側(cè)部點式排煙模式下煙氣分層特性研究

姜學鵬，呂彥昕，李 超，萬 娟

(1. 武漢科技大學資源與環(huán)境工程學院，武漢，430081；2. 武漢科技大學消防安全技術(shù)研究所，武漢，430081；3. 武漢科技大學湖北省工業(yè)安全工程技術(shù)研究中心，武漢，430081)

0 引言

點式排煙是指隧道內(nèi)設置獨立的排煙道，火災時只開啟火源下游最臨近排煙口向排煙道內(nèi)排煙。按不同排煙口位置可分為頂部點式排煙與側(cè)部點式排煙。由于沉管法隧道及明挖法隧道施工工法的制約，設置側(cè)部排煙道更具可行性，例如港珠澳隧道、武漢東湖隧道、揚州瘦西湖隧道等。當隧道發(fā)生火災，煙氣經(jīng)歷自由上升、徑向蔓延階段之后，燃燒生成的熱量和煙氣形成熱分層流運輸至隧道頂部，由于隧道側(cè)壁限制，最終在隧道頂板下方進入縱向水平蔓延階段，熱分層流是有毒有害煙氣在水平蔓延過程中實現(xiàn)跨區(qū)域傳播的主要載體，良好的煙氣分層能夠為火災時迅速開展滅火救援提供有利條件[1]。因此，煙氣分層的深入探究對于各類交通隧道的防排煙設計具有重要意義。

學者們在隧道煙氣分層研究方面已經(jīng)做了諸多工作。Xu等[2]實驗得到在改變風流強度的瞬間至再次達到穩(wěn)定時間段內(nèi)，層化曲線和層化強度會發(fā)生偏移現(xiàn)象；姜學鵬等[3]通過頂部點式排煙速率對煙氣熱分層影響實驗，得到層化曲線隨排煙速率變化沿隧道縱向呈復雜的變化趨勢，“渦旋” 結(jié)構(gòu)對煙氣分層穩(wěn)定性存在重要影響，同時煙氣熱分層現(xiàn)象具有分段的特點；Kalech等[4]采用Ri數(shù)對不同排煙模式(豎井自然排煙、縱向機械排煙、橫向機械排煙)下公路隧道火災中的溫度層化程度進行量化；Li等[5]通過研究得到在頂部點式排煙與縱向通風的耦合作用下，熱分層穩(wěn)定性隨頂部排煙速度的增加而降低；Tang等[6]研究了頂部點式排煙下的煙氣分層，發(fā)現(xiàn)當Ri>2.0 或Fr<0.66 時，煙氣分層明顯；當Ri<1.4 或Fr>0.8 時，煙氣層完全失去穩(wěn)定。前人通過對煙氣分層進行研究，獲得了縱向排煙模式和頂部點式排煙模式下的煙氣分層規(guī)律以及煙氣層失穩(wěn)的判據(jù)，但未見針對側(cè)部排煙模式的研究。應注意到，側(cè)部排煙時煙氣分層形態(tài)受豎向熱浮力、縱向送風推力及側(cè)向抽吸力多向驅(qū)動力作用，其特征模式會加劇煙氣蔓延過程中的摻混及擾動效應，故分層流界面會出現(xiàn)異于頂部、縱向排煙時的不穩(wěn)定機制，導致煙氣流動特性更加難以預測。因此，前人研究成果是否適用于側(cè)部排煙模式值得商榷。

針對側(cè)部點式排煙模式下不同火災熱釋放速率、排煙流量等變化條件，擬采用數(shù)值模擬方法對煙氣層厚度、煙氣層溫度及水平流動速度隨煙氣水平蔓延的變化情況進行研究，探析煙氣分層情況及分層遭到破壞的原因，研究在多方向強制氣流耦合作用下火災煙氣分層形態(tài)及穩(wěn)定性的物理機制。

1 數(shù)值模型構(gòu)建

1.1 火災場景設置

以武漢黃鶴樓隧道為原型建立模擬模型，模擬主隧道長800 m，寬11 m，高4.5 m，地面厚度選取0.5 m，隧道高度范圍為0.5 m～5 m，如圖1所示?？紤]火災發(fā)生時最不利情況，將火源設于隧道縱向中心，兩個排煙口正中間，火源尺寸為長6 m×寬2 m。排煙口設置在主隧道側(cè)壁，距離地面高度為1.7 m，間距60 m，尺寸為長6 m×高2 m。模擬時選取穩(wěn)態(tài)火，模擬時間為600 s，當燃燒進行至500 s時，隧道內(nèi)的溫度參數(shù)等均達到穩(wěn)定狀態(tài)，選取500 s～600 s的模擬數(shù)據(jù)平均值進行研究討論。隧道墻體邊界設置為“CONCRETE”，其熱值為1.04 kJ/(kg·K)，密度為2 280 kg/m3，導熱率為1.6 W/(m·K)；隧道兩端口處設為“OPEN”；側(cè)部排煙道端口處設為“EXHAUST”；隧道內(nèi)初始環(huán)境溫度設置為20 ℃。

