朱雄 秦毅，3 方豐

（1.重慶科技學(xué)院安全工程學(xué)院，重慶 401331；2.重慶科技學(xué)院重慶市安全生產(chǎn)科學(xué)研究院，重慶 401331；3.北京理工大學(xué)前沿交叉科學(xué)研究院，北京 100081）

0 引言

目前，我國現(xiàn)有公路隧道19 067處、總長度約1 896.66萬m，其中距離超過3 000 m的特長隧道1 175處，1 000 m到3 000 m的長距離隧道4 784處［1］。然而，公路隧道帶給人們交通便利的同時，火災(zāi)事故也頻發(fā)。

因此，對隧道火災(zāi)煙氣蔓延規(guī)律及防控措施的研究，一直是不少研究者關(guān)注的重點。近年來，組合式排煙已逐步成為隧道火災(zāi)防控的主體，其在長距離隧道建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用［2］。為此，國內(nèi)外學(xué)者對此開展了大量研究并取得了豐碩的成果。

INGASON H等［3］研究了單點和雙點集中排煙在縱向風(fēng)作用下不同火災(zāi)功率的煙氣逆流長度，并建立了預(yù)測模型。在此基礎(chǔ)上，CHEN L F等［4］通過縮尺寸模型，研究了頂棚排煙口與火源之間的距離對煙氣回流長度的影響，改進了預(yù)測模型，提出了煙氣逆流長度的修正公式，并結(jié)合實驗數(shù)據(jù)驗證了公式的準(zhǔn)確性，但這只局限于排煙口位于火源下游的情況。對于排煙口位于上游時，李連健［5］提出了新的表征模型，并揭示了Fr數(shù)和Ri數(shù)與煙氣分層穩(wěn)定的定量關(guān)系。而綜合排煙口位于上下游的情況，王駿橫［6］分析了煙氣的質(zhì)量流率與縱向風(fēng)速的關(guān)系，并建立了相應(yīng)的預(yù)測模型。

與此同時，TANG F等［7］分析了縱向通風(fēng)對隧道內(nèi)煙氣逆流臨界風(fēng)速的影響，提出了頂部集中排煙與縱向通風(fēng)耦合效應(yīng)的臨界風(fēng)速預(yù)測模型。徐浩倬等［8］利用FDS研究了縱向風(fēng)速對集中排煙效果的影響，并利用方差分析得出了縱向通風(fēng)對隧道集中排煙效果影響的顯著程度。邱喬志等［9］在縱向風(fēng)作用下，利用FDS分析了不同排煙方式的排煙效果，得出適當(dāng)施加縱向風(fēng)可以提高排煙效率，且結(jié)合頂部集中排煙的排煙效果最好。

綜上所述，針對隧道內(nèi)縱向通風(fēng)與集中排煙協(xié)同作用下的相關(guān)研究，目前主要集中在單向縱向通風(fēng)與頂部單點和雙點排煙的組合研究，而針對雙向縱向通風(fēng)與頂部多排煙口協(xié)同作用下的相關(guān)研究缺乏。所以，本文主要在長距離隧道內(nèi)雙向縱向通風(fēng)與頂部多排煙口協(xié)同作用下，研究了隧道火災(zāi)早期煙氣的控制效果，可為長距離公路隧道火災(zāi)煙氣防控、人員疏散及應(yīng)急救援提供一定的參考。

1 數(shù)值模型建立

1.1 隧道幾何模型

本文利用FDS建立了如圖1所示的隧道幾何模型。對長距離公路隧道來說，一般以300 m間距劃分一個防煙分區(qū)［10］。因此，模型隧道取300 m，尺寸為300 m×14 m×6 m。其中，排煙道采用隔板分隔而成，其底端至模型頂端距離為1m，排煙口沿頂隔板中心布置，尺寸為3m×2m，火源設(shè)置于模型隧道中心。

圖1 隧道模型

1.2 模擬參數(shù)及工況設(shè)置

1.2.1 參數(shù)設(shè)置

隧道內(nèi)空氣及墻壁溫度為環(huán)境溫度，均設(shè)置為20℃，隧道墻體設(shè)置為“CONCRETE”屬性，為絕熱邊界條件，大氣壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓1.0l×105Pa，重力加速度為9.8 m/s2，隧道進出口兩端縱向風(fēng)速設(shè)置為1 m/s。由于公路隧道以通行小汽車、公共汽車等客運車輛為主，且火災(zāi)類型多以中型火災(zāi)為主，所以本文設(shè)置的火源功率為20 MW［11］。在離地面1.6 m的高度處設(shè)置溫度、CO濃度監(jiān)測點，間隔25 m，隧道中心線處設(shè)置溫度、CO濃度、能見度切片用于觀察煙氣成分縱向分布狀況。

