基于防烟空气幕作用下的多岔式隧道火灾模拟分析

苏紫敏 林建业 苏天德

摘要：为研究新型防排烟技术——防烟空气幕在多岔式隧道中的应用效果，文章采用数值模拟方式，研究了防烟空气幕的火灾控制性能。研究结果表明：防烟空气幕具有良好的隔热和隔烟效果，改变不同的火源位置，空气幕的隔热效率均能达到70%以上，且能有效隔绝燃烧产生的烟气蔓延扩散。同时，还分析了不同空气幕风速对空气幕性能的影响，结果表明风速越大，隔热效果越好。

关键词：多岔式隧道;防烟空气幕;数值模拟;隔热效率;烟气蔓延

0 引言

随着现代城市土地资源快速减少，地下交通成为拓展更多城市用地的最佳选择。城市隧道虽然属于隧道交通的一种，但因其结构交叉连通、出入口不单一的特点，使其与一般隧道存在一定区别。多岔式隧道发生火灾时与单线隧道火灾有较大不同：（1）由于主隧道风速与支隧道不同，烟气易向气压低处扩散;（2）由于通道不单一使得气流组织不稳定，导致隧道内风速不恒定，排烟设备的参数难以确定;（3）多岔式隧道结构复杂，消防扑救与救援难度大。基于以上特点，多岔式隧道火灾比普通隧道火灾危害性大，鉴于目前国内多岔式隧道的数量庞大，对多岔式隧道进行火灾模拟分析是非常有必要的。

多岔式隧道属于狭长空间，高温和烟气是威胁人身安全的重要因素，如何在保证人员疏散的同时有效控制烟气蔓延和高温控制是亟须探究的问题。城市隧道内通常采用传统的防排烟设施，如挡烟垂壁、防火卷帘，但传统防排烟设施在阻挡烟气扩散的同时增加了结构上的阻碍，对人员的疏散会造成一定影响。防烟空气幕作为一种新型的防排烟技术，既能衰减火灾热辐射，亦能在阻隔烟气蔓延的同时不妨碍人员进行安全疏散。梅秀娟等[1]利用FDS软件对空气幕作用于隧道火灾烟气蔓延的规律进行研究，结果表明在隧道内设置空气幕可有效防止火灾烟气的蔓延;吴振坤等[2]在地铁车站敞开楼梯口开展空气幕挡烟效果现场实验，得到了不同参数下空气幕对烟气蔓延控制的影响;陈涛等[3]根据空气幕火灾时的流场建立数学模型，并通过理论推导求出数值解析。

从国内外学者的研究中可以发现防烟空气幕具有一定的研究基础和成果，在工程上也有部分先進企业采用空气幕作为防烟设施。但是由于多岔式隧道是近十年来的建设重点，与单隧道存在一定差异，前人的研究缺少普遍适用性。综上所述，开展防烟空气幕作用下城市多岔式隧道的火灾模拟分析是十分有必要的。

[=XQS（]基于防烟空气幕作用下的多岔式隧道火灾模拟分析/苏紫敏，林建业，苏天德[=JP2]1 火灾模型设计

1.1 FDS软件介绍

FDS是美国NIST（National Institute of Standards and Technology）研发的对于火灾场景模拟流体运动的软件。本文将利用FDS软件对城市多岔式隧道火灾进行数值模拟研究。

1.2 多岔式隧道的数值模型建立

本文模型参考实际多岔式隧道尺寸建立，选取主隧道长度为100 m，宽度为10 m;分叉口位于隧道中部，支隧道与主隧道夹角为40°，支隧道长度为50 m，宽度为5 m。本次模拟采用的火源材料为正庚烷，以t2快速增长，位置距分叉口30 m。空气幕厚度为0.5 m[4]，长度为6 m（即分叉口宽度）（见图1）。

在FDS数值模拟过程中，网格大小的选取对于结果的计算至关重要，在FDS模拟研究中常通过公式计算和模拟对比，得到合适的网格尺寸，在不影响实验模拟数据准确度的情况下，确保模拟实验时间的充分[5]。现FDS模拟中常采用的计算方法是D*，其计算公示为：

D*=（Q .ρ0cpT0g）2/5（1）

式中：D*——火源特征直径;

Q .——火源热释放速率（kW）;

ρ0——空气密度（kg/m3）;

cp——比热容（kJ/kg·k）;

T0——环境温度（K）;

g——重力加速度（m/s2）。

根据实验研究表明，D*的计算取值介于4～16之间时，能够较好模拟火灾中烟气的下沉和烟气的运输情况。通过式（1）的计算结果，如表1所示，当火源功率为10 MW时，网格尺寸取值最小值为0.14;当火源功率为5 MW时，网格尺寸取值取值最大值为0.45。综合考虑模拟精度和模拟运算时间，确定网格精度为0.4×0.4×0.4，网格数量300 000个。

1.3 研究工况

本文将改变火源功率、空气幕的出口流速、隧道口临界风速来探究空气幕的防烟效果，从而得到不同工况下空气幕的最佳流速[6]，探究临界风速和机械排烟条件下空气幕的防烟效果。具体研究工况如表2所示。

