梁園 許蔚昆

(1.中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 北京 102600； 2.中南大學(xué)土木工程學(xué)院 長(zhǎng)沙 410075)

0 引言

隨著隧道交通需求量的提升與隧道施工技術(shù)的不斷發(fā)展，國(guó)內(nèi)出現(xiàn)了許多大跨徑隧道，隧道內(nèi)車道也由雙車道變?yōu)槿嚨馈⑺能嚨?、五車道甚至六車道[1-3]。隧道橫向跨徑的增大使施工難度提升的同時(shí)，給隧道內(nèi)排煙系統(tǒng)也帶來了新的考驗(yàn)。若火災(zāi)時(shí)隧道內(nèi)排煙系統(tǒng)無法有效控制煙氣和熱量的擴(kuò)散，隧道內(nèi)的煙氣將對(duì)人們生命財(cái)產(chǎn)安全造成巨大威脅。因此在大跨徑隧道內(nèi)設(shè)置有效的排煙系統(tǒng)是非常必要的。

對(duì)于港珠澳海底隧道等無法采用頂部集中排煙的水下隧道，側(cè)向集中排煙成為了其解決排煙問題的有效方法。該方法的排煙效果及其影響因素也引起了學(xué)者的廣泛關(guān)注。張梅紅等[4]針對(duì)某扁平商業(yè)空間，采用數(shù)值模擬方法研究了排煙口朝向?qū)ε艧熜Ч挠绊?，結(jié)果表明相同排煙道條件下，排煙口側(cè)向排煙效果優(yōu)于排煙口朝下時(shí)排煙效果。陳娟娟等[5]針對(duì)某越江雙層隧道采用數(shù)值模擬方法研究了排煙口面積、排煙口開啟數(shù)量及排煙口間距對(duì)火災(zāi)初期側(cè)向集中排煙效果的影響。許少剛[6]采用全尺寸實(shí)驗(yàn)平臺(tái)研究了排煙速率、排煙口尺寸和排煙口寬高比對(duì)地下建筑火災(zāi)中側(cè)向機(jī)械排煙效果的影響，結(jié)果表明側(cè)向機(jī)械排煙速率越大，排煙口與頂棚距離越小，排煙口寬高比越小，整體排煙效果就越好。HU L H等[7]對(duì)某公路隧道進(jìn)行了全尺寸試驗(yàn)以及數(shù)值模擬，研究表明隧道內(nèi)頂棚下方煙氣的縱向溫度衰減隨隧道寬度的增大而增大。

前人研究中很少考慮大跨徑隧道中隧道寬度與排煙口寬高比對(duì)隧道排煙效果的影響。由于煙氣的沉降作用，隧道橫向跨徑的增大將導(dǎo)致隧道頂棚下方煙氣溫度下降從而使得煙氣更難通過排煙口排出。同時(shí)由于排煙口寬高比發(fā)生變化將導(dǎo)致煙氣在排煙口處的流動(dòng)特性發(fā)生明顯改變，若排煙口寬高比設(shè)置不合理，也將影響煙氣進(jìn)入排煙口的有效性，從而降低排煙效率。因此對(duì)大跨徑隧道中隧道寬度、排煙口寬高比與排煙效率間影響進(jìn)行研究是非常必要的。

本文采用火災(zāi)動(dòng)力學(xué)求解器(Fire Dynamics Simulator，F(xiàn)DS)軟件，通過大渦模擬的方法研究了大跨徑隧道在進(jìn)行側(cè)向集中排煙時(shí)排煙口溫度分布；并通過改變隧道寬度與排煙口寬高比，定量比較了隧道寬度與排煙口寬高比對(duì)大跨徑隧道側(cè)向排煙效果的影響。