1.2.2 計算域網(wǎng)格設(shè)置

在FDS數(shù)值模擬中，模擬結(jié)果是否準(zhǔn)確取決于網(wǎng)格大小，網(wǎng)格劃分越小結(jié)果越精確。但網(wǎng)格設(shè)置太小，模擬時間會大大加長，而且對計算機的性能要求也較高。考慮到模擬精確度與計算時間之間的平衡，根據(jù)FDS用戶手冊里的火源特征直徑計算方法［12］，本文采取分段網(wǎng)格法，將火源附近的網(wǎng)格劃分為0.25 m×0.25 m×0.3 m，其余部位網(wǎng)格劃分為0.5 m×0.5 m×0.6 m。

1.2.3 工況設(shè)置

根據(jù)隧道火災(zāi)規(guī)模大小，以Heskestad［13］羽流模型計算出產(chǎn)煙速率為v=101 m3/s。而《建筑設(shè)計防火規(guī)范》（GB 50016—2014）規(guī)定了排煙風(fēng)機全壓應(yīng)滿足排煙系統(tǒng)最不利環(huán)路要求，且其排煙量應(yīng)考慮10%～20%的漏風(fēng)量［14］。因此，在本研究中將排煙量分別設(shè)置為120、150、180 m3/s，同時考慮不同排煙口布置間距，共設(shè)置了9組模擬工況，具體如表1所示。

表1 火災(zāi)模擬工況設(shè)置

2 結(jié)果分析

2.1 火災(zāi)煙氣蔓延分析

不同排煙量條件下，在100 s時排煙口間距分別為20、30、40 m的煙氣分布情況如圖2所示。

從圖2（a）可以看出，在排煙量120 m3/s的條件下，排煙口間距20 m時煙氣蔓延至80 m，排煙口間距30 m時煙氣蔓延至100 m，排煙口間距40 m時煙氣蔓延至105 m。排煙口間距20 m時，煙氣蔓延距離較短，這是由于一定距離內(nèi)多個排煙口同時作用，及時將煙氣排出隧道，進而阻止了煙氣進一步蔓延。

從圖2（b）和圖2（c）可以看出，在排煙量150m3/s和180 m3/s的條件下，排煙口間距20 m時煙氣蔓延至75 m，排煙口間距30 m時煙氣蔓延至95 m，排煙口間距40 m時煙氣蔓延至100 m，煙氣蔓延距離較排煙量120m3/s來說減少了5m。排煙量不同但煙氣蔓延距離相同，說明排煙量150 m3/s為臨界排煙量。

排煙量180 m3/s時，排煙口兩端的煙氣會出現(xiàn)明顯的下沉回流現(xiàn)象，比其他工況更為明顯。這是由于排煙量增大，在排煙口下方產(chǎn)生的負(fù)壓效果也加強，再加上縱向風(fēng)的作用下就會導(dǎo)致煙氣出現(xiàn)一定的回流，此時對于人員的疏散與救援會造成嚴(yán)重影響。所以，對于排煙口和排煙量的選擇要尋求一個合理的參數(shù)值，既要有效控制煙氣蔓延，又要經(jīng)濟合理。

2.2 溫度分析

不同排煙量條件下，在100 s時排煙口間距分別為20、30、40 m的溫度分布如圖3所示。分別距離火源25 m和50 m，高1.6 m（人員特征高度）處的溫度變化如圖4所示。

圖4 溫度隨時間變化分布

從圖3（a）可以看出，排煙口間距20 m，隧道內(nèi)溫度蔓延至75 m；排煙口間距30 m，隧道內(nèi)溫度蔓延至90 m；排煙口間距40 m，隧道內(nèi)溫度蔓延至100 m。溫度在排煙口的作用下，在頂棚下方呈波浪狀分布，這是由于排煙口對熱煙氣流動的干預(yù)，從而導(dǎo)致排煙口下方的溫度較低，周圍溫度值較高，呈現(xiàn)起伏狀蔓延。

從圖3（b）可以看出，排煙口間距20 m，將溫度擴散范圍控制在70 m以內(nèi)。且溫層明顯比排煙量120 m3/s要薄，這是由于排煙口及時將熱煙氣排出從而降低了火源產(chǎn)生的溫度，說明排煙量150 m3/s時對隧道內(nèi)溫度控制更有效。

從圖3（c）可以看出，排煙口間距20 m時，隧道內(nèi)溫度蔓延至60 m；排煙口間距30 m時，隧道內(nèi)溫度蔓延至90 m；排煙口間距40 m時，隧道內(nèi)溫度蔓延至80 m。說明排煙量越大越能有效控制隧道內(nèi)的溫度擴散，及時將隧道火災(zāi)產(chǎn)生的部分高溫?zé)煔馀懦觥?/p>

