鐘 委， 劉 欣， 高子鶴

(1.鄭州大學 力學與安全工程學院，河南 鄭州 450001；2.鄭州大學 土木工程學院，河南 鄭州 450001)

0 引言

由于隧道狹長結構的特殊性，一旦發(fā)生火災，高溫有毒煙氣容易在隧道內(nèi)積聚并迅速沉降，極易造成大量的人員傷亡和隧道結構的嚴重損壞[1-2]。例如2015年上海外環(huán)隧道轎車起火導致2人死亡，2019年浙江的貓貍嶺隧道車輛起火引發(fā)交通事故并造成5人死亡等。因此，隧道發(fā)生火災后，如何及時有效地排出高溫有害煙氣十分重要。近年來，豎井自然排煙作為一種有效的排煙方式逐漸在城市隧道中得到了廣泛的應用[3-4]，如鄭州京廣快速路下穿隧道，上海長江隧道等。但是，在豎井自然排煙的過程中，容易發(fā)生排煙口下方的煙氣層吸穿現(xiàn)象[4]，極大地降低排煙效率，特別是隧道內(nèi)一般存在一定的縱向通風氣流。因此對縱向風條件下豎井吸穿臨界條件進行研究，能為隧道火災的研究和消防工作的開展提供指導[3]。

目前已有部分國內(nèi)外學者對煙氣層吸穿進行了研究。對于中庭等具有穩(wěn)定蓄煙空間的建筑，Hinckley[5]提出了用于判斷自然排煙吸穿的Froude數(shù)，當發(fā)生吸穿時臨界Froude數(shù)為1.5，其定義如下：

(1)

式中:d表示無排煙時的煙氣層厚度，其數(shù)值大小取決于豎井所在位置，m；v表示排煙口煙氣流速，m/s；ΔT表示煙氣層的平均溫升，K；A表示排煙口面積，m2；T0表示環(huán)境溫度，K；g表示重力加速度，m/s2。

Lougheed等[6]和鐘委等[7]通過研究證實Froude數(shù)同樣可以用于預測機械排煙時的吸穿現(xiàn)象。但是，由于Hinckley提出的臨界Froude數(shù)針對具有穩(wěn)定蓄煙空間的建筑結構，隧道內(nèi)煙氣無法穩(wěn)定蓄積，且煙氣存在一定的水平流速，Li等[8]通過數(shù)值模擬驗證了該Froude數(shù)并不適用于隧道排煙的情況，并得到了隧道內(nèi)機械排煙吸穿的臨界Froude數(shù)為2.1。

前人對于隧道豎井排煙吸穿的研究多是針對安置在頂部的機械風機排煙吸穿[7-9]或豎井自然排煙吸穿[4]。對于豎井和縱向風聯(lián)合作用下的排煙來說，豎井內(nèi)氣流的大小取決于煙囪效應引發(fā)的隧道內(nèi)補風氣流與縱向通風的耦合作用。而目前關于隧道內(nèi)豎井機械排煙的研究多集中于機械排煙的臨界風速和煙氣流動控制。如Krol等[10]通過全尺寸實驗研究了機械排煙的臨界風速的影響；Zhong等[11]通過小尺寸實驗研究了縱向風對豎井排煙煙氣流動控制的影響。但是前人在豎井排煙和縱向風耦合作用條件下對隧道豎井自然排煙吸穿的研究還比較少。

為此，本文基于弗勞德相似模型理論，采用相似比為1∶10的小尺寸隧道內(nèi)豎井縱向風排煙實驗臺開展了豎井高度和縱向風速條件改變對隧道內(nèi)火焰形態(tài)、燃燒速率、豎井口風速和豎井吸穿的影響的研究。

