陳 健 許秦坤 董智瑋 肖 靜

(西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院 四川綿陽 621010)

隨著城市化進(jìn)程的不斷加快，人口數(shù)量、交通壓力、土地資源之間矛盾越發(fā)尖銳。隧道交通的發(fā)展成為緩解這一矛盾的重要選擇，在世界各國大量涌現(xiàn)。城市地下公路隧道以及地鐵隧道，極大地緩解了城市的交通壓力。但是，人民在享受隧道交通給生活帶來極大便利的同時，隧道中存在的火災(zāi)隱患、火災(zāi)事故也給隧道消防與救援工作帶來挑戰(zhàn)。據(jù)統(tǒng)計結(jié)果表明，不完全燃燒所產(chǎn)生的高溫有毒煙氣[1]是造成人員傷亡的主要因素。因此，研究地下隧道有毒煙氣控制與排出具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

在工程設(shè)計中，機(jī)械排煙和自然排煙是隧道內(nèi)最主要的兩種通風(fēng)排煙方式[2]。豎井自然排煙作為一種新興的排煙方式正被應(yīng)用到深層暗埋隧道以及城市淺埋隧道。這種排煙方式主要通過豎井產(chǎn)生的煙囪效應(yīng)將煙氣排出，該排煙模式具有經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、實(shí)用等特點(diǎn)[3]。目前，國內(nèi)外已經(jīng)有不少城市將豎井排煙應(yīng)用到城市淺埋隧道中，并進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，證明了該方式排煙的有效性和可行性。Yoon等[4]對豎井自然通風(fēng)壓力進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)其與機(jī)械通風(fēng)壓力比值可達(dá)29.26%，遠(yuǎn)高于無豎井時自然開口排煙壓力，為證明豎井排煙有效性提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。Huang等[5]運(yùn)用FLUENT模擬研究了地鐵隧道豎井布置方式與豎井尺寸對排煙效果的影響。Ji[6]研究隧道豎井自然排煙時發(fā)生的邊界層分離和煙氣吸穿現(xiàn)象，提出了相應(yīng)的判定模型。Zhong[7]分析了隧道內(nèi)縱向風(fēng)對豎井自然排煙的影響規(guī)律。韓見云[8]通過開展小尺寸實(shí)驗(yàn)對火源功率以及豎井橫截面積對自然排煙規(guī)律展開研究。目前，在縱向風(fēng)下豎井橫截面積對隧道排煙的影響尚未有相關(guān)研究成果，鑒于此，筆者利用目前較成熟的CFD數(shù)值模擬技術(shù)，采用FDS(Fire Dynamics Simulator)[9]軟件進(jìn)行全尺寸模擬。在公路隧道中設(shè)置不同橫截面積的豎井，分析在縱向風(fēng)條件下，豎井下方溫度、隧道CO濃度以及豎井出口處煙氣速度等參數(shù)的變化，研究豎井尺寸和縱向風(fēng)速對排煙效果的影響，以期對隧道自然排煙的設(shè)計和火災(zāi)救援工作提供指導(dǎo)。

1 數(shù)值模擬

1.1 基本守恒方程

FDS以Navier-Stokes方程為基礎(chǔ)，包含了質(zhì)量、動量以及能量的守恒[9]。

質(zhì)量守恒方程：

(1)

動量守恒方程：

(2)

能量守恒方程：

(3)

式中：h為比焓，J/kg；K為導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)。

理想氣體狀態(tài)方程：

(4)

式中：R為理想氣體常數(shù)；T為理想氣體熱力學(xué)溫度;M為理想氣體的平均摩爾質(zhì)量。

1.2 火災(zāi)場景設(shè)計

建立的水平隧道模型尺寸長為100 m，寬為10 m，高為5 m，豎井高度為5 m，豎井橫截面積從1 m×1 m 增加到3 m×3 m。水平隧道模型見圖1。

圖1 豎井隧道模型Fig.1 Model of shaft tunnel

(1)網(wǎng)格條件：數(shù)值模擬中，網(wǎng)格尺寸大小對實(shí)驗(yàn)精度影響很大。根據(jù)國內(nèi)外學(xué)者的研究經(jīng)驗(yàn)以及數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，本文豎井位置附近網(wǎng)格為0.1 m×0.1 m×0.1 m，其余位置網(wǎng)格采用0.2 m×0.2 m×0.2 m。