圖1 隧道模型示意圖Fig. 1 Schematic diagram of the tunnel model

沿隧道縱向布置10組溫度、流速測點，火源兩側(cè)各5組，分別位于正對排煙口，排煙口內(nèi)側(cè)5 m、10 m，排煙口外側(cè)5 m、10 m；橫向上，距離排煙道0.1 m、3 m、5.5 m、8 m布置四組溫度、流速測點；豎向間距0.1 m，一組為44個測點，范圍在0.6 m～4.9 m。如圖2所示。

圖2 測點布置圖Fig. 2 Measuring point layout

1.2 工況設置

共設置24組對比工況，將火源功率5 MW(10 MW)編號為A(B)，在其他條件不變的情況下，依次改變火災熱釋放速率、排煙流量來研究不同參數(shù)對煙氣分層特性的影響。由于側(cè)部排煙道兩端各設置一個排煙風機，故每個排煙風機排煙流量為設定排煙流量的1/2。如表1所示。

表1 工況Table 1 Working conditions

2 煙氣分層特征參數(shù)

2.1 煙氣層厚度

煙氣層厚度的計算方法主要有N-百分比法[7]、積分比法[8]。N-百分比法由于N的取值主觀性較強，可能會給計算帶來較大的誤差。運用積分比法對煙氣與空氣分界面進行判斷，其原理是將不同高度作為分界點，對上半部分和下半部分分別求取溫度的積分比，上下積分比和最小的點對應的高度為煙氣與空氣分界面的位置。

上層煙氣溫度積分比：

(1)

下層空氣溫度積分比：

(2)

總積分比：

rt=rμ+r1=f(y)

(3)

其中：H是地面到頂板的高度，y是豎直方向上的高度，T(z)是溫度豎向分布函數(shù)。圖3是火源功率為5 MW，排煙流量為80 m3/s時某位置豎向方向上煙氣層溫度變化情況。對模擬所得的溫度測點數(shù)值用Origin 9軟件進行BiDoseResp函數(shù)非線性擬合，得到溫度豎向分布函數(shù)T(z)。

圖3 豎向溫度變化圖Fig. 3 Vertical variation of temperature

通過使用 Matlab 程序?qū)(z)進行積分運算，得到豎直方向上的總積分比變化情況，取總積分比最小點對應高度為煙氣層高度(如圖4)，此時的煙氣層厚度為1.26 m。

圖4 總積分比變化曲線Fig. 4 Variation of total integral ratio

2.2 煙氣摻混影響長度

在側(cè)部排煙模式下，由于側(cè)部排煙口對煙氣存在一定大小的抽吸力，煙氣蔓延過程中排煙口煙氣始終處于摻混狀態(tài)，導致橫向上無法確定煙氣整體的分層規(guī)律，其摻混程度與排煙口風速正相關(guān)。對排煙口抽吸力作用在隧道橫向上煙氣的影響范圍進行研究，得到煙氣橫向摻混影響長度與隧道寬度的量化占比，以此判定側(cè)部排煙模式下的煙氣分層穩(wěn)定性。

將側(cè)部排煙口看作四周無邊的矩形側(cè)吸罩[9]，煙氣放散的最小控制速度取0.25 m/s(一般為0.25 m/s～0.5 m/s)，即認定排煙口附近煙氣橫向流速小于0.25 m/s時，不參與排煙口附近摻混。

a/b=α;x/b=β;vx/v0=δ

(4)

其中：a、b分別為排煙口的寬、高；vx為煙氣放散的最小控制速度；v0為排煙口上的平均速率(注：排煙口平均速率為不同排煙流量下排煙口所達到的速率)，將上式代入矩形吸氣口速度分布計算(如圖5)，即可得到不同排煙口排煙速率下的煙氣摻混影響長度x(如圖6)。

圖5 矩形吸氣口速度分布Fig. 5 Rectangular suction port velocity distribution

圖6 不同排煙速率下的煙氣摻混影響長度Fig. 6 Influence length of flue gas blending under different exhaust wind speeds