2 防烟空气幕对城市多岔式隧道火灾蔓延控制的影响2.1 防烟空气幕隔热效果分析

为表示防烟空气幕的隔热能力，本文采用隔热效率表征空气幕衰减火灾热辐射的能力[7]。隔热效率（η）定义为燃烧区和有空气幕分隔的非燃烧区同一试点温度差值与燃烧区该点温度的比值，表示为：

η=T1-T2T1（2）

式中：T1——燃烧区的测点温度（℃）;

T2——有空气幕分隔的非燃烧区的测点温度（℃）。

下页图2（a）～（c）是自然通风下火源距离空气幕30 m时主隧道和支隧道的温度切片对比图。火源功率为5 MW，防烟空气幕设置在虚线处，风速为10 m/s，设置为火源燃烧30 s后开启。由图2（a）～（c）可知随着燃烧的不断进行，主隧道内的温度快速升高，当燃烧进行到60 s时，主隧道温度在400 ℃～800 ℃，最高达到820 ℃;支隧道受到空气幕的保护，温度保持在20 ℃～160 ℃之间，最高达到158 ℃。当燃烧持续到100 s以后，主隧道的温度已达到500 ℃～900 ℃，此时主隧道已不具备人员生存的条件，而支隧道靠近地面的中下部温度仍在30 ℃～150 ℃，顶棚温度在150 ℃～240 ℃。根据式（2）计算，防烟空气幕的隔热效率约为80%。

图2（d）～（f）是自然通风下火源距离空气幕0 m时主隧道和支隧道的温度切片对比图，其余参数不变。主隧道温度迅速升高，达到900 ℃～1 400 ℃;而因火源距离空气幕较近，支路隧道的温度较火源距离空气幕30 m时的温度更高，达到150 ℃～350 ℃;同时在空气射流的作用下，随着燃烧的持续进行烟气层在隧道内下降，烟气层具有高温的特点，导致在隧道中下部的温度与顶棚温度接近。根据式（2）计算，防烟空气幕的隔热效率约为73%。根据以上分析，可知空气幕具有良好的隔热效果。

2.2 防烟空气幕隔烟效果分析

当隧道发生火灾，因氧气不足而使可燃物进行不完全燃烧会产生大量烟气，烟气中的大量固体小颗粒和小液滴具有很强的遮光性，烟气浓度越大，人的能见度越低，对人员逃生的威胁越大。在一般环境中，人员的能见度为30 m;在应急逃生时，隧道内的能见度应满足10 m以上为最佳。与上文中参数保持一致，图3（a）～（c）是自然通风下火源距离空气幕30 m时不同时间阶段隧道内能见度的变化图。通过分析可知当燃烧进行到60 s时主隧道整体的能见度已降低到8 m以下，而支隧道的能见度仍保持在15～25 m;当燃烧进行到120 s以后主隧道的能见度已降低到5 m以下，此时烟气不断产生且无法有效排出，向下沉积，造成整个主隧道充满了大量浓烟;支路隧道因受到空气幕的分隔保护，能见度仍能保持在15 m以上。图3（d）～（f）是自然通风下火源距离空气幕0 m时能见度的变化图。相对于火源距离空气幕30 m时，支路隧道的能见度相对低3～5 m，这是因为火源靠近空气幕，烟气生成量大，压强上升向四周膨胀，当压力增强到空气幕不足以阻挡时，烟气就会穿过空气幕进入支隧道，使能见度降低。

随着燃烧的不断进行，空气幕的空气输出方向由最初的垂直向下而后逐渐发生偏移，分析认为是随着燃烧进行烟气在不断地增加，空气幕输出的空气对烟气的运动造成一定的扰乱，使得火源卷吸的范围扩大，空气输出角度有所改变，但对空气幕的隔烟效果影响较小，隔烟效果依旧良好。

2.3 临界风速对防烟空气幕火灾控制性能的影响

将隧道环境改为存在自然风的情况，设置临界风速为2 m/s（风向以y轴正方向为正），将火源功率设置为5 MW，火源位置分别设置在距离空气幕30 m处和0 m处。

图4（a）～（c）是有临界风速作用下火源距离空气幕30 m时主隧道和支隧道的温度对比图。经分析，主隧道和支隧道的温度均较自然通风时有所升高，当燃烧进行到100 s后，主隧道温度在700 ℃～880 ℃，支隧道温度在120 ℃～450 ℃，防烟空气幕的隔热效率约为64%，较自然通风下的隔热效率降低了16%。图4（d）～（f）为临界风速作用下火源距离空气幕0 m时主隧道和支隧道的温度对比图。与火源距离空气幕30 m处燃烧时的情况不同，当火源距离空气幕0 m时，支隧道的温度保持良好，在20 ℃～200 ℃，而主隧道的温度在700 ℃～1 000 ℃，防烟空气幕的隔热效率约为87%。

