸的排烟阀局部阻力损失有明显区别。随着排烟阀变得越来越狭长，排烟阀处局部阻力损失就越小，不同排烟阀尺寸下排烟阀局部阻力损失能在原有基础上降低 10%以上。并且随着排烟量的增大降低的就越明显，排烟量为220 m3/s 时降低 11.3%，排烟量为 260 m3/s 时降低15.6%。结合排烟效率分析结果，建议排烟阀尺寸(宽 高)选取 4 m 1.5 m，此时能够达到较高的排烟效率，并且排烟阀局部阻力损失也较小，能够降低整个侧向排烟系统阻力损失。由表 3 可知，排烟量与排烟口尺寸对排烟阀局部阻力损失有很大影响，将排烟量及排烟口尺寸进行无量纲化处理，引入无量纲排烟量 Q*和排烟口长宽比 h*。Q*=QAgH(9)表 3排烟系统局部阻力损失汇总Table 3Summary of local resistance loss ofsmoke exhaust systemPa排烟阀尺寸(宽 高)/(m m)排烟量/(m3s1)2202402602 3231.80273.69319.693 2226.66267.75309.734 1.5209.91248.59290.716 1205.51233.66269.843572023 年 3 月梁园，等:水下隧道排烟阀尺寸对侧向排烟系统烟气蔓延特性影响Mar，2023h*=h/a(10)式中Q 为排烟量，m3/s;g 为重力加速度，m/s2;H为隧道高度，m;A 为隧道断面面积，m2/s;h 为侧向排烟口高度，m;a 为侧向排烟口宽度，m。排烟阀局部阻力 p 与无量纲排烟量 Q*和排烟口长宽比 h*三者之间的关系为p=f(Q*，h*)(11)图 9 给出了排烟阀局部阻力与无量纲排烟量、无量纲排烟阀尺寸间的拟合关系，其拟合关系式为p=7.5 107Q*1.5/h*0.05(12)该线性拟合关系的拟合度 2为 0.97，表明式(12)可以为隧道通风排烟系统阻力计算提供参考。图 9排烟阀局部阻力损失拟合关系式Fig 9Fitting relationship of local resistanceloss of exhaust vent4结论1)不同排烟量下的排烟效率有所不同，随着排烟量的增加排烟效率显著增加，并且侧向排烟阀越狭长，侧向排烟系统的排烟效率越大。2)排烟阀尺寸(宽 高)由 2 m 3 m 变化至6 m 1 m 时，排烟阀局部阻力损失能在原有基础上降低 10%以上，并且随着排烟量的增大降低得越明显，排烟量为220 m3/s 时降低11.3%，排烟量为260m3/s 时降低 15.6%。3)排烟阀局部阻力与无量纲排烟量及无量纲排烟阀尺寸间呈线性拟合关系，拟合度为 0.97。该拟合关系式可用于计算侧向排烟系统下不同排烟阀尺寸下的排烟阀局部阻力。4)结合排烟效率分析结果，建议排烟阀尺寸(宽 高)选取 4 m 1.5 m，此时能够达到较高的排烟效率，并且排烟阀局部阻力损失也较小，能够降低整个侧向排烟系统阻力损失。参考文献(eferences):1 GANNOUNI S，BEN MAAD CFD analysis of smokeback layering dispersion in tunnel fires with longitudinalventilation J Fire and Materials，2017，41(6):598 613.2 WU F，ZHOU，SHEN G S，et al Effects of ambientpressure on smoke back-layering in subway tunnel firesJ Tunnelling and Underground Space Technology，2018，79:134 142.3 FIDOLF K，ANDEE K，NILSSON D，et alTheimpact of smoke on walking speed J Fire andMaterials，2014，38(7):744 759.4 FAN C G，CHEN J，ZHOU Y，et al Effects of firelocation on the capacity of smoke exhaust from naturalventilation shaftsinurbantunnels J FireandMaterials，2018，42(8):974 984.5 GAO Z H，JI J，FAN C G，et al Determination of smokelayer interface height of medium scale tunnel fire scenariosJ Tunnelling and Underground Space Technology，2016，56:118 124.6 JI J，GUO F Y，GAO Z H，et al Effects of ambientpressure on transport characteristics of thermal drivensmoke flow in a tunnelJ International Journal ofThermal Sciences，2018，125:210 217.7 王闪 隧道火灾侧向排烟控制效果及通风网络解算研究 D 长沙:中南大学，2013.WANG S Study on characteristics of smoke control withone-side exhaust duct in tunnel fires and ventilationnetwork calculation D Changsha:CentralSouthUniversity，2013.8 钱芳，白伟 公路隧道侧向排烟开口分布对烟气蔓延影响的数值模拟研究J 武警学院学报，2014，30(8):15 18.QIAN F，BAI W The numerical simulation on the effectof the smoke exhaust vent arrangement on the smokespreading result in the tunnelJ Journal of the ArmedPolice Academy，2014，30(8):15 18.9 吴和俊，崔海浩，黄益良，等 侧向集中排烟应用于海底隧道的分析优化 J 消防科学与技术，2017，36(10):1364 1368.WU H J，CUI H H，HUANG Y L，et al，Analysis andoptimization on application of lateral centralized smokeextraction on seabed tunnel J Fire Science andTechnology，2017，36(10):1364 1368.10 闫治国，张宁，王兆阳，等 侧向排烟城市道路隧道的水幕阻烟隔热性能研究J 隧道建设，2019，39(5):736 745.YAN Z G，ZHANG N，WANG Z Y，et al Smoke and457Vol 23No 3安全 与 环 境 学 报第 23 卷第 3 期heat insulation performance of water curtain in urbanroadtunnelwithlateralexhaust J TunnelConstruction，2019，39(5):736 745.11 YANG J，PAN X H，WANG Z，et al Numerical studyon the smoke flow characterization and phenomenon ofplug-holing under lateral 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University，Changsha410075，China)Abstract:To explore the influence of the lateral smoke exhaustvent size on the local resistance after tunnel fire，based on theTaihu tunnel project of Su Zhentao expressway，this paperanalyzes and studies the smoke spread characteristics of thelateral smoke exhaust system of the underwater tunnel by usingthemethodsoftheoreticalanalysisandFDSnumericalsimulation This paper mainly analyzes the smoke control effect，smokelayerdistributioncharacteristics，smokeexhaustefficiency，and local resistance of lateral smoke exhaust systemsunder different smoke exhaust valve sizes and smoke exhaustvolume The results show that with the increase of smoke exhaustvolume，the narrower the lateral smoke exhaust vent becomes，the better the smoke control effect is，and the greater the smokeexhaust efficiency of the lateral smoke exhaust system is Withthe increase of smoke exhaust volume，the local resistance loss ateach smoke exhaust vent increases significantlyAnd as thesmoke exhaust vent becomes narrower and longer，the localresistance loss at the smoke exhaust vent becomes sma