隧道侧向集中排烟系统排烟阀设置间距选择★

于晓波

(中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600)

1 概述

随着近些年来国民经济的迅速发展，我国的城市化进度进一步加快，交通压力也持续增加，我国公路、水下隧道逐步向超长，多车道的趋势发展。随着隧道的数量以及长度的日益增加，车辆载重、交通密度也伴随着与日俱增，隧道内的火灾危险性也逐步呈现上升的趋势[1-2]。而当火灾发生的过程中，烟气是非常重要的危害因素之一。鉴于隧道工程其结构的特殊性，当火灾发生的时候，很难有条件进行自然排烟，因此将产生大量的高温有毒烟气，这将对隧道内的人员、结构等产生严重的威胁，同时还会影响隧道内部的气流，造成气流紊乱，烟气还将降低隧道内部的能见度，进而影响人员的撤离，且对救援工作产生极大的妨碍[3-5]。因此，如何有效地控制烟气是隧道火灾防控的重要课题之一，也是隧道内消防控制系统设计的重要工作环节[6-7]。

侧向集中排烟系统采用了烟气分离的排放原理，这种排烟方式近些年来被越来越多的科研、设计人员所关注[8-10]。例如：2012年，潘一平等通过采用数值模拟计算的方法，分析排烟阀的设置间距在集中排烟模式中对于排烟效率的影响。2016年，姜学鹏等[11]通过建立1∶20的缩比例模型，采用集中排烟系统设计方案进行试验，分别对3 m和5 m两种排烟口的设置间距进行试验研究，该试验结果表明，在此缩尺模型中，两种排烟口设置间距均能满足隧道火灾工况时的安全排烟需要，排烟效果的差异较小。

针对隧道侧向集中排烟系统如何合理设计排烟阀设置间距的问题，本文以苏震桃太湖隧道为例，分析其排烟系统工程实际，利用FDS模拟软件建立排烟系统工况的隧道数值模型，并通过定量分析隧道内2 m高度处50 MW火灾规模下的温度场、能见度、CO浓度、烟气蔓延范围，以及排烟道内的流速场，排烟阀的流速场、排烟阀的温度场、排烟效率等排烟效果指标，分析当采用不同的排烟阀间距时，对于隧道内排烟效果的影响规律，进而确定合理的排烟阀设置间距，为后续同类隧道采用集中排烟系统时的排烟阀间距的设计提供参考和理论依据[12-15]。

2 数值模型

2.1 模型设置及网格划分

本文采用FDS数值模拟软件进行分析模拟研究，FDS(Fire Dynamics Simulator)是由美国国家技术标准局(NIST)开发的一种基于场模拟的火灾模拟计算软件[16]，目前在消防工程领域被广泛使用。该软件可用于模拟火灾工况时温度场、流场变化、烟气蔓延流动特性等的模拟分析研究[17-18]，FDS软件利用大涡模拟(LES)来解决雷诺应力方程[19]。

本文以苏震桃太湖隧道为模型，利用FDS建立数值模型，模型中的环境温度设置为20 ℃，压强设置为101 kPa，模拟时长按600 s执行。模拟计算时选取隧道内中部一段空间，该空间长1 000 m，宽17 m，高8 m；对应的排烟道长1 000 m，宽5 m，高3 m；排烟阀长4 m、宽2 m(面积8 m2)，且排烟阀的长边与隧道的纵向水平；火源点设置在所选隧道的中心位置，火源的面积按10 m2考虑，按50 MW/m2热释放速率考虑，火灾增长方式按1 s达到稳定进行模拟。流速测点、热电偶等设置在隧道顶棚下0.5 m的地方，并在隧道内的纵向按间隔10 m进行设置；同理，在排烟道的中心位置设置流速测点及热电偶，间隔同样按沿排烟道纵向方向10 m设置。本文以火源点为中心，在距火源40 m处设置1列热电偶树。隧道剖面图见图1。

在FDS的数值模拟过程中，网格的分辨率越高，模拟精度也越高，对于火灾模拟，火源区域内对网格密度最为敏感，因此提高火源区域的网格密度，可以有效保证计算结果的精确程度[20-21]，因此，本文采用局部加密火源区域网格的方式进行数值模拟研究，该方法可以有效控制计算时间，并能提高计算精度。本文重点研究火源2 m高度处，火源点前后150 m,180 m,210 m处的关键参数，因此在网格划分时，对此区域进行网格加密以提高结果的精准程度。

2.2 工程设置

本文模拟分析50 m,60 m,70 m三种不同排烟阀间距时的火灾烟气蔓延规律及烟气控制效果，以确定合理的排烟阀间距。具体模拟工况火灾荷载、排烟量、排烟阀间距、排烟阀面积、开启组数、火源位置等详如表1所示。