2.3 煙氣水平流速

在數(shù)值模擬中測量的氣流速度可能具有大的波動，可以認為測量的空氣速度是恒定速度和擾動速度的疊加[10]。如圖7是火源功率為5 MW，排煙流量為80 m3/s時，排煙口位置處橫向方向上煙氣層流速變化情況。通過數(shù)值模擬測得排煙口處，距排煙口不同橫向位置的煙氣流動速度，模擬結(jié)果中取穩(wěn)定時間段的流速平均值。

圖7 不同位置處煙氣層流速變化情況Fig. 7 Flue gas velocity variations at different locations

3 結(jié)果與討論

3.1 煙氣分層形態(tài)

側(cè)部排煙模式下，隧道空間內(nèi)的煙氣分層形態(tài)由豎向熱浮力、縱向慣性力以及排煙口側(cè)向抽吸力多向驅(qū)動力共同決定。在模擬結(jié)果中觀察到，當隧道發(fā)生5 MW火災，排煙流量較小時，煙氣存在明顯分層，只有極少部分煙顆粒擴散到隧道下部空氣層中，如圖8(a)所示。但隨著排煙流量的增大，煙氣層與冷空氣層劇烈摻混，煙顆粒大量侵入下部空氣層，煙氣層變得紊亂，看不到明顯的分層現(xiàn)象。此時，隧道豎向區(qū)域內(nèi)，可分為三個區(qū)域，即上部煙氣強分層區(qū)、中部煙-空氣摻混區(qū)、下部冷空氣區(qū)。其中，排煙口與火源區(qū)段內(nèi)，煙氣與空氣摻混較強，強分層區(qū)的厚度較薄，如圖8(b)所示。

圖8 不同排煙流量下的煙氣分層特征Fig. 8 Characteristics of flue gas stratification under different flue gas flow rates

3.2 煙氣層厚度變化

各模擬工況下煙氣層厚度如表2所示，排煙流量較大時，計算所得為上部強分層區(qū)的煙氣層厚度。為準確描述各位置的煙氣層厚度變化情況，定義縱向方向上排煙口與火源間區(qū)段為排煙口內(nèi)側(cè)，排煙口與隧道端口間區(qū)段為排煙口外側(cè)，模擬結(jié)果取橫向測點值的平均。另考慮排煙口開啟方式及火源位置的對稱性，將兩側(cè)對稱位置的厚度取均值。由表2數(shù)據(jù)可以看出，總體煙氣層厚度呈隨火源功率增大而增大的趨勢，這一趨勢在排煙口及排煙口外側(cè)區(qū)段更為明顯。在同一火源功率下，排煙口內(nèi)側(cè)的煙氣層厚度隨排煙流量增大基本無變化，且排煙口內(nèi)側(cè)10 m(距排煙口10 m)位置煙氣層高度高于排煙口內(nèi)側(cè)5 m位置，這是因為排煙口尺寸一定時，對煙氣的影響程度存在一定范圍，在較遠條件下不會對煙氣厚度產(chǎn)生明顯影響，另外，越靠近火源的煙氣溫度越高，分層強度越大，其厚度越不容易產(chǎn)生變化。而在排煙口及排煙口外側(cè)區(qū)段，煙氣層厚度隨排煙流量增大呈復雜的變化趨勢。煙氣層厚度在一定范圍內(nèi)產(chǎn)生連續(xù)的浮動變化，火源功率增大，這一波動幅度變小，這是因為火源功率越大，空間煙氣與空氣的交界面剪切效應越弱，排煙流量對于加劇煙氣空氣混合的影響越小。

表2 各模擬工況下的煙氣層厚度Table 2 Thickness of flue gas layer under various simulated working conditions

3.3 煙氣流速變化

圖9為火源功率5 MW時，隧道內(nèi)不同縱、橫向位置下煙氣水平流速的變化曲線，對煙層穩(wěn)定性破壞后的情況進行研究(V≥80 m3/s)。為準確描述排煙口附近各位置的流速變化情況，定義排煙口與火源間區(qū)段為排煙口內(nèi)側(cè)，排煙口與隧道端口間區(qū)段為排煙口外側(cè)；測點與排煙口的縱向距離定義為L，其中排煙口內(nèi)(外)側(cè)L為正(負)值；測點與排煙口的橫向距離定義為D。

