徐琳，常健，王震

（1.山東建筑大學(xué) 熱能工程學(xué)院，山東 濟(jì)南250101；2.山東建筑大學(xué) 可再生能源建筑利用技術(shù)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東濟(jì)南250101；3.山東建筑大學(xué) 山東省可再生能源建筑應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南250101；4.濰坊市建筑設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，山東濰坊261000）

0 引言

公路隧道內(nèi)部空間狹長(zhǎng)封閉，發(fā)生火災(zāi)時(shí)，往往由于缺乏足夠的空氣而造成不完全燃燒，產(chǎn)生的煙氣濃度大、溫度高，不利于人員逃生和消防救災(zāi)。為了合理控制煙氣的擴(kuò)散，盡快將煙氣排出，集中排煙模式廣泛應(yīng)用于公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)，如圖1（a）所示，在射流風(fēng)機(jī)和排煙風(fēng)機(jī)的綜合作用下，維持煙氣高度方向上合理的溫度分層，并將煙氣迅速排出行車(chē)空間，為人員逃生創(chuàng)造條件。徐琳曾采用實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬結(jié)合的方法，分析了煙氣溫度縱向分布、煙氣沉降影響因素及縱向風(fēng)速的衰減規(guī)律［1－4］。針對(duì)縱向通風(fēng)隧道，李穎臻等搭建模型試驗(yàn)臺(tái)，實(shí)測(cè)頂板下方煙氣最大溫升，分析煙氣溫度縱向衰減規(guī)律［5－6］。胡隆華利用FDS模擬分析CO濃度的縱向分布規(guī)律［7］。吳小華通過(guò)數(shù)值模擬，研究不同風(fēng)閥開(kāi)啟條件下集中排煙隧道煙氣蔓延規(guī)律［8］。已有研究成果多針對(duì)縱向通風(fēng)隧道，該研究成果是否仍適用于集中排煙隧道值得討論，且火源位置對(duì)煙氣溫度、濃度衰減的影響在前人研究中也甚少涉及。文章結(jié)合某長(zhǎng)大隧道集中排煙系統(tǒng)設(shè)計(jì)，針對(duì)50 MW火災(zāi)，考慮兩種不同火源位置，借助CFD模擬，研究不同縱向風(fēng)速、排煙組合工況，排風(fēng)口位置煙氣溫度、濃度水平、垂直衰減及相應(yīng)速率關(guān)系，為隧道排煙設(shè)計(jì)提供參考。

1 研究工況分析

1.1 隧道概況

如圖1（a）所示，拱形隧道分成上部排煙道、下部行車(chē)通道兩層空間，一旦發(fā)生火災(zāi)，就近開(kāi)啟火源周?chē)拇蟪叨扰棚L(fēng)口，將煙氣迅速排出行車(chē)空間，取其中300 m長(zhǎng)水平通風(fēng)段為研究對(duì)象，3個(gè)風(fēng)口（1＃、2＃、3＃）沿隧道縱向非對(duì)稱(chēng)布置在火源兩側(cè)，位置及尺寸，如圖1所示。

1.2 火源參數(shù)

模擬考慮50 MW火災(zāi)（相當(dāng)于油罐車(chē)火災(zāi)），火源尺寸 4 m×6 m，距計(jì)算區(qū)域進(jìn)口 150 m［9－10］。以甲烷為燃料，甲烷／空氣質(zhì)量比為1／7.76。考慮隧道橫斷面上火源居中（火源A）、靠壁位置（火源B）兩種情況。

圖1 某長(zhǎng)大公路隧道通風(fēng)系統(tǒng)圖／m

1.3 送風(fēng)及排煙工況確定

在射流風(fēng)機(jī)送風(fēng)、煙道排煙耦合作用下，火源下游側(cè)峒口將自然補(bǔ)風(fēng)。為了便于分析，定義其為誘導(dǎo)風(fēng)速v2?？紤]到火源上下游非對(duì)稱(chēng)煙氣控制策略，射流風(fēng)機(jī)上游送風(fēng)速度v1大于誘導(dǎo)風(fēng)速v2。v1取 0.5、1、1.5、2和 2.5 m／s，v2取 0.5、0.75、1、1.25和1.5 m／s等風(fēng)速組合共38種模擬工況。

2 控制方程的建立及邊界條件的確定

2.1 控制方程的建立

模擬計(jì)算考慮甲烷兩步燃燒反應(yīng)由式（1）表示為

模擬過(guò)程還涉及紊流、傳熱影響，本文采用浮力修正κ－ε模型，在κ方程中引入浮力源項(xiàng)Gb反應(yīng)浮力造成的湍流削弱效應(yīng)，同時(shí)在ε方程中增大ε產(chǎn)生項(xiàng)，進(jìn)一步突出浮力作用［11－12］。鑒于計(jì)算對(duì)象尺度范圍較大，輻射模型采用相對(duì)簡(jiǎn)單的DTRM模型，通過(guò)跟蹤射線數(shù)目和調(diào)整網(wǎng)格疏密程度提高計(jì)算精度?？刂品匠探M由式（2）表示，模型基本參數(shù)見(jiàn)表 1［13－14］。