1 數(shù)值模擬

1.1 模型設(shè)置

FDS是美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)研究所開發(fā)的，用于模擬火災(zāi)中流體運(yùn)動(dòng)的計(jì)算流體力學(xué)開源軟件。因其能夠較好地模擬低馬赫數(shù)(小于0.3馬赫)、熱驅(qū)動(dòng)流體的熱量運(yùn)輸，因此常被用于研究隧道火災(zāi)。本文利用FDS軟件進(jìn)行全尺寸數(shù)值模擬試驗(yàn)，建立了長(zhǎng)度為200 m，寬度分別為10 m、15 m、20 m及25 m，高度為7 m的隧道模型。側(cè)向排煙口距隧道左端80 m。隧道模型如圖1所示。

圖1 隧道模型

火源位于中間車道，距隧道左端50 m。設(shè)置火源熱釋放速率為12MW，燃燒類型為穩(wěn)態(tài)火。同時(shí)環(huán)境參數(shù)的溫度為20 ℃，壓力為101 kPa。隧道兩端設(shè)置“OPEN”邊界，環(huán)境溫度為20 ℃。由于隧道的半封閉性特點(diǎn)，設(shè)置隧道壁面為絕熱面。本次數(shù)值模擬持續(xù)時(shí)間為200 s，并在穩(wěn)定階段取每個(gè)測(cè)量變量的平均值進(jìn)行分析。

1.2 排煙效率計(jì)算

本文采用排煙口排出氣體中煙氣的比例來量化排煙口的排煙效果，由于排煙口排出氣體中煙氣的比例難以直接測(cè)定，因此通過測(cè)定單位質(zhì)量排出氣體所含熱量與單位質(zhì)量純煙氣所含熱量之比來測(cè)定排煙口排出氣體中煙氣的比例。由于熱煙氣的溫升遠(yuǎn)高于環(huán)境空氣的溫升，因此排煙口排出氣體所帶走的熱量幾乎全部是熱煙的熱量，可以表示為:

(1)

因此排出氣體中煙氣的比例可以表示為:

(2)

如圖2所示，使用熱流量測(cè)點(diǎn)和質(zhì)量流量測(cè)點(diǎn)來監(jiān)測(cè)單位質(zhì)量純煙氣所攜帶熱量(qs)和單位質(zhì)量排煙質(zhì)量流量攜帶熱量(qes)。通過設(shè)置在煙氣層內(nèi)部的0.5m2(0.25 m×2 m)的熱流量測(cè)點(diǎn)和質(zhì)量流量測(cè)點(diǎn)來測(cè)量單位質(zhì)量純煙氣所攜帶熱量(qs)。當(dāng)在隧道內(nèi)設(shè)置排煙口時(shí)，通過設(shè)置在排煙口入口處的熱流量測(cè)點(diǎn)和質(zhì)量流量測(cè)點(diǎn)來測(cè)量單位質(zhì)量排煙質(zhì)量流量攜帶熱量(qes)。

圖2 隧道煙氣蔓延示意

1.3 計(jì)算工況

火源位于隧道中部，熱放速率為12 MW。排煙口寬高比分別為1/6、1.5/4、2/3、3/2、4/1.5和6/1。隧道寬度為10、15、20、25 m。共24組工況，具體見表1。

表1 工況設(shè)計(jì)

1.4 網(wǎng)格劃分

在FDS中，網(wǎng)格尺寸的選擇是影響模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性與客觀性的關(guān)鍵參數(shù)之一。對(duì)于網(wǎng)格的大小的確定，主要使用被廣泛應(yīng)用的D*/δx為標(biāo)準(zhǔn)，用以估計(jì)網(wǎng)格的精度。其中D*為特征長(zhǎng)度，δx為網(wǎng)格尺寸，NIST進(jìn)行的一系列比較試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)網(wǎng)格大小在D*/16和D*/4之間時(shí)，模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好。計(jì)算D*的具體公式如下：

(3)

式中,Q為模擬火源熱釋放速率，kW;ρ∞為環(huán)境空氣密度，kg/m3；cp為環(huán)境空氣比熱容，kJ/(kg·K)；T∞為環(huán)境溫度，K；g為重力加速度，m/s2，取值9.8 m/s2。