圖9(a)～圖9(d)為排煙口內(nèi)側(cè)L=10 m(近火源端)不同橫向距離下的煙氣水平流速隨排煙流量變化情況。由圖9可以看出，不同橫向位置下，各流速曲線均在距地面高度2.2 m～4.2 m(排煙口所在高度，圖9豎向虛線位置)范圍內(nèi)存在極值點。D=0.1 m～3 m時，隨著排煙流量的增加，上層煙氣層流速值呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，如圖9(c)～圖9(d)，且流速值在V=110 m3/s時達到最大，這反映了受排煙口排煙強度的影響，熱煙氣與冷空氣的速度剪切強度存在極限值，排煙流量過大時，排煙口大量卷吸煙氣層下方冷空氣，會完全破壞煙氣分層穩(wěn)定性及排煙口的穩(wěn)定排煙機制，降低排煙效率。故火源功率5 MW時，排煙流量不宜超過110 m3/s，此時單個排煙口達到的排煙速率為4.78 m/s。

圖9(d)～圖9(h)為D=0.1 m(近隧道壁面)不同縱向位置處的煙氣水平流速隨排煙流量變化情況?？梢钥闯觯髁魉偾€在隧道豎向空間范圍內(nèi)的極值點位置變化較大。縱向上，排煙口內(nèi)側(cè)不同距離處(圖9(d)和圖9(e))的流速曲線基本一致，表明側(cè)向排煙對兩個位置煙氣蔓延的抑制作用相當，煙氣層流速值隨排煙流量的增大整體呈現(xiàn)先增大后衰減的趨勢；排煙口外側(cè)煙層流速衰減較快，距離排煙口越遠時(L=-10 m)，側(cè)向排煙對煙氣蔓延的抑制作用越強；排煙口位置處，流速曲線變化復雜，可以看出流速曲線明顯的向上凹起，在距地面高度2.2 m～4.2 m范圍內(nèi)，煙氣流動速度驟增，這一變化主要是由于排煙口對煙氣的抽吸作用，排煙口附近煙氣空氣大量摻混所致。

圖9 不同排煙流量下的煙氣流速變化Fig. 9 Flue gas flow rate variations under different exhaust wind speeds

3.4 煙氣溫度變化

圖10為火源功率5 MW時，不同排煙流量下的溫度變化云圖。為準確比較各風速下的溫升變化，橫向位置均取距離排煙口D=5.6 m(最大排煙流量下煙氣摻混影響長度約為5.625 m)。由圖10可以看出，此時溫度變化可分為兩個階段，煙氣分界層以下，即隧道底部空氣層基本保持環(huán)境溫度，煙氣分界層以上，溫度隨高度的增加而升高。上部煙氣層在排煙流量V=0 m3/s 時，穩(wěn)定狀態(tài)下的溫度曲線分布均勻，可以看到明顯的煙氣分層，這與前文排煙流量V=0 m3/s時的煙氣分層形態(tài)是一致的。隨著排煙流量的增大，煙氣層整體溫升有所下降，縱向上看煙氣層與空氣層的臨界面不再是均勻的水平面，排煙口附近這一變化尤為明顯。另外，排煙口與火源間區(qū)段分界層的平均高度隨排煙流量增大基本無變化，排煙口與隧道端部一側(cè)分界層的平均高度隨排煙流量增大有所減小，可以看出排煙流量對于煙氣層穩(wěn)定性的抑制作用主要集中在排煙口處及排煙口與隧道端部區(qū)段。

圖10 不同風速下溫度變化云圖Fig. 10 Cloud graph of temperature changes at different wind speeds

4 結(jié)論

采用數(shù)值模擬方法研究了側(cè)部點式排煙模式下火源功率、排煙流量的變化對煙氣層溫度、厚度及流速等分層特征的影響，得到以下結(jié)論：

(1)煙氣摻混影響長度隨排煙速率增長而增大，即排煙流量越大，排煙口附近煙氣摻混程度越強。

(2)排煙流量較小時，煙氣存在明顯分層。隨著排煙流量的增大，煙氣層與冷空氣層劇烈摻混，煙氣層變得紊亂，看不到明顯的分層現(xiàn)象。其中，排煙口與火源區(qū)段內(nèi)，強分層區(qū)的厚度較薄。

(3)同一縱向位置下上層煙氣層的流速值隨排煙流量增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢；不同縱向位置下排煙口外側(cè)煙層流速較低，距離排煙口越遠時，側(cè)向排煙對煙氣蔓延的抑制作用越弱。排煙流量對于煙氣層穩(wěn)定性的抑制作用主要集中在排煙口處及排煙口與隧道端部區(qū)段。