縱向風下隧道頂部和側向排煙特性對比研究

周偉軍 徐夢一 袁中原

（1.北京市建筑設計研究院有限公司成都分公司 成都 610096；2.西南交通大學機械工程學院 成都 610031）

0 引言

隧道因其特殊的管狀封閉結構，在發生火災時常伴隨著高溫、能見度低、排煙困難，會造成逃生疏散困難，隧道結構嚴重破壞等后果[1]。通過設計一個合理的排煙系統，能夠及時有效地降低煙氣溫度并控制煙氣蔓延及沉降，對于減輕人員傷亡和財產損失尤為重要。

前人關于隧道頂棚排煙系統的研究主要集中在其排煙效果和吸穿現象。Ingason H 等[2]發現如果從兩側提供足夠的新風，限制火源和排煙口或兩個排煙口之間的區域，就可以建立起有效的排煙系統。Ji 等[3]進行了一組燃燒實驗，揭示了排煙口高度和排風速度對機械排煙效率的影響，結果表明，較高的排煙口或較小的排煙速度，排煙效率更高，并使用弗勞德數預測了吸穿現象的發生。He L 等[4]研究了機械排煙口附近的卷吸現象，結果表明，隨著火源功率和排煙速度的增加，卷吸的空氣量增加。Tang 等[5,6]通過進行小尺寸試驗，發現火源和頂棚排煙口的相對方向對煙鋒流速有較大影響。王明年等人[7]進行了1:4.8 的小尺寸試驗，同時用FDS建立了全尺寸的數值模擬，研究了不同的排煙策略（改變縱向風速和排煙風速）對縱向通風和豎井通風的耦合系統的影響。

近年來，側向機械排煙系統（在隧道側壁設置排煙口）在隧道中得到了較多的采用。Xu 等[8]使用數值模擬研究了隧道側向機械排煙系統。提出了排熱系數的預測模型，并對吸穿現象進行了定性分析。袁園[9]和張甫仁[10]等人利用FDS 數值模擬研究方法研究了排煙口參數、排煙風量以及縱向通風風速對公路隧道側向集中排煙系統的影響，發現系統的排煙效率隨排煙風量的增加呈現先增后減的變化趨勢，并針對簡化公路隧道模型得到了較為合理的排煙控制策略。姜學鵬[11]等人利用數值模擬初步分析了隧道側部單點集中排煙模式下的煙氣逆流行為進行研究，探討了火源功率、縱向風速、排煙量以及排煙口與火源相對位置對煙氣逆流長度的影響。

目前隧道內對集中排煙系統相關研究的重點大部分都在頂棚集中排煙，而若隧道地鐵等建筑無法在頂棚安裝排煙管道，便可使用側向排煙系統。對于縱向風下的機械排煙，風口位置的不同對隧道火災煙氣特性分布有很大的不同，然而，大多學者僅研究一種通風系統，關于縱向風和頂部或側向排煙耦合系統的研究以及排煙效果的對比研究較少。本文采用火災數值模擬軟件FDS 對縱向風下兩種排煙系統的煙氣分布特性進行了研究。

1 數值模擬

本文選取某山嶺隧道建立幾何模型，如圖1 所示，隧道斷面上部取半徑6m 的半圓，下部取高為1.4m 矩形，隧道寬12m，高7.4m，模擬隧道的入口至火源段與風口至出口段的長度不變，距離和為500m，火源與風口的間距變化。將火源設置在隧道縱向中軸線上，火源與排煙風口的相對位置如圖2 所示，其中A 位置距隧道入口250m，B 位置距排煙風口處500m，C 位置距排煙風口處1000m。

圖1 頂部機械排煙系統示意圖Fig.1 The picture of the top mechanical smoke exhaust system

圖2 火源位置示意圖Fig.2 The picture of fire source position

兩種機械排煙系統的排煙口形狀和大小完全一致，寬為5m，其內邊緣距隧道入口320m，寬為5m，設置了五種不同的風口長度：1m、5m、7m、10m、15m。頂部機械排煙系統風口設置如圖1 所示，排煙口位于隧道頂棚中軸線上；側向排煙系統的設置如圖3 所示，排煙口位于隧道側壁，其下邊緣與隧道底部平齊。兩種機械排煙系統的排煙量均設置在60-180m3/s 之間。在隧道縱向中軸線上設置了縱向溫度測點和CO 濃度測點及其切片，間隔為10m；分別在排煙口前30m、10m、5m 和排煙口后5m、10m、20m 處設置了豎向和橫向的溫度測點和CO 濃度測點；在排煙口與隧道交界面處設置速度測點，用于監測排煙變化情況，有關測點設置如圖4 所示。