當(dāng)火源熱釋放速率為12 MW時(shí)，此時(shí)計(jì)算出的建議網(wǎng)格尺寸范圍為0.16～0.64 m。為驗(yàn)證網(wǎng)格精度，從0.16～0.64 m的范圍內(nèi)選擇了5個(gè)網(wǎng)格尺寸(0.167 m，0.200 m，0.250 m，0.333 m和0.500 m)進(jìn)行網(wǎng)格獨(dú)立性分析。

圖3顯示了采用不同網(wǎng)格尺寸時(shí)距火源15 m位置的垂直溫度曲線。隨著網(wǎng)格尺寸的減小，垂直溫度曲線趨于均勻。當(dāng)網(wǎng)格尺寸位于0.167～0.250 m時(shí)，溫度分布曲線之間只有很小的差異。若選擇0.167 m作為網(wǎng)格尺寸，將占用大量計(jì)算資源，消耗較多計(jì)算時(shí)間。因此，選擇尺寸為0.250 m的網(wǎng)格來模擬本次試驗(yàn)中的隧道火災(zāi)，在節(jié)省計(jì)算時(shí)間的同時(shí)獲得良好的模擬效果。

圖3 不同網(wǎng)格尺寸模擬結(jié)果

2 結(jié)果分析

2.1 排煙口寬高比對(duì)排煙效率影響

由于煙氣在蔓延過程中主要受到浮力和縱向慣性力作用的影響，面積相同的排煙口，當(dāng)排煙口寬高比不同時(shí)，排煙效果也會(huì)存在很大差異。文中以排煙口寬高比分別為1/6，1.5/4，2/3，3/2，4/1.5及6/1工況為例，介紹排煙口寬高比對(duì)排煙口排煙效率的影響。

以20 m的隧道寬度為例，如圖4所示，研究不同排煙口寬高比條件下排煙口所在界面上的溫度分布云圖，可以看出在排煙口面積不變的情況下，隨著排煙口寬高比的增大，排煙口內(nèi)高溫?zé)煔鈪^(qū)域(溫度大于60 ℃)的面積不斷增大，從而在排出氣體流量不變的情況下，排出更多的高溫有毒煙氣，提高了側(cè)向排煙系統(tǒng)的排煙效率。同時(shí)在同一排煙口內(nèi)左側(cè)高溫?zé)煔鈪^(qū)域面積小于排煙口右側(cè)高溫?zé)煔鈪^(qū)域，且面積差異隨排煙口寬高比的增大逐漸減小，當(dāng)排煙口寬高比為6/1時(shí)，排煙口內(nèi)溫度分布基本呈水平對(duì)稱分布。

(a)排煙口寬高比為1/6

圖5為在不同隧道寬度條件下，隧道排煙口排出氣體中煙氣比例與排煙口寬高比的關(guān)系圖。由圖可以看出，隨著排煙口寬高比的增大，排煙口排出氣體中煙氣比例不斷增大，從而排煙效率逐漸提升。排出氣體中煙氣比例最小值為0.160 78，此時(shí)排煙口寬高比為1/6，隧道寬度為15 m。當(dāng)隧道寬度為25 m，排煙口寬高比為6/1時(shí)，排煙口排出氣體中煙氣比例達(dá)到最大值0.491 02。這是因?yàn)樵诟×ψ饔孟拢邷責(zé)煔饩奂谒淼理斉镂恢锰?，因此在排煙口頂部與隧道頂棚距離和排煙口面積不變的情況下，排煙口高度越小，排煙口可以越有效的浸沒在煙氣層內(nèi)，從而提高排煙效率。同時(shí)，在排煙口頂部與隧道頂棚距離和排煙口面積不變的情況下，排煙口寬度越大，煙氣在排煙口內(nèi)有更長(zhǎng)的蔓延距離，從而在縱向慣性力的作用下，更有效地進(jìn)入排煙口內(nèi)。