式中：φ為待求通用物理量；V為速度矢量；Гφ、Sφ為對(duì)應(yīng)變量的輸運(yùn)系數(shù)及源項(xiàng)，數(shù)學(xué)表述見(jiàn)表1。

表1 控制方程組通用變量

表1中，Gk、Gb分別為剪切應(yīng)力產(chǎn)生項(xiàng)、浮力產(chǎn)生項(xiàng)，控制方程中常數(shù)取值見(jiàn)表2。此外，數(shù)值求解過(guò)程中還需附加狀態(tài)方程。

表2 控制方程組中常數(shù)取值

2.2 邊界條件的確定

模擬考慮外界環(huán)境溫度To＝303 K，壁面采用Launder和Spalding推薦標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，不計(jì)與外界換熱［15］。隧道入口考慮速度邊界，煙道出口考慮流量邊界，火源考慮質(zhì)量入口邊界。

2.3 計(jì)算模型網(wǎng)格劃分

計(jì)算區(qū)域采用非均勻網(wǎng)格劃分，近火源溫度梯度變化大的區(qū)域布置密集網(wǎng)格，遠(yuǎn)離火源溫度梯度變化小的區(qū)域布置稀疏網(wǎng)格，首次網(wǎng)格劃分后依次增加x、y、z軸網(wǎng)格數(shù)目50%，在保證火源位置、上游送風(fēng)、排煙量相同的情況下，觀察頂板下方最高溫度、濃度變化。當(dāng)兩者相差很小時(shí)，網(wǎng)格劃分結(jié)束，網(wǎng)格數(shù)目為1138254個(gè)。

3 頂板下方最高煙氣溫升與濃度

如圖2、3所示，頂板下方煙氣最高溫升及濃度發(fā)展規(guī)律類(lèi)似。同一火源位置，v2不變，隨v1增大，來(lái)流對(duì)火源熱煙羽擠壓不斷增強(qiáng)，兩者摻混劇烈，加速煙氣垂直沉降，造成頂板下方煙氣溫升、濃度下降。v1不變，隨v2增大，熱煙羽橫向偏移減弱，更好地維持煙氣自然沉降，表現(xiàn)為煙氣溫升、濃度增大。兩者相比，v1的影響更為顯著。此外，由于壁面遮擋，熱量難以擴(kuò)散，造成火源B其煙氣溫升、濃度數(shù)值均高于火源A，且隨v1增大，兩者之差呈減小趨勢(shì)。

圖2 不同火源位置頂板下方最高煙氣溫升圖

圖3 不同火源位置頂板下方最高煙氣濃度圖

引入無(wú)量綱參數(shù)，回歸得到無(wú)量綱溫升、濃度隨風(fēng)速準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式（3）為（見(jiàn)表3）

式中：T0為環(huán)境溫度，K；C0為CO2濃度，取300 ppm。vi為風(fēng)速，m／s，i＝1、2，分別為送風(fēng)速度、誘導(dǎo)風(fēng)速；H為隧道高度，m；g為重力加速度，m／s2。

表3 不同火源位置隨無(wú)量綱準(zhǔn)則關(guān)系式

表3 不同火源位置隨無(wú)量綱準(zhǔn)則關(guān)系式

火源位置 計(jì)算式 R2風(fēng)速范圍A ΔT*max＝4.68－11.42v*1 ＋4.2v*2 ＋10.82v*21 －5.7v*1 v*2 ＋4.29v*2 0.99 0.06＜v*1 ＜0.31，0.06＜v*2 ＜0.19 ΔC*max＝537.5－1789v*1 ＋509v*2 ＋2313v*21 －1416v*1 v*2 ＋1189v*2 0.98 0.06＜v*1 ＜0.31，0.06＜v*2 ＜0.19 B ΔT*max ＝5.06－10.81v*1 －0.51v*2 ＋5.67v*21 ＋3.03v*1 v*2 ＋14.78v*2 1 0.06＜v*1 ＜0.31，0.006＜v*2 ＜0.19 ΔC*max＝552－1560v*1 ＋208.5v*2 ＋1733v*21 －1875v*1 v*2 ＋2826v*2 0.98 0.06＜v*1 ＜0.31，0.06＜v*2 ＜0.19

4 風(fēng)口位置煙氣溫升、濃度衰減幅度

4.1 煙氣水平衰減系數(shù)

定義風(fēng)口煙氣溫升、濃度水平衰減系數(shù)，由式（4）表示為

式中：ΔTvent，u為進(jìn)風(fēng)口位置頂板下方最高煙氣溫度，K；Cvent，u為進(jìn)風(fēng)口位置頂板下方最高濃度，ppm，i＝1、2、3。