1 實驗模型

相比大規(guī)模、高成本和較危險的全尺寸實驗，近年來小尺寸實驗以其低成本、低投入和與全尺寸實驗較好的吻合性，越來越被廣泛使用[3]。因此，在對大量國內(nèi)外典型隧道調(diào)研基礎上[3-5]，根據(jù)Froude準則，本文按照1∶10的相似比設計搭建小尺寸隧道實驗臺，隧道長8 m、寬1 m、高0.5 m。

根據(jù)Froude準則，為保證小尺寸實驗結果可以推廣到原型，需保持Froude數(shù)為定常值，小尺寸實驗和全尺寸實驗常涉及到重要的比例公式如下[4,12]：

(2)

Tm=Tf；

(3)

(4)

式中:Q代表熱釋放速率，kW；L代表隧道長度，m；T代表溫度，K；v代表風速，m/s；下標m代表隧道模型；下標f代表全尺寸隧道。

豎井長和寬均為0.3 m，位于隧道縱向中心線上，豎井高度分別設置為0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 m；對應全尺寸實驗的豎井高度分別為0、1、2、3、4、5 m。同時開展無豎井排煙的工況作為對照實驗?；鹪丛谪Q井中心線右側與豎井距離1 m。本文采用正庚烷為燃料，設置油盤尺寸為14 cm的方形油盤，設置了5種縱向風速，縱向風速從小到大依次為0、0.5、1.0、1.5、2.0 m/s，對應全尺寸實驗的縱向風速分別為0、1.6、3.2、4.7、6.3 m/s，具體實驗工況如表1所示。實驗過程中環(huán)境溫度為30 ℃。

表1 實驗的工況設置Table 1 Experimental tests

如圖1(a)所示，水平方向距左側出口1.5 m處設置熱電偶串T1至T8，水平方向相鄰熱電偶串的間距為0.5 m，共設置有T1至T32，熱電偶串的縱向間距均為0.03 m；豎井中心距離隧道左側出口1.75 m；風速儀布置在隧道右側入口中心線頂部下方0.25 m處和豎井出口處(見圖1(b))。

圖1(b)所示為豎井測量儀器布置情況，豎井底部隧道中心線方向上布置3個熱電偶對豎井4等分，即靠近豎井邊長和相鄰的熱電偶距離是0.075 m，垂直方向上每間隔0.05 m布置一組熱電偶；風速儀布置在豎井口中心，即距離最近的豎井邊長的距離是0.15 m；煙顆粒儀布置在豎井口，距豎井水平較近一側0.075 m,并且距另一側邊長0.15 m處的位置。

圖1 隧道和豎井測點布置圖Figure 1 Layout of measurement points in the tunnel and the shaft

2 結果與討論

2.1 豎井和縱向風對火焰形態(tài)的影響

圖2以縱向風速為1.0 m/s為例，展示了無豎井、豎井高度從0 m逐漸升高到0.5 m時的火焰形態(tài)變化。從圖2中可以看出，由于豎井高度的增加，煙囪效應增強，豎井排煙引起的誘導風速增大，導致火焰向隧道下游的傾斜程度相應變大。即隨著豎井高度的增加火焰的傾斜角度逐漸加大，當豎井高度達到0.5 m時，煙囪效應最強，則火焰最貼近地面。

圖3以豎井高度0.3 m為例，展示了隧道內(nèi)縱向風速從0 m/s逐漸增大到2.0 m/s時的火焰形態(tài)變化。從圖3中可以看出，當豎井高度一定時，由于縱向風速的增加同樣導致火焰向隧道下游傾斜。隨著縱向風速的增加火焰的傾斜角度逐漸增大，當縱向風速達到2.0 m/s時，火焰最貼近地面。

圖2 不同豎井高度下火焰形態(tài)變化Figure 2 Flame shape in tunnel under different shaft heights

圖3 不同縱向風速下火焰狀態(tài)變化Figure 3 Flame shape in tunnel under different longitudinal velocities

