纵向风条件下竖井横截面积对排烟效果的影响

陈 健 许秦坤 董智玮 肖 静

(西南科技大学环境与资源学院 四川绵阳 621010)

随着城市化进程的不断加快，人口数量、交通压力、土地资源之间矛盾越发尖锐。隧道交通的发展成为缓解这一矛盾的重要选择，在世界各国大量涌现。城市地下公路隧道以及地铁隧道，极大地缓解了城市的交通压力。但是，人民在享受隧道交通给生活带来极大便利的同时，隧道中存在的火灾隐患、火灾事故也给隧道消防与救援工作带来挑战。据统计结果表明，不完全燃烧所产生的高温有毒烟气[1]是造成人员伤亡的主要因素。因此，研究地下隧道有毒烟气控制与排出具有重要的现实意义。

在工程设计中，机械排烟和自然排烟是隧道内最主要的两种通风排烟方式[2]。竖井自然排烟作为一种新兴的排烟方式正被应用到深层暗埋隧道以及城市浅埋隧道。这种排烟方式主要通过竖井产生的烟囱效应将烟气排出，该排烟模式具有经济、环保、实用等特点[3]。目前，国内外已经有不少城市将竖井排烟应用到城市浅埋隧道中，并进行了相关实验，证明了该方式排烟的有效性和可行性。Yoon等[4]对竖井自然通风压力进行了分析，发现其与机械通风压力比值可达29.26%，远高于无竖井时自然开口排烟压力，为证明竖井排烟有效性提供了实验依据。Huang等[5]运用FLUENT模拟研究了地铁隧道竖井布置方式与竖井尺寸对排烟效果的影响。Ji[6]研究隧道竖井自然排烟时发生的边界层分离和烟气吸穿现象，提出了相应的判定模型。Zhong[7]分析了隧道内纵向风对竖井自然排烟的影响规律。韩见云[8]通过开展小尺寸实验对火源功率以及竖井横截面积对自然排烟规律展开研究。目前，在纵向风下竖井横截面积对隧道排烟的影响尚未有相关研究成果，鉴于此，笔者利用目前较成熟的CFD数值模拟技术，采用FDS(Fire Dynamics Simulator)[9]软件进行全尺寸模拟。在公路隧道中设置不同横截面积的竖井，分析在纵向风条件下，竖井下方温度、隧道CO浓度以及竖井出口处烟气速度等参数的变化，研究竖井尺寸和纵向风速对排烟效果的影响，以期对隧道自然排烟的设计和火灾救援工作提供指导。

1 数值模拟

1.1 基本守恒方程

FDS以Navier-Stokes方程为基础，包含了质量、动量以及能量的守恒[9]。

质量守恒方程：

(1)

动量守恒方程：

(2)

能量守恒方程：

(3)

式中：h为比焓，J/kg；K为导热系数，W/(m·K)。

理想气体状态方程：

(4)

式中：R为理想气体常数；T为理想气体热力学温度;M为理想气体的平均摩尔质量。

1.2 火灾场景设计

建立的水平隧道模型尺寸长为100 m，宽为10 m，高为5 m，竖井高度为5 m，竖井横截面积从1 m×1 m 增加到3 m×3 m。水平隧道模型见图1。

图1 竖井隧道模型Fig.1 Model of shaft tunnel

(1)网格条件：数值模拟中，网格尺寸大小对实验精度影响很大。根据国内外学者的研究经验以及数值模拟实验数据，本文竖井位置附近网格为0.1 m×0.1 m×0.1 m，其余位置网格采用0.2 m×0.2 m×0.2 m。

(2)边界条件设置：边界条件材料属性为混凝土并且处于绝热状态。环境温度为20 ℃，气压为101 325 Pa，隧道各位置开口处相对压力为0 Pa。

(3)火源点设置：设置汽车模型尺寸为5 m×2 m×1.2 m，火源功率为5 MW，位于隧道(x1,x2,y1,y2,z1,z2)=(45，50，2，4，0，1.2)处。

(4)纵向风设置：南京工业大学曾在原型隧道进行了一系列火灾实验，测得隧道内部自然风速为0.4 m/s到1.4 m/s[10]，本文选取风速为0，0.5，1，1.5，2 m/s。