如圖4、5所示，各風(fēng)口溫升、濃度水平衰減規(guī)律類(lèi)似。對(duì)于火源A，v2不變，隨v1增大，1＃風(fēng)口煙氣溫升、濃度水平衰減加快。當(dāng)v1＝2.5 m／s時(shí)，1＃風(fēng)口煙氣狀態(tài)與上游送風(fēng)狀態(tài)一致。相比較而言，v2對(duì)1＃風(fēng)口影響忽略不計(jì)。而對(duì)于火源B，情況則不同，隨v2增大，1＃風(fēng)口衰減系數(shù)呈增大趨勢(shì)，且其數(shù)值遠(yuǎn)大于相似工況火源A，這與壁面遮擋是密切相關(guān)的。

2＃風(fēng)口情況與1＃風(fēng)口情況有較大差別。如圖4、5所示，v1對(duì)煙氣水平衰減影響已趨緩，v2影響則較明顯。衰減系數(shù)隨v2增大呈減小趨勢(shì)。此外，火源B其衰減系數(shù)遠(yuǎn)大于火源A數(shù)值。

與2＃風(fēng)口相比，3＃風(fēng)口由于臨近下游峒口，衰減系數(shù)受v2影響明顯加強(qiáng)。但火源B衰減系數(shù)仍高于火源A數(shù)值。

4.2 煙氣垂直衰減系數(shù)

定義風(fēng)口煙氣溫度、濃度垂直衰減系數(shù)由式（5）計(jì)算為

式中：ΔTventi，l為進(jìn)風(fēng)口位置地面上方0.3 m最高煙氣溫度，K；、Cventi，l為進(jìn)風(fēng)口位置地面上方 0.3 m最高濃度，ppm。

圖4 不同火源位置風(fēng)口處煙氣溫升水平衰減系數(shù)圖

圖5 不同火源位置風(fēng)口處煙氣濃度水平衰減系數(shù)圖

圖6 不同火源位置風(fēng)口處煙氣溫升垂直衰減系數(shù)圖

圖7 不同火源位置風(fēng)口處煙氣濃度垂直衰減系數(shù)圖

1＃風(fēng)口位于火源上游區(qū)域，煙氣溫度、濃度垂直衰減受v1影響較大，v2影響較小，如圖6、7所示。隨著v1增大，衰減系數(shù)迅速增大至1，說(shuō)明地面基本為來(lái)流送風(fēng)控制。而火源A，其溫度衰減系數(shù)高點(diǎn)接近 0.9，隨著 v1增大至 2.5 m／s，衰減系數(shù)進(jìn)一步下降，表明煙氣擴(kuò)散至地面附近。與之相較，v1對(duì)2＃、3＃風(fēng)口的影響逐漸減弱，而v2對(duì)2＃、3＃風(fēng)口的影響則不斷增強(qiáng)，如圖6、7所示，其衰減系數(shù)隨v2增大呈增大趨勢(shì)。且火源B衰減系數(shù)總體高于火源A數(shù)值，3＃風(fēng)口兩者差值隨v2增大呈減小趨勢(shì)。

5 風(fēng)口位置煙氣溫度與濃度衰減關(guān)系

如圖8所示，3個(gè)風(fēng)口處煙氣溫升水平衰減系數(shù)均大于煙氣濃度衰減數(shù)值。煙氣溫升垂直衰減系數(shù)小于煙氣濃度衰減數(shù)值，如圖9所示。而火源位置對(duì)兩者相對(duì)關(guān)系基本無(wú)影響。

圖9 風(fēng)口處溫升、濃度垂直衰減系數(shù)相對(duì)關(guān)系圖

6 結(jié)論

結(jié)合某集中排煙隧道設(shè)計(jì)，考慮50 MW大尺度火災(zāi)（居中、近壁兩種火源位置）。針對(duì)不同上游送風(fēng)速度v1，誘導(dǎo)風(fēng)速v2組合工況，借助FLUENT軟件，研究排風(fēng)口位置煙氣溫度、濃度水平衰減、垂直衰減規(guī)律，其結(jié)果表明：

（1）近壁火源頂板下方煙氣最高溫度、濃度均高于居中火源數(shù)值，兩者之差隨v1增大呈減小趨勢(shì)；

（2）風(fēng)口位置煙氣溫度、濃度衰減規(guī)律類(lèi)似，近壁火源數(shù)值明顯高于居中火源情況；

（3）1＃風(fēng)口水平衰減系數(shù)隨v1增大而減小，垂直衰減系數(shù)呈相反規(guī)律，兩者受v2影響均較小；

（4）v1對(duì)2＃、3＃風(fēng)口影響逐漸減弱，而 v2影響不斷增強(qiáng)。隨v2增大，水平衰減系數(shù)呈下降趨勢(shì)，垂直衰減系數(shù)呈上升趨勢(shì)；

（5）3個(gè)風(fēng)口溫升水平衰減系數(shù)大于濃度數(shù)值，溫升垂直衰減系數(shù)小于濃度數(shù)值，與火源位置無(wú)關(guān)。

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