圖3 溫度縱向分布

由圖4可知，排煙量120 m3/s時，距離火源50 m處的溫度變化較快，但相比于環(huán)境溫度升高10℃。距離火源25 m處時，隧道內(nèi)最高溫度達到了38℃，相比于環(huán)境溫度升高18℃，溫度值都介于人員耐受極限之內(nèi)。排煙量150 m3/s時，火源附近的人眼高度基本維持在環(huán)境溫度，說明對煙氣溫度控制效果較好。排煙量為180 m3/s時，溫度呈下降趨勢，這是由于排煙口在較大的排煙量作用下，會吸收大量煙氣并吸引冷空氣匯入，從而降低了火源周圍的溫度。因此，在縱向風(fēng)與頂部排煙口協(xié)同作用下火源附近的溫度場對人員不會構(gòu)成太大的威脅。

2.3 CO濃度分析

不同排煙量條件下，在100 s時排煙口間距分別為20、30、40 m的CO濃度縱向分布如圖5所示。排煙口間距20 m，位于火源兩側(cè)25 m和50 m，1.6 m人眼高度處的CO濃度變化狀況如圖6所示。

圖5 CO濃度縱向分布

圖6 CO濃度隨時間變化分布

通過圖5可知，在3種排煙量下，排煙口間距20 m時，CO蔓延至70 m；排煙口間距30 m時，CO蔓延至90 m；排煙口間距40 m時，CO蔓延至100 m。CO濃度蔓延分布規(guī)律和溫度分布規(guī)律基本相同，火源上方及附近CO濃度值較大，體積分?jǐn)?shù)基本達到900×10-6左右，最高達到了1 500×10-6。隨著煙氣的縱向蔓延濃度值逐漸降低，遠(yuǎn)離火源上方頂棚的CO濃度值基本維持在150×10-6左右。這是由于受縱向風(fēng)和排煙口的影響，煙氣被及時排出和空氣的稀釋作用，從而導(dǎo)致濃度值下降。

通過圖6可知，CO濃度變化跟排煙量的大小基本無關(guān)，3種排煙量下的濃度變化曲線基本上相同。圖6（a）中距離火源25 m處的CO濃度在19 s時開始快速上升至140×10-6，然后圍繞120×10-6上下波動，圖6（b）中距離火源50 m處的CO濃度在40 s時快速上升至110×10-6，然后圍繞90×10-6上下波動。因此，在縱向風(fēng)與頂部排煙口協(xié)同作用下，短時間內(nèi)CO濃度暫時不會對人員構(gòu)成威脅，不會影響人員的疏散與救援。

2.4 能見度分析

不同排煙量條件下，在100 s時排煙口間距分別為20、30、40 m的能見度縱向分布如圖7所示。

通過圖7可知，隧道內(nèi)能見度分布和煙氣蔓延情況基本一致，通過能見度也可很好地表征煙氣濃度分布情況。在排煙口的作用下，隧道內(nèi)的煙氣蔓延可以很明顯地看出呈波浪狀，在隧道頂棚聚集的煙氣濃度大，能見度為0 m，靠近地面煙氣濃度低，能見度為30 m（圖中白色區(qū)域）。這是由于煙氣密度比空氣小，并受到隧道頂棚的限制，煙氣會聚集在頂棚周圍出現(xiàn)頂棚射流現(xiàn)象，從而導(dǎo)致頂棚處煙氣濃度高能見度低。

通過圖7（b）和圖7（c）可知，排煙量150 m3/s和180 m3/s以及排煙口間距為20 m時，通過能見度分布圖可以明顯看出比排煙量120 m3/s的煙氣蔓延距離短一些。但排煙量180 m3/s時，隧道內(nèi)能見度云圖厚度明顯較大，也就是煙氣層厚度較厚，且在兩端出現(xiàn)明顯回流現(xiàn)象。這是由于在排煙口吸進煙氣同時也吸引了周圍大量空氣融入煙氣層，從而導(dǎo)致燃燒不充分，產(chǎn)生大量煙氣增加了煙氣層厚度，并且在較高的縱向風(fēng)和機械風(fēng)聯(lián)合作用下，會對煙氣流動產(chǎn)生阻礙，就會出現(xiàn)回流現(xiàn)象。因此，排煙量150 m3/s時對煙氣控制更有效。

圖7 能見度縱向分布

3 結(jié)論

1）縱向通風(fēng)和頂部集中排煙協(xié)同作用下，可以有效降低火源的不充分燃燒，減少煙氣的產(chǎn)生量，還可以有效降低隧道內(nèi)的溫度、CO濃度和煙氣層厚度，為保障人生財產(chǎn)安全提供了強有力的支撐。

2）排煙量一定，排煙口間距越小，越能有效控制煙氣蔓延，排煙量150 m3/s為煙氣控制的臨界值。當(dāng)排煙量增加到180 m3/s時，對排煙效果會存在很大的影響，會增加排煙口附近煙氣層厚度，引起煙氣出現(xiàn)回流，對人員的疏散與救援構(gòu)成嚴(yán)重的威脅。

3）通過設(shè)置合理的排煙口間距和排煙量，可以有效降低隧道火災(zāi)煙氣對人員構(gòu)成威脅。排煙口間距20 m、排煙量150 m3/s的條件下，控?zé)熜Ч^好，更有利于人員的疏散與救援。