(2)邊界條件設(shè)置：邊界條件材料屬性為混凝土并且處于絕熱狀態(tài)。環(huán)境溫度為20 ℃，氣壓為101 325 Pa，隧道各位置開口處相對壓力為0 Pa。

(3)火源點(diǎn)設(shè)置：設(shè)置汽車模型尺寸為5 m×2 m×1.2 m，火源功率為5 MW，位于隧道(x1,x2,y1,y2,z1,z2)=(45，50，2，4，0，1.2)處。

(4)縱向風(fēng)設(shè)置：南京工業(yè)大學(xué)曾在原型隧道進(jìn)行了一系列火災(zāi)實(shí)驗(yàn)，測得隧道內(nèi)部自然風(fēng)速為0.4 m/s到1.4 m/s[10]，本文選取風(fēng)速為0，0.5，1，1.5，2 m/s。

(5)測點(diǎn)設(shè)置：在火源下游20 m(豎井上游5 m)處布置一個煙氣層厚度測點(diǎn)，一串溫度測點(diǎn)和一串CO測點(diǎn)。在豎井開口界面處設(shè)置9個CO測點(diǎn)、6個速度測點(diǎn)。豎井正下方設(shè)置一串溫度測點(diǎn)。隧道右端出口處設(shè)置一串質(zhì)量流量測點(diǎn)，用來與無排煙時對比。

模擬實(shí)驗(yàn)工況如表1所示，工況1-5是指截面相同不同縱向風(fēng)速，其余以此類推。

表1 實(shí)驗(yàn)工況匯總Table 1 Experimental condition summary

通過隧道內(nèi)煙氣層高測點(diǎn)的輸出結(jié)果穩(wěn)定段數(shù)值可以求得不同橫截面積豎井隧道內(nèi)煙氣層厚度。圖2給出了火源功率為5 MW，橫截面積為2 m×2 m時，豎井上游5 m處煙氣層厚度隨時間變化情況。從圖中可以看出30 s以后煙氣層高度基本維持在3.6 m左右，變化幅度不大，說明此時隧道內(nèi)煙氣流動達(dá)到了比較穩(wěn)定的狀態(tài)，故可取70～90 s為穩(wěn)定段。下文出現(xiàn)的煙氣各參數(shù)(溫度、CO濃度等)都為在此穩(wěn)定段內(nèi)的平均值。

圖2 煙氣層穩(wěn)定段選取Fig.2 Selection of flue gas stability section

2 結(jié)果與分析

隧道發(fā)生火災(zāi)后，燃燒產(chǎn)生的煙氣向上運(yùn)動，形成隧道內(nèi)受限空間煙氣羽流，當(dāng)羽流受到隧道頂棚阻擋后，便沿著頂棚下方四面擴(kuò)散開來。之后，羽流再受到隧道兩側(cè)壁面的阻擋，煙氣在側(cè)壁的作用下由二維的徑向轉(zhuǎn)向?yàn)橐痪S的水平流動。當(dāng)煙氣運(yùn)動到豎井所在區(qū)域時，煙氣在隧道頂部設(shè)置的豎井中形成的煙囪效應(yīng)進(jìn)行排煙。煙囪效應(yīng)為發(fā)生火災(zāi)時,火場溫度升高,空氣膨脹,體積增大,密度減小,環(huán)境的冷空氣與火場排煙通道上的熱空氣產(chǎn)生較大的密度差,熱煙氣向上運(yùn)動。溫差越大，煙囪效應(yīng)越明顯。