圖3 側向機械排煙系統示意圖Fig.3 The picture of lateral mechanical smoke exhaust system

圖4 測點位置分布示意圖Fig.4 Location distribution map of measuring points

本文選取5MW、10MW、30MW 三種火源熱釋放率進行數值模擬研究，總模擬時間為600s。隧道壁面的材料設置為“concrete”，厚度為0.5m，環境初始溫度設置為25℃。本文研究的是縱向風下的隧道火災排煙，在隧道入口與隧道交界面處設置“supply”，向隧道內送風，風速設為臨界風速（回流長度為0），經過多次模擬試算，得到的不同工況下的臨界風速如表1 所示；在隧道出口與計算區域邊界處設置為開口條件。隧道火災數值模型如圖5 所示。

表1 不同工況下的臨界風速結果Table 1 Critical wind speed results under different operating conditions

圖5 數值模型示意圖Fig.5 The picture of the numerical model

本文開展了1:10 縮尺模型隧道試驗，選取火源熱釋放率為5.68kW，火源位于隧道縱向中心位置，排煙口尺寸長為0.1m，寬為0.5m，縱向風速為0.62m/s，排煙量為180m3/h，環境溫度為35℃的典型試驗工況驗證了本文數值模型的準確性，如圖6 所示，數值模擬計算結果與試驗結果基本吻合，可用于模擬計算隧道火災。

圖6 數值模擬驗證結果Fig.6 The result of the numerical simulation verification

為了便于分析和說明，定義火源到風口之間的區域為火源段，風口到隧道出口的區域為非火源段。本節使用的縱向風速均為臨界風速。

2 煙氣特性

2.1 煙氣縱向分布規律

圖7（a）為火源功率為10MW，火源位于A位置，兩種風口位置的縱向溫度分布規律。在火源段時，頂部排煙和側壁排煙的頂部煙氣溫度分布幾乎沒有區別，而排煙口后方的縱向溫度要高于風口在側壁時的溫度。這說明在火源段高溫煙氣不會卷吸來自排煙口后方的補風氣流，補風氣流一部分經過排煙口直接排出，一部分與擴散到排煙口后方的熱煙氣混合從出口排出。

圖7 隧道頂壁煙氣特性分布Fig.7 The smoke characteristics distribution of tunnel beneath ceiling

而在非火源段，頂部排煙系統風口處的頂壁煙氣溫度有明顯突變，溫度明顯低于火源段，而側壁排煙系統風口處的溫度沒有明顯突變，風口外的溫度梯度與火源段接近，溫度隨著離火源距離的增加而減小。這是由于兩種排煙方式的煙氣吸入方式差別較大。一方面，側風口上邊緣低于隧道頂壁，通過側壁排煙口排出的煙氣主要來自排煙口上方和正前方的煙氣層，排煙需要克服的浮力較大，因此排出的氣體中煙氣占比較少；另一方面，由于側向排煙口更接近煙氣層與空氣邊界，煙氣層的不穩定加劇了空氣的卷吸，使得通過排煙口排出的混合氣體含有大量空氣，仍有大量高溫煙氣越過排煙口向后擴散，非火源段的溫度未得到有效降低。而頂部排煙口排出的煙氣主要來自風口正下方的煙氣層，排出的氣體中的煙氣含量高，越過排煙口的煙氣少，頂壁溫度得到有效降低。

圖7（b）為火源功率為5MW，不同風口位置對CO 濃度縱向分布的影響。從圖中可以看出，兩種風口位置對火源段的CO濃度縱向分布幾乎沒有影響，火源附近的濃度衰減較快，在離開火源一段距離后，頂壁縱向CO 濃度分布衰減變慢。這是因為火源附近頂壁的煙氣擴散為三維擴散流動，而隨著離火源距離變遠，由于側壁的限制，煙氣變為沿隧道縱向的一維擴散運動。在非火源段，頂部排煙在風口處CO 濃度驟減，而側向排煙的濃度變化很小，整體CO 濃度高于頂部排煙。