從圖2和圖3中火焰形態(tài)隨豎井高度和縱向風速的變化情況可以直觀地看出，在豎井排煙煙囪效應引發(fā)的隧道內(nèi)誘導補風和縱向通風的耦合作用下，火焰向下游傾斜，且豎井越高、縱向通風速度越大，火焰傾角越大。相比于無排煙的情況，在縱向風與豎井排煙作用下火焰傾斜將導致火焰遠離頂棚，熱羽流加速向下游流動，從而對隧道、豎井的溫度分布及煙氣輸運規(guī)律造成影響。

2.2 豎井和縱向風對燃料質量損失的影響

通過對不同工況的火焰形態(tài)研究發(fā)現(xiàn)，豎井排煙和縱向風耦合作用引起的隧道內(nèi)氣流變化對火焰的形態(tài)影響較大，從而進一步影響火源的燃燒強度。為了深入研究不同工況下火源燃燒強度的變化，本文對實驗過程的燃料質量損失進行了分析。

池火的發(fā)展大致經(jīng)過3個階段，即生長期、穩(wěn)定期和衰減期[13]，本文研究火源達到穩(wěn)定階段的質量損失變化，并給出了縱向風和豎井高度改變引起的質量損失變化。圖4(a)和圖4(b)分別展示了無豎井和豎井高度為0.5 m時，不同縱向風速時燃料質量損失變化。從圖4中可以看出，當豎井高度一定時，燃料的質量損失均隨縱向風速的增加而增加，說明在縱向風速范圍內(nèi)(0～2.0 m/s)，縱向通風對火源燃料強度起促進作用。

圖4 實驗過程中燃料質量變化Figure 4 Change of fuel mass over time

對比圖4(a)和圖4(b)，選取燃燒穩(wěn)定階段的200 s時為例，當縱向風速一定時，可以看出豎井高度為0.5 m時燃料質量明顯較小，說明此時質量損失速率(燃燒速率)更大，即豎井煙囪效應同樣對燃料的燃燒強度起促進作用。而縱向風和豎井高度對質量損失引起的變化最終將導致火源功率的變化，引起隧道內(nèi)煙氣輸運與摻混行為的改變，進而影響到豎井內(nèi)的溫度和豎井排煙速度。

2.3 豎井內(nèi)溫度和流速變化

隧道內(nèi)縱向風速以及豎井高度的改變將導致豎井排煙效果的變化，Ji等[4]指出，在一定的火源功率下，隨著豎井高度的增大，豎井內(nèi)將發(fā)生吸穿現(xiàn)象(見圖5(a))，即較強的煙囪效應導致排煙口下方煙氣層厚度降為0，煙氣層凹陷區(qū)進入豎井，此時豎井內(nèi)出現(xiàn)低溫區(qū)，隧道內(nèi)冷空氣被直接吸入豎井，豎井排煙效果變差[14]。

通過測量豎井內(nèi)部的溫度分布可以直接判斷豎井內(nèi)是否發(fā)生了吸穿現(xiàn)象。圖5(b)～5(f)以隧道內(nèi)縱向風速為1.0 m/s為例，給出了豎井高度從0.1～0.5 m時的豎井內(nèi)溫度分布。從圖中可以看出，在豎井高度從0.1 m逐漸增加到0.3 m時，隨著豎井高度的增加，豎井底部的高溫區(qū)域逐漸增大(見圖5(b)～5(d))；隨著豎井高度繼續(xù)增大(0.4～0.5 m)，豎井底部出現(xiàn)低溫凹陷區(qū)，且低溫區(qū)逐漸變大(見圖5(e)～5(f))，說明此時發(fā)生了煙氣層吸穿現(xiàn)象，隧道中豎井底部的空氣直接通過豎井排出，減弱了豎井的排煙效果。

圖5 不同高度時豎井內(nèi)的溫度分布(K)Figure 5 Temperature distribution in shaft for different shaft heights(K)