圖5 排煙口排出煙氣比例與排煙口尺寸關(guān)系

2.2 隧道寬度條件對(duì)排煙效率影響

由于煙氣的沉降作用，大跨徑隧道橫向跨徑的增大將導(dǎo)致隧道頂棚下方煙氣溫度下降從而使得煙氣更難通過排煙口排出，導(dǎo)致排煙效率的降低。文中以隧道寬度分別為10 m、15 m、20 m、25 m工況為例，介紹隧道寬度對(duì)排煙口排煙效率的影響。

以排煙口寬高比為4/1.5為例，如圖6所示，研究隨著隧道寬度變化排煙口所在界面上的溫度分布云?？梢钥闯?，隨著隧道寬度的增大，排煙口處煙氣溫度與煙氣層厚度不斷降低。同時(shí)在同一排煙口寬高比條件下，隨著隧道寬度的增大，排煙口橫截面處的溫度分布云圖的對(duì)稱性沒有明顯變化。由此可見隧道寬度對(duì)側(cè)向排煙口排出氣體中煙氣分布影響有限。

(a)隧道寬度為10 m

圖7為不同排煙口寬高比條件下，隧道排煙口排出氣體中煙氣比例與隧道寬度的關(guān)系圖，可以看出隨著隧道寬度的增大，排煙口排出氣體中煙氣比例變化不大，特別是當(dāng)排煙口寬高比較小(小于2/3)時(shí)，排煙口排出氣體中煙氣比例基本不隨隧道寬度的變化而變化。這也驗(yàn)證了隧道寬度對(duì)側(cè)向排煙口排出氣體中煙氣比例影響有限的論點(diǎn)。當(dāng)排煙口寬高比不小于2/3時(shí)，排煙口排出氣體中煙氣比例隨隧道寬度的增加先增大后減小，當(dāng)排煙口寬高比為6/1，隧道寬度為20 m時(shí)，排煙口排出煙氣所占比例達(dá)到最大值為0.491 02。當(dāng)排煙口寬高比為1/6，隧道寬度為15 m時(shí)，排煙口排出煙氣所占比例達(dá)到最小值0.160 78。隨著隧道寬度的變化，排煙效果優(yōu)劣的順序依次為：20 m、10 m、25 m、15 m。

圖7 排煙口排出煙氣比例與隧道寬度關(guān)系圖

3 結(jié)論

本文運(yùn)用火災(zāi)動(dòng)力學(xué)求解器FDS軟件建立模型，研究隧道側(cè)向集中排煙時(shí)排煙口溫度參數(shù)的分布以及排煙口排煙效率，討論隧道寬度以及排煙口寬高比對(duì)大跨徑隧道火災(zāi)側(cè)向排煙系統(tǒng)排煙效率的影響，結(jié)果表明：

(1)隨著排煙口寬高比的增大，排煙口內(nèi)煙氣溫度水平分布對(duì)稱性逐漸顯著。當(dāng)排煙口寬高比較小(小于2/3)時(shí)，排煙口內(nèi)部煙氣水平分布對(duì)稱性較差，當(dāng)排煙口寬高比為6/1時(shí)，排煙口內(nèi)溫度基本呈水平對(duì)稱分布。

(2)隨著排煙口寬高比的增大，排煙口內(nèi)高溫?zé)煔鈪^(qū)域的面積與排煙口排出氣體中煙氣的比例不斷增大，排煙效率逐漸增加。

(3)隨著隧道寬度的增大，排煙口處煙氣溫度與煙氣層厚度不斷降低。

(4)當(dāng)排煙口寬高比小于2/3時(shí)，排煙口排出氣體中煙氣比例基本不隨隧道寬度的變化而變化。當(dāng)排煙口寬高比不小于2/3時(shí)，排煙口排出氣體中煙氣比例隨隧道寬度的增加先增大后減小，排煙效果優(yōu)劣的順序依次為：20 m、10 m、25 m、15 m。

(5)為提升排煙系統(tǒng)排煙效率，實(shí)際工程應(yīng)用中排煙口寬高比應(yīng)盡量大于2/3。