2.1 煙氣層吸穿

煙氣排出受豎向慣性力(煙囪效應(yīng))與水平慣性力(火源功率、風(fēng)速)的影響。在煙氣通過豎井時，煙氣通過豎井排出，同時也會卷吸煙氣層下方空氣。當(dāng)豎向慣性力增大(煙囪效應(yīng)增強(qiáng))時，排煙口下方煙氣層則會向豎井凹陷，豎向慣性力繼續(xù)增強(qiáng)時，排煙口下方煙氣層厚度變?yōu)?，大量的冷空氣被吸入豎井，即發(fā)生了煙氣吸穿現(xiàn)象。

不同風(fēng)速下豎井下方溫度分布如圖3所示，其中縱坐標(biāo)表示豎井下方測點(diǎn)溫升。在一定的縱向風(fēng)速下，隨著豎井尺寸增大，隧道內(nèi)相對煙氣層厚度變小，使處于煙氣層內(nèi)測點(diǎn)溫升下降到0 ℃左右，然后保持穩(wěn)定，說明了豎井下方?jīng)]有煙氣，煙氣層厚度為0，發(fā)生了煙氣層吸穿。隨著縱向風(fēng)速的增大(0～2 m/s)，煙氣層吸穿的豎井尺寸從1.5 m×1.5 m增大為2 m×2 m，接著繼續(xù)增大到2.5 m×2.5 m。

根據(jù)圖3中煙氣層溫升隨豎井尺寸的變化情況，可以將溫升曲線大致分為兩個區(qū)域，即吸穿區(qū)和未吸穿區(qū)。在一定的縱向風(fēng)速下，當(dāng)豎井尺寸較小時，豎井的排煙作用較小，豎井下方保持著穩(wěn)定的煙氣熱分層[11-12]。隨著豎井尺寸的增大，排煙作用增強(qiáng)，豎井下方煙氣層越來越薄，當(dāng)豎井達(dá)到一定尺寸的時候，煙囪效應(yīng)達(dá)到了一個臨界狀態(tài)，即豎井下煙氣層最低點(diǎn)到達(dá)豎井時，發(fā)生煙氣層吸穿。但隨著縱向風(fēng)速的增大，煙氣層發(fā)生吸穿時的豎井尺寸增大，考慮到隧道內(nèi)部自然風(fēng)速為0.4 m/s到1.4 m/s[10]，建議隧道豎井尺寸不超過2.5 m×2.5 m，更有利于煙氣的排出?；谝陨锨闆r的分析，結(jié)合數(shù)值模擬中記錄的可視化圖形，將豎井下方煙氣層吸穿匯總于表2。

2.2 邊界層分離

在豎井自然排煙中，煙氣由于在較強(qiáng)的水平慣性力作用下流經(jīng)豎井時會立刻與豎井左側(cè)發(fā)生壁面分離，以豎井與隧道頂棚鏈接處為分離點(diǎn)向下運(yùn)動[13]。本文以豎井出口處上下游煙氣流速來研究邊界層分離，即排煙口上下游速度大小的比較。上游速度大于或等于下游速度，則說明邊界層分離不突出，上游速度小于下游速度，則說明邊界層分離突出。不同縱向風(fēng)下豎井出口處橫截面上下游速度如圖4所示。

圖3 不同縱向風(fēng)豎井正下方溫升Fig.3 The temperature rises directly below the vertical wind shaft

縱向風(fēng)風(fēng)速/m·s-1豎井尺寸1 m×1 m1.5 m×1.5 m2 m×2 m2.5 m×2.5 m3 m×3 m0NYYYY0.5NNYYY1NNYYY1.5NNNYY2NNNYY