(5)测点设置：在火源下游20 m(竖井上游5 m)处布置一个烟气层厚度测点，一串温度测点和一串CO测点。在竖井开口界面处设置9个CO测点、6个速度测点。竖井正下方设置一串温度测点。隧道右端出口处设置一串质量流量测点，用来与无排烟时对比。

模拟实验工况如表1所示，工况1-5是指截面相同不同纵向风速，其余以此类推。

表1 实验工况汇总Table 1 Experimental condition summary

通过隧道内烟气层高测点的输出结果稳定段数值可以求得不同横截面积竖井隧道内烟气层厚度。图2给出了火源功率为5 MW，横截面积为2 m×2 m时，竖井上游5 m处烟气层厚度随时间变化情况。从图中可以看出30 s以后烟气层高度基本维持在3.6 m左右，变化幅度不大，说明此时隧道内烟气流动达到了比较稳定的状态，故可取70～90 s为稳定段。下文出现的烟气各参数(温度、CO浓度等)都为在此稳定段内的平均值。

图2 烟气层稳定段选取Fig.2 Selection of flue gas stability section

2 结果与分析

隧道发生火灾后，燃烧产生的烟气向上运动，形成隧道内受限空间烟气羽流，当羽流受到隧道顶棚阻挡后，便沿着顶棚下方四面扩散开来。之后，羽流再受到隧道两侧壁面的阻挡，烟气在侧壁的作用下由二维的径向转向为一维的水平流动。当烟气运动到竖井所在区域时，烟气在隧道顶部设置的竖井中形成的烟囱效应进行排烟。烟囱效应为发生火灾时,火场温度升高,空气膨胀,体积增大,密度减小,环境的冷空气与火场排烟通道上的热空气产生较大的密度差,热烟气向上运动。温差越大，烟囱效应越明显。

2.1 烟气层吸穿

烟气排出受竖向惯性力(烟囱效应)与水平惯性力(火源功率、风速)的影响。在烟气通过竖井时，烟气通过竖井排出，同时也会卷吸烟气层下方空气。当竖向惯性力增大(烟囱效应增强)时，排烟口下方烟气层则会向竖井凹陷，竖向惯性力继续增强时，排烟口下方烟气层厚度变为0，大量的冷空气被吸入竖井，即发生了烟气吸穿现象。

不同风速下竖井下方温度分布如图3所示，其中纵坐标表示竖井下方测点温升。在一定的纵向风速下，随着竖井尺寸增大，隧道内相对烟气层厚度变小，使处于烟气层内测点温升下降到0 ℃左右，然后保持稳定，说明了竖井下方没有烟气，烟气层厚度为0，发生了烟气层吸穿。随着纵向风速的增大(0～2 m/s)，烟气层吸穿的竖井尺寸从1.5 m×1.5 m增大为2 m×2 m，接着继续增大到2.5 m×2.5 m。

根据图3中烟气层温升随竖井尺寸的变化情况，可以将温升曲线大致分为两个区域，即吸穿区和未吸穿区。在一定的纵向风速下，当竖井尺寸较小时，竖井的排烟作用较小，竖井下方保持着稳定的烟气热分层[11-12]。随着竖井尺寸的增大，排烟作用增强，竖井下方烟气层越来越薄，当竖井达到一定尺寸的时候，烟囱效应达到了一个临界状态，即竖井下烟气层最低点到达竖井时，发生烟气层吸穿。但随着纵向风速的增大，烟气层发生吸穿时的竖井尺寸增大，考虑到隧道内部自然风速为0.4 m/s到1.4 m/s[10]，建议隧道竖井尺寸不超过2.5 m×2.5 m，更有利于烟气的排出。基于以上情况的分析，结合数值模拟中记录的可视化图形，将竖井下方烟气层吸穿汇总于表2。

2.2 边界层分离

在竖井自然排烟中，烟气由于在较强的水平惯性力作用下流经竖井时会立刻与竖井左侧发生壁面分离，以竖井与隧道顶棚链接处为分离点向下运动[13]。本文以竖井出口处上下游烟气流速来研究边界层分离，即排烟口上下游速度大小的比较。上游速度大于或等于下游速度，则说明边界层分离不突出，上游速度小于下游速度，则说明边界层分离突出。不同纵向风下竖井出口处横截面上下游速度如图4所示。