圖6以豎井高度0.3 m為例，展示了縱向風速從0 m/s逐漸增加到2.0 m/s的豎井內(nèi)部的溫度分布情況。從圖6中可以看出，縱向風速從0 m/s 逐漸增加到1.5 m/s，豎井內(nèi)部的高溫煙氣區(qū)域逐漸增加，低溫煙氣區(qū)域減少，說明此時更多的煙氣通過豎井排出；但是隨著縱向風速繼續(xù)增大至2.0 m/s(圖6(e))，過大的縱向風導致煙氣與空氣摻混程度增強，雖然此時沒有發(fā)生吸穿，但是豎井內(nèi)部的整體溫度有所下降；較大的縱向風亦不利于隧道中煙氣的排出，同樣降低了豎井的排煙效率[15]。

圖6 不同縱向風速時豎井內(nèi)溫度分布(K)Figure 6 Temperature distribution in shaft for different longitudinal velocities(K)

圖7 不同豎井高度和縱向風速豎井出口煙氣風速Figure 7 Smoke exhaust velocityat the shaft outlet for different shaft heights and longitudinal velocities

圖7(a)以縱向風速1.0 m/s為例，展示了豎井高度從0 m逐漸增加到0.5 m豎井口風速情況。從圖7(a)中可以看出，隨著豎井高度的增加，煙囪效應增強，導致豎井口風速增加。當豎井高度達到0.5 m時，豎井口風速達到最大。因此，豎井出口的煙氣流速隨著豎井高度的增加逐漸增大。此外，圖7(b)以豎井高度0.3 m為例，展示了縱向風從0 m/s逐漸增加到2.0 m/s時的豎井口風速情況。從圖7(b)中可以看出，當縱向風速從0 m/s逐漸增加到2.0 m/s時，隨著縱向風速的增加,豎井口風速逐漸加大，即縱向風速的增加同樣導致豎井口排煙速度的增加。

表2給出了不同情況下豎井內(nèi)是否發(fā)生吸穿現(xiàn)象的情況，從表2中可以看出，當豎井高度達到0.4 m時，豎井內(nèi)均會發(fā)生吸穿現(xiàn)象。

表2 不同豎井高度的吸穿現(xiàn)象發(fā)生情況Table 2 The estimation of plug-holing

2.4 豎井口煙顆粒體積濃度變化

通過對前文的分析可知，由于縱向通風和豎井的存在，隧道內(nèi)縱向風速和豎井高度的變化將直接影響隧道內(nèi)的火焰形態(tài)和燃燒強度，從而導致豎井口排煙速率的變化。因此，豎井的煙顆粒體積濃度大小是衡量豎井口排煙效率的重要指標。

圖8(a)以豎井高0.3 m為例，展示了縱向風速從0 m/s逐漸升高到2.0 m/s時的煙顆粒體積濃度變化。從圖8(a)中可以看出，縱向風速的增加，引起了煙顆粒體積濃度的變化。當縱向風速從0 m/s逐漸增加到1.5 m/s時，豎井口的煙顆粒體積濃度隨縱向風速的增加而增加；當縱向風速達到2 m/s時，豎井出口的煙顆粒體積濃度反而有所下降。由圖6(e)可知，此時過大的縱向風速帶來的更多的空氣摻混，豎井內(nèi)溫度下降，同時煙顆粒體積濃度也相應下降，說明較大的縱向風不利于煙氣的排出。

圖8 豎井口煙顆粒體積濃度變化Figure 8 Variation of smoke particle concentration at the shaft outlet

圖8(b)以縱向風速1.0 m/s為例，展示了豎井高度從0 m逐漸上升到0.5 m時的煙顆粒體積濃度變化。從圖8(b)可以看出，豎井高度的增加引起了煙顆粒體積濃度的變化。當豎井高度從0 m逐漸增加到0.3 m時，隨著豎井高度的增加，煙顆粒體積濃度逐漸增大；當豎井高大于0.3 m時(0.4～0.5 m)，由圖5可知，此時豎井下方煙氣層發(fā)生了吸穿，空氣直接通過豎井排出，從而導致豎井出口的煙顆粒體積濃度急劇降低，而過高的豎井不利于排煙。