注：Y代表吸穿，N代表未吸穿。

隨著豎井尺寸的增大，豎井出口橫截面速度呈下降趨勢，豎井出口處的煙氣流速逐漸減小，這是由于豎井尺寸的增大，豎向慣性力減弱，致使煙氣排出速度有減小的趨勢。當(dāng)無縱向風(fēng)的情況時，豎井頂部截面速度隨著豎井尺寸的增大逐漸減小，當(dāng)豎井尺寸達(dá)到2.5 m×2.5 m時，上下游速度趨于穩(wěn)定。說明了此時排煙較為穩(wěn)定。當(dāng)通入0.5 m/s縱向風(fēng)時，豎井截面速度隨著豎井尺寸增大先增大后逐漸減小，最后趨于穩(wěn)定，但豎井截面速度比無縱向風(fēng)時要大。當(dāng)通入1 m/s和1.5 m/s縱向風(fēng)時，無論豎井尺寸大小，豎井截面上下游速度始終保持著較大差異，這說明了在縱向風(fēng)影響下豎井內(nèi)煙氣水平慣性力增大，致使邊界層分離現(xiàn)象增大。在數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)當(dāng)隧道內(nèi)火源功率為5 MW汽車著火時，煙氣的臨界風(fēng)速介于1.5～2 m/s之間。當(dāng)縱向通風(fēng)為2 m/s時，隧道內(nèi)煙氣只向豎井一側(cè)流動，致使豎井側(cè)煙氣流量增大，煙氣量增大致使更多煙氣進(jìn)入豎井，煙氣邊界層分離作用減小，故發(fā)生了隨著豎井尺寸的增大，豎井截面上下游速度相等的情況。此外，縱向風(fēng)速較大(v≥1.5 m/s)，豎井尺寸較小(1 m×1 m)，煙氣邊界層分離不突出，縱向風(fēng)速小(v≤0.5 m/s)，豎井尺寸大(2.5 m×2.5 m，3 m×3 m)，煙氣邊界層分離不突出。其余工況邊界層分離較為突出。

圖4 不同縱向風(fēng)下豎井上端開口界面處速度分布Fig.4 Velocity distribution at the top opening interface of vertical shaft under different longitudinal wind conditions

2.3 縱向通風(fēng)對排煙的影響

圖5給出了不同風(fēng)速和不同豎井尺寸排煙效率圖。圖中縱坐標(biāo)排煙效率由公式(5)[14]所得，其中豎井頂部CO濃度(COshaft)由9個CO測點(diǎn)平均值所得，隧道內(nèi)CO濃度(COtunnel)為火源下游20 m(豎井上游5 m)處一串CO測點(diǎn)平均值所得。從圖中可以看出，縱向風(fēng)速v=0，0.5，1，2 m/s，隨著豎井尺寸的增大，豎井的排煙效率先下降再升高，后又下降，而縱向風(fēng)速v=1.5 m/s例外。隨著豎井尺寸的增大，縱向風(fēng)速較大(v≥1.5 m/s)更能促進(jìn)煙氣的排出效率，較小風(fēng)速(v≤1 m/s)排煙效率差別較小。同時，考慮到工程實(shí)際，若隧道豎井較小，縱向通風(fēng)1.5 m/s為佳，若隧道豎井尺寸大，縱向風(fēng)速建議加大，更能促進(jìn)煙氣的排出。

(5)

圖5 不同縱向風(fēng)下豎井排煙效率Fig.5 Smoke extraction efficiency of vertical shaft under different longitudinal wind conditions

3 結(jié)論

通過對隧道內(nèi)采用豎井排煙煙氣的運(yùn)動狀態(tài)研究，得到了不同縱向風(fēng)速下豎井橫截尺寸排煙的有關(guān)規(guī)律。結(jié)果表明：(1)隧道內(nèi)發(fā)生煙氣層吸穿時，不利于煙氣的排出。隨著縱向風(fēng)速的增大，煙氣層發(fā)生吸穿時的豎井尺寸增大，考慮到隧道內(nèi)部自然風(fēng)速為0.4 m/s到1.4 m/s[10]，建議隧道豎井尺寸不超過2.5 m×2.5 m，更有利于煙氣的排出。(2)煙氣運(yùn)動到豎井時，邊界層分離也不利于煙氣的排出?？v向風(fēng)速較大(v≥1.5 m/s)，豎井尺寸較小(1 m×1 m)，煙氣邊界層分離不突出，縱向風(fēng)速小(v≤0.5 m/s)，豎井尺寸大(2.5 m×2.5 m，3 m×3 m)，煙氣邊界層分離不突出。(3)考慮到工程實(shí)際，若隧道豎井較小，縱向通風(fēng)1.5 m/s為佳，若隧道豎井尺寸大，縱向風(fēng)速建議加大，更能促進(jìn)煙氣排出。