图3 不同纵向风竖井正下方温升Fig.3 The temperature rises directly below the vertical wind shaft

纵向风风速/m·s-1竖井尺寸1 m×1 m1.5 m×1.5 m2 m×2 m2.5 m×2.5 m3 m×3 m0NYYYY0.5NNYYY1NNYYY1.5NNNYY2NNNYY

注：Y代表吸穿，N代表未吸穿。

随着竖井尺寸的增大，竖井出口横截面速度呈下降趋势，竖井出口处的烟气流速逐渐减小，这是由于竖井尺寸的增大，竖向惯性力减弱，致使烟气排出速度有减小的趋势。当无纵向风的情况时，竖井顶部截面速度随着竖井尺寸的增大逐渐减小，当竖井尺寸达到2.5 m×2.5 m时，上下游速度趋于稳定。说明了此时排烟较为稳定。当通入0.5 m/s纵向风时，竖井截面速度随着竖井尺寸增大先增大后逐渐减小，最后趋于稳定，但竖井截面速度比无纵向风时要大。当通入1 m/s和1.5 m/s纵向风时，无论竖井尺寸大小，竖井截面上下游速度始终保持着较大差异，这说明了在纵向风影响下竖井内烟气水平惯性力增大，致使边界层分离现象增大。在数值模拟实验中，发现当隧道内火源功率为5 MW汽车着火时，烟气的临界风速介于1.5～2 m/s之间。当纵向通风为2 m/s时，隧道内烟气只向竖井一侧流动，致使竖井侧烟气流量增大，烟气量增大致使更多烟气进入竖井，烟气边界层分离作用减小，故发生了随着竖井尺寸的增大，竖井截面上下游速度相等的情况。此外，纵向风速较大(v≥1.5 m/s)，竖井尺寸较小(1 m×1 m)，烟气边界层分离不突出，纵向风速小(v≤0.5 m/s)，竖井尺寸大(2.5 m×2.5 m，3 m×3 m)，烟气边界层分离不突出。其余工况边界层分离较为突出。

图4 不同纵向风下竖井上端开口界面处速度分布Fig.4 Velocity distribution at the top opening interface of vertical shaft under different longitudinal wind conditions

2.3 纵向通风对排烟的影响

图5给出了不同风速和不同竖井尺寸排烟效率图。图中纵坐标排烟效率由公式(5)[14]所得，其中竖井顶部CO浓度(COshaft)由9个CO测点平均值所得，隧道内CO浓度(COtunnel)为火源下游20 m(竖井上游5 m)处一串CO测点平均值所得。从图中可以看出，纵向风速v=0，0.5，1，2 m/s，随着竖井尺寸的增大，竖井的排烟效率先下降再升高，后又下降，而纵向风速v=1.5 m/s例外。随着竖井尺寸的增大，纵向风速较大(v≥1.5 m/s)更能促进烟气的排出效率，较小风速(v≤1 m/s)排烟效率差别较小。同时，考虑到工程实际，若隧道竖井较小，纵向通风1.5 m/s为佳，若隧道竖井尺寸大，纵向风速建议加大，更能促进烟气的排出。

(5)

图5 不同纵向风下竖井排烟效率Fig.5 Smoke extraction efficiency of vertical shaft under different longitudinal wind conditions

3 结论

通过对隧道内采用竖井排烟烟气的运动状态研究，得到了不同纵向风速下竖井横截尺寸排烟的有关规律。结果表明：(1)隧道内发生烟气层吸穿时，不利于烟气的排出。随着纵向风速的增大，烟气层发生吸穿时的竖井尺寸增大，考虑到隧道内部自然风速为0.4 m/s到1.4 m/s[10]，建议隧道竖井尺寸不超过2.5 m×2.5 m，更有利于烟气的排出。(2)烟气运动到竖井时，边界层分离也不利于烟气的排出。纵向风速较大(v≥1.5 m/s)，竖井尺寸较小(1 m×1 m)，烟气边界层分离不突出，纵向风速小(v≤0.5 m/s)，竖井尺寸大(2.5 m×2.5 m，3 m×3 m)，烟气边界层分离不突出。(3)考虑到工程实际，若隧道竖井较小，纵向通风1.5 m/s为佳，若隧道竖井尺寸大，纵向风速建议加大，更能促进烟气排出。