由以上分析可知，兩種排煙方式的頂壁煙氣特性在火源段內無明顯區別，而在非火源段內差別較大，下面著重分析非火源段內頂壁風口和側壁風口的豎向和橫向煙氣特性分布規律。

2.2 煙氣豎向分布規律

圖8 分別為火源功率為10MW，兩種風口位置在風口后的煙氣溫度和CO 濃度豎向分布規律。側壁機械排煙系統頂壁附近的煙氣溫度最高且變化緩慢，在離頂壁一定距離之后，豎向測點溫度大幅降低；頂壁排煙系統的整體豎向溫度比側壁排煙低。這說明不同風口位置會對非火源段的煙氣豎向溫度分布有影響。由于排煙風口會帶走部分來自火源段的高溫煙氣，使繞過風口的煙氣量大幅減少，再加上側風口上邊緣比頂壁低，風口吸入的煙氣含量低，越過排煙口到下游的高溫煙氣自然就多，此時的排煙口無法有效降低風口后方的豎向溫度。

圖8 風口后的溫度豎向分布Fig.8 Vertical distribution of the temperature behind the tuyere

圖9 為兩種風口位置在風口后的煙氣CO 濃度隨豎向高度變化的分布規律。與上述溫度豎向分布整體趨勢相類似，側壁機械排煙系統頂壁附近的煙氣溫度最高，在離頂壁一定距離之后，豎向測點溫度大幅降低，但整體溫度與風口前相比變化很??；頂壁排煙系統的整體豎向溫度比側壁排煙系統低。

圖9 風口后的CO 濃度豎向分布Fig.9 Vertical distribution of the CO concentration behind the tuyere

2.3 人員高度處橫向分布規律

圖10 為火源功率為5MW 時，兩種風口位置在風口后的煙氣橫向溫度分布規律?？梢钥闯?，風口后頂壁排煙方式的溫度整體比側壁排煙的溫度低，煙氣在頂壁風口附近時的溫度趨勢呈中間低，兩邊高，而離風口一定距離后的煙氣橫向溫度分布開始和火源段內的橫向溫度分布趨勢相同；在側風口附近的煙氣溫度分布趨勢為靠近風口一側的溫度較高，遠離風口側的溫度較低。這是因為煙氣擴散到風口附近時受到排煙作用的影響，頂壁風口下方的煙氣最先被抽吸到風口中，部分煙氣越過排煙口繼續向下游擴散，此時隧道中心線附近的煙氣較為稀薄，溫度低于隧道側壁附近的煙氣溫度；側邊排煙時的部分煙氣雖越過排煙口，但仍受排煙慣性力影響，貼附于風口附近一側壁面向下游蔓延，造成了位于風口附近一側的煙氣橫向溫度較高，遠側壁面附近的煙氣溫度低。

圖10 風口后的橫向溫度分布Fig.10 Transverse temperature distributionbehind the tuyere

圖11 分別為火源功率為30MW 時，兩種排煙方式在風口后的CO 濃度橫向分布?？梢钥闯?，風口后的CO 濃度橫向分布與溫度橫向分布規律類似，頂部排煙方式的CO濃度整體比側邊排煙的低，CO 濃度在頂壁風口附近位置時的趨勢呈中間低，兩邊高，而離風口一定距離后的煙氣CO 濃度開始和火源段內的分布趨勢相同；在側風口附近的煙氣CO 濃度橫向分布趨勢為靠近風口一側的CO 濃度較高，遠離風口側的CO 濃度較低。

圖11 風口后的橫向CO 濃度分布Fig.11 Transverse CO concentration distribution behind the tuyere

3 結論

（1）側向排煙方式與頂部排煙方式的煙氣特性規律在火源段內幾乎無差別，而在非火源段，由于兩種排煙口位置的煙氣吸入方式差別較大，在臨界風速的作用下，頂部風口排煙時的煙氣溫度分布和CO 濃度分布要低于側向排煙口排煙。

（2）對于非火源段內的豎向分布，側壁機械排煙系統頂壁附近的煙氣值（溫度和CO 濃度）最高，在離頂壁一定距離之后，煙氣值大幅降低，頂壁排煙系統的整體豎向溫度比側壁排煙低。

（3）在非火源段，頂壁排煙方式的煙氣溫度和CO 濃度整體比側壁排煙方式的低，煙氣在頂壁風口附近時的煙氣特性趨勢呈中間低，兩邊高，而離風口一定距離后的煙氣橫向分布開始和火源段內的橫向分布趨勢相同；在側風口附近的煙氣分布趨勢為靠近風口一側較高，遠離風口側較低。