2.5 吸穿和Froude數(shù)之間的關系

Li等[8]利用數(shù)值模擬研究了隧道機械排煙對煙氣層吸穿的影響，得出機械排煙條件下，發(fā)生煙氣層吸穿的臨界Froude數(shù)為2.1。但是Li等[8]得到的臨界Froude數(shù)是在機械排煙條件下測得的，排煙量為固定值，且排煙量大小與隧道內(nèi)的排煙情況無關。但是，對于豎井自然排煙來說，豎井煙囪效應強度(排煙)與火源燃燒情況及豎井的排煙狀況直接相關，因此機械排煙情況下的臨界Froude數(shù)不再適用，需要重新計算。由式(1)可知，隧道內(nèi)豎井下方的煙氣層厚度與火源和豎井的位置直接相關。圖9給出了不同縱向風速下Froude數(shù)和豎井高度之間的關系，其中實心對應于無吸穿的情況，空心對應于豎井排煙吸穿的情況。從圖中可以看出，F(xiàn)roude數(shù)隨著豎井升高逐漸增大，當Froude數(shù)超過臨界值時，豎井下方的煙氣層發(fā)生吸穿，其臨界Froude數(shù)是3.2。根據(jù)自然排煙工況的Froude數(shù)大小，可以將豎井排煙分為吸穿區(qū)和未吸穿區(qū)，如圖9所示。

因此，在縱向風作用下，對于隧道火災豎井自然排煙，煙氣層發(fā)生吸穿的臨界Froude數(shù)為3.2，大于Li等基于機械排煙得到的臨界Froude數(shù)2.1。根據(jù)本文的實驗結果可知，當Froude數(shù)為3.2～5.1時，豎井排煙處于吸穿區(qū)，F(xiàn)roude數(shù)為0.6～3.2時，處于未吸穿區(qū)，且Froude數(shù)隨著豎井的升高而逐漸增大。豎井高度和縱向風速并非越高越好，一旦豎井下方的煙氣層發(fā)生吸穿，空氣直接通過豎井排出，將極大地削弱豎井的排煙效果。

圖9 不同豎井高度及縱向風速條件下的Froude數(shù)Figure 9 Change of Froude number with shaft heightand longitudinal velocities

3 結論

通過小尺寸實驗研究了縱向通風對隧道內(nèi)火災特性及豎井自然排煙效果的影響，綜合考慮了豎井排煙誘發(fā)的補風氣流與縱向通風的耦合作用，提出了用于判斷豎井自然排煙煙氣層吸穿現(xiàn)象的臨界Froude數(shù)，主要結論如下：

(1)在縱向通風和煙囪效應誘發(fā)氣流的耦合作用下，隧道內(nèi)火焰向下游傾斜，造成燃料質量損失速率發(fā)生變化，且縱向風速越大、豎井越高，火焰傾角越大，質量損失速率也越大。當縱向風速一定時，隨著豎井的增高，煙囪效應增強，導致豎井下方煙氣層發(fā)生吸穿，大量空氣通過豎井排出。豎井口排煙速率隨豎井高度的增加而增加，結合豎井內(nèi)溫度分布和煙顆粒體積濃度變化，吸穿發(fā)生后豎井高度和縱向風速的增大反而導致排出氣體中的煙氣體積濃度下降，即豎井并非越高越好。

(2)通過對豎井排煙過程中吸穿現(xiàn)象發(fā)生的原理分析，對縱向通風條件下豎井自然排煙的臨界Froude數(shù)進行修正，得到了豎井吸穿的臨界Froude數(shù)為3.2。當Froude數(shù)為3.2～5.1時，豎井排煙處于吸穿區(qū)，F(xiàn)roude數(shù)為0.6～3.2時，處于未吸穿區(qū)，且Froude數(shù)隨著豎井的升高而逐漸增大。