圖5是有临界风作用下火源距离空气30 m和0 m时主隧道和支隧道的能见度对比图。可以发现，当火源处于30 m时，在自然风的作用下，部分烟气进入支隧道使得隧道内能见度降低，保持在5～15 m之间，防烟空气幕的隔烟效果不理想;当火源位于0 m处时，在自然风作用下烟气沿主隧道外壁蔓延，只有小部分烟气在燃烧后期进入支隧道，支隧道的能见度较高，基本维持在23 m以上，隔烟效果良好。

分析两种工况下温度和能见度的变化规律，当火源位于30 m时，由于正向风的作用，部分烟气沿着支隧道蔓延，此时支隧道的温度较高，能见度较低，隔热和隔烟效果不理想;当火源位于0 m时，在自然风作用下烟气沿主隧道外壁蔓延，在空气幕的保护下只有小部分烟气在燃烧后期进入支隧道，此时空气幕的防烟和隔热效果较理想，可以有效阻止烟气向支隧道蔓延。在实际工程中设置空气幕，均需考虑隧道临界风对空气幕性能的影响，可考虑增大防烟空气幕的释放风速，同时与机械排风系统共同作用。

3 影响防烟空气幕性能的因素

当防烟空气幕用于实际工程项目中，除了日常维护及清洗设备外，风机的功率、出风口的大小一般不作调整或更换。本小节主要通过改变防烟空气幕的风速，探寻实际工程中适合防烟空气幕的最佳风速。

试验模拟了4种风速、2种火源功率的试验工况进行比较，如表3所示。

下页图6（a）为火源功率为5 MW时支隧道温度随空气幕流速变化的曲线图。根据曲线图可发现设有空气幕保护的试验工况温度均低于未设有空气幕的温度。未开启空气幕时支隧道温度最高为800 ℃;当空气幕风速为8 m/s时，最高温度为475 ℃;当空气幕风速为10 m/s时，最高温度为315 ℃;当空气幕风速为12 m/s时，最高温度为200 ℃;当空气幕风速为15 m/s时，最高温度为150 ℃。总体分析，当空气幕风速在10 m/s、12 m/s、15 m/s时支隧道的温度基本能保持在200 ℃以下，均能达到较好的隔热效果。图6（b）为火源功率为10 MW时支隧道温度随空气幕流速变化的曲线图。未开启空气幕时支隧道温度最高为1 100 ℃;当空气幕风速为8 m/s时，最高温度为730 ℃;当空气幕风速为10 m/s时，最高温度为550 ℃;当空气幕风速为12 m/s时，最高温度为180 ℃;当空气幕风速为15 m/s时，最高温度为80 ℃。当空气幕风速在12 m/s和15 m/s时支隧道的温度基本能保持在180 ℃以下，隔热效果良好。

综上分析，可以发现当火源功率为5 MW时，空气幕风速在10 m/s及以上能有较好的隔热效果;当火源功率为10 MW时，空气幕风速在12 m/s及以上能有较好的隔热效果。研究同时发现，当空气幕风速在12 m/s及以上时，支隧道的温度曲线较为接近甚至有所重合，说明当空气幕风速持续增加时，隔热效果并非呈线性增加，在实际工程中应根据实际情况选择适当的风速，在保证能发挥空气幕作用的同时也能较好地控制成本。

4 结语

（1）防烟空气幕具有明显的隔烟效果。当火源距离空气幕30 m时，支隧道的能见度均能保持在15 m以上;当火源距离空气幕0 m时，因火源靠近空气幕，烟气生成量大，压强上升向四周膨胀，当压力增强到空气幕不足以阻挡时，烟气就会穿过空气幕进入支隧道，能见度能保持在10 m以上。

（2）防烟空气幕具有良好的隔热效果。当火源距离空气幕30 m时，主隧道温度在500 ℃～900 ℃，而支隧道靠近地面的中下部温度仍在30 ℃～150 ℃，隔热效率约为80%;当火源距离空气幕0 m时，主隧道温度达到900 ℃～1 400 ℃，支路隧道的温度达到150 ℃～350 ℃，隔热效率约为73%。

（3）在自然通风的条件下，空气幕风速越大，隔热效果越好。当火源功率为5 MW时，空气幕风速在10 m/s及以上时有较好的隔热效果;当火源功率为10 MW时，空气幕风速在12 m/s及以上时有较好的隔热效果。但空气幕风速越大，对实际工程中风机的选用功率越高，且隔热效果并非随着风速的增加而更好，应根据实际情况合理选择空气幕风速。

（4）当有临界风速的作用下，当火源位于30 m时，有部分烟气沿着支隧道蔓延，此时支隧道的温度较高，能见度较低，隔热和隔烟效果不理想;当火源位于0 m時，在自然风作用下烟气沿主隧道外壁蔓延，只有小部分烟气在燃烧后期进入支隧道，防烟和隔热效果较理想。

参考文献：

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[2]吴振坤，张和平，盛业华，等.地铁车站敞开楼梯口空气幕挡烟效果测试[J].消防科学与技术，2013（3）：257-260.

[3]陈 涛，梅秀娟，张文良.地下建筑中空气幕流量的计算[J].消防技术与产品信息，2004（2）：3-4.

[4]段博文.空气幕与机械排烟对隧道火灾烟气扩散及疏散的影响研究[D].上海：东华大学，2018.

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