表1 排烟阀间距研究工况设置情况一览表

3 模拟结果与分析

3.1 隧道内温度分布规律

E01～E03工况温度分布规律如图2～图4所示。

当50 MW火源功率时，隧道内2 m高度处的温度变化曲线图可以得出，侧向排烟系统模式下，在距地面2 m高处的温度分布规律相同。在所选三种工况情况下，最高温度值均位于火源正上方的2 m高度处。

由以上各工况2 m高度处的温度分布规律曲线图可知，隧道内纵向距地面2 m高度处的气体高温区域均紧靠火源处分布，且在沿纵向两侧距火源10 m范围外迅速降低，表明侧向排烟系统模式下，隧道空间的烟气分层效果较好，且烟气能够在一定范围内通过排烟口进入排烟道。

对比E01，E02，E03三种工况可知，不同排烟阀间距下2 m高度处的温度分布影响波动范围均在100 ℃范围内，但均未超过800 ℃。

3.2 能见度分布规律

E01～E03三种工况能见度分布规律见图5～图7。

当50 MW火源功率时，隧道2 m高度处的能见度变化曲线图可以得出，侧向排烟系统模式下，在距地面2 m高度处能见度分布规律相同。对比E01，E02，E03三种工况可知，火源附近5 m范围内的能见度较低，均低于10 m。

对比E01，E02，E03三种工况可知，2 m高度处的能见度分布规律曲线图可知，隧道内纵向距地面2 m高度处的能见度发生突变的区域位于排烟口开启范围内，且在排烟口附近由于烟气经由排烟口进入排烟道内，能见度有所提高，表明侧向排烟系统模式下可有效的排除烟气。

3.3 烟气蔓延范围分析

通过对50 MW火源功率时的工况进行数值模拟，可得各工况条件下烟气稳定后，隧道内的火灾烟气向火源两侧蔓延距离(以某处温度达到60 ℃为判据)，见表2。

表2 不同工况烟气蔓延数值

根据表2可知，在50 MW火源功率时，侧向排烟系统模式下顶板下方温度分布规律相同，且最高温度均小于900 ℃，满足设计要求，因此不会对隧道结构产生破坏，在所有工况中，烟气蔓延范围均超过排烟口的开启范围(240 m,300 m,420 m)；同时可知，在50 MW火源功率时，侧向排烟系统模式下，火源下游的烟气蔓延范围基本等于上游，这是由于隧道内没有设置纵向通风系统导致的。同时，在相同排烟口设置条件下，随着排烟口开启间距的变化，E01工况的烟气蔓延范围最小。排烟口流速及温度分布见图8，图9。

3.4 排烟阀流速分布规律

根据图8可知，当50 MW火源功率时，侧向排烟系统模式下，排烟口的流速主要由排烟口对称开启时排烟口的流速基本成对称分布，靠近火源处的排烟口处会由于热浮力的效应比较明显，造成烟气流动剧烈，浮力效应会随着离火源的距离增大而有所减弱，流动会减慢，进而使得火源附近的排烟口流速比周边的流速值要大。同时当50 MW火源功率时，由于测点均布置在排烟口的中心处，因此最大流速均略大于标准值，综合考虑所有影响因素，在所有工况下的排烟口内气体流速均值小于10 m/s，符合规范要求。

3.5 排烟阀温度分布规律

根据图9可知，当50 MW火源功率时，侧向排烟系统模式下，火源附近的排烟口受烟流的影响较大，温度较高，向两侧排烟口处的温度逐渐降低。同时，由图可知，各排烟口处的温度均在200 ℃以下，符合排烟口设计的耐温范围，因此排烟口在这样的温度范围内可连续正常工作。

3.6 排烟效率分析

排烟阀排烟效率分析见表3。

表3 排烟阀排烟效率分析

从表3中可以得出，对比三种工况可知，在侧向排烟模式下，随着开启的排烟阀间距变化，E02工况的排烟效率最低，E01工况的排烟效率最高，可达76.66%。

3.7 经济性分析

不同排烟阀间距经济性分析见表4。

表4 不同排烟阀间距经济性分析

从表4中可以得出，对比三种工况可知，在侧向排烟模式，隧道长度2 km情况下，随着排烟阀间距变化，距离越小时，风阀数量越多，投资越高，与60 m间距工况对比，每千米风阀投资差值约10万元，与隧道整体投资数亿元每公里相比，风阀数量增减对于整体经济性影响极小。

4 结语

通过上述模拟分析可知，由于综合烟气控制效果与经济效益等方面进行综合考虑，在50 MW火灾工可条件下，建议选择50 m的排烟口设置间距，可达到很好的烟气控制效果以及排烟效率，且此时温度、能见度均未达到临界危险值，利于人员疏散安全。