隧道侧向排烟口尺寸对排烟效果的影响研究*

梁园 许蔚昆

(1.中铁第五勘察设计院集团有限公司 北京 102600； 2.中南大学土木工程学院 长沙 410075)

0 引言

随着隧道交通需求量的提升与隧道施工技术的不断发展，国内出现了许多大跨径隧道，隧道内车道也由双车道变为三车道、四车道、五车道甚至六车道[1-3]。隧道横向跨径的增大使施工难度提升的同时，给隧道内排烟系统也带来了新的考验。若火灾时隧道内排烟系统无法有效控制烟气和热量的扩散，隧道内的烟气将对人们生命财产安全造成巨大威胁。因此在大跨径隧道内设置有效的排烟系统是非常必要的。

对于港珠澳海底隧道等无法采用顶部集中排烟的水下隧道，侧向集中排烟成为了其解决排烟问题的有效方法。该方法的排烟效果及其影响因素也引起了学者的广泛关注。张梅红等[4]针对某扁平商业空间，采用数值模拟方法研究了排烟口朝向对排烟效果的影响，结果表明相同排烟道条件下，排烟口侧向排烟效果优于排烟口朝下时排烟效果。陈娟娟等[5]针对某越江双层隧道采用数值模拟方法研究了排烟口面积、排烟口开启数量及排烟口间距对火灾初期侧向集中排烟效果的影响。许少刚[6]采用全尺寸实验平台研究了排烟速率、排烟口尺寸和排烟口宽高比对地下建筑火灾中侧向机械排烟效果的影响，结果表明侧向机械排烟速率越大，排烟口与顶棚距离越小，排烟口宽高比越小，整体排烟效果就越好。HU L H等[7]对某公路隧道进行了全尺寸试验以及数值模拟，研究表明隧道内顶棚下方烟气的纵向温度衰减随隧道宽度的增大而增大。

前人研究中很少考虑大跨径隧道中隧道宽度与排烟口宽高比对隧道排烟效果的影响。由于烟气的沉降作用，隧道横向跨径的增大将导致隧道顶棚下方烟气温度下降从而使得烟气更难通过排烟口排出。同时由于排烟口宽高比发生变化将导致烟气在排烟口处的流动特性发生明显改变，若排烟口宽高比设置不合理，也将影响烟气进入排烟口的有效性，从而降低排烟效率。因此对大跨径隧道中隧道宽度、排烟口宽高比与排烟效率间影响进行研究是非常必要的。

本文采用火灾动力学求解器(Fire Dynamics Simulator，FDS)软件，通过大涡模拟的方法研究了大跨径隧道在进行侧向集中排烟时排烟口温度分布；并通过改变隧道宽度与排烟口宽高比，定量比较了隧道宽度与排烟口宽高比对大跨径隧道侧向排烟效果的影响。

1 数值模拟

1.1 模型设置

FDS是美国国家标准研究所开发的，用于模拟火灾中流体运动的计算流体力学开源软件。因其能够较好地模拟低马赫数(小于0.3马赫)、热驱动流体的热量运输，因此常被用于研究隧道火灾。本文利用FDS软件进行全尺寸数值模拟试验，建立了长度为200 m，宽度分别为10 m、15 m、20 m及25 m，高度为7 m的隧道模型。侧向排烟口距隧道左端80 m。隧道模型如图1所示。

图1 隧道模型

火源位于中间车道，距隧道左端50 m。设置火源热释放速率为12MW，燃烧类型为稳态火。同时环境参数的温度为20 ℃，压力为101 kPa。隧道两端设置“OPEN”边界，环境温度为20 ℃。由于隧道的半封闭性特点，设置隧道壁面为绝热面。本次数值模拟持续时间为200 s，并在稳定阶段取每个测量变量的平均值进行分析。

1.2 排烟效率计算

本文采用排烟口排出气体中烟气的比例来量化排烟口的排烟效果，由于排烟口排出气体中烟气的比例难以直接测定，因此通过测定单位质量排出气体所含热量与单位质量纯烟气所含热量之比来测定排烟口排出气体中烟气的比例。由于热烟气的温升远高于环境空气的温升，因此排烟口排出气体所带走的热量几乎全部是热烟的热量，可以表示为:

(1)

因此排出气体中烟气的比例可以表示为:

(2)

如图2所示，使用热流量测点和质量流量测点来监测单位质量纯烟气所携带热量(qs)和单位质量排烟质量流量携带热量(qes)。通过设置在烟气层内部的0.5m2(0.25 m×2 m)的热流量测点和质量流量测点来测量单位质量纯烟气所携带热量(qs)。当在隧道内设置排烟口时，通过设置在排烟口入口处的热流量测点和质量流量测点来测量单位质量排烟质量流量携带热量(qes)。

图2 隧道烟气蔓延示意

1.3 计算工况

火源位于隧道中部，热放速率为12 MW。排烟口宽高比分别为1/6、1.5/4、2/3、3/2、4/1.5和6/1。隧道宽度为10、15、20、25 m。共24组工况，具体见表1。

表1 工况设计

1.4 网格划分

在FDS中，网格尺寸的选择是影响模拟结果的准确性与客观性的关键参数之一。对于网格的大小的确定，主要使用被广泛应用的D*/δx为标准，用以估计网格的精度。其中D*为特征长度，δx为网格尺寸，NIST进行的一系列比较试验发现，当网格大小在D*/16和D*/4之间时，模拟结果与试验结果吻合良好。计算D*的具体公式如下：

(3)

式中,Q为模拟火源热释放速率，kW;ρ∞为环境空气密度，kg/m3；cp为环境空气比热容，kJ/(kg·K)；T∞为环境温度，K；g为重力加速度，m/s2，取值9.8 m/s2。

当火源热释放速率为12 MW时，此时计算出的建议网格尺寸范围为0.16～0.64 m。为验证网格精度，从0.16～0.64 m的范围内选择了5个网格尺寸(0.167 m，0.200 m，0.250 m，0.333 m和0.500 m)进行网格独立性分析。

图3显示了采用不同网格尺寸时距火源15 m位置的垂直温度曲线。随着网格尺寸的减小，垂直温度曲线趋于均匀。当网格尺寸位于0.167～0.250 m时，温度分布曲线之间只有很小的差异。若选择0.167 m作为网格尺寸，将占用大量计算资源，消耗较多计算时间。因此，选择尺寸为0.250 m的网格来模拟本次试验中的隧道火灾，在节省计算时间的同时获得良好的模拟效果。

图3 不同网格尺寸模拟结果

2 结果分析

2.1 排烟口宽高比对排烟效率影响

由于烟气在蔓延过程中主要受到浮力和纵向惯性力作用的影响，面积相同的排烟口，当排烟口宽高比不同时，排烟效果也会存在很大差异。文中以排烟口宽高比分别为1/6，1.5/4，2/3，3/2，4/1.5及6/1工况为例，介绍排烟口宽高比对排烟口排烟效率的影响。

以20 m的隧道宽度为例，如图4所示，研究不同排烟口宽高比条件下排烟口所在界面上的温度分布云图，可以看出在排烟口面积不变的情况下，随着排烟口宽高比的增大，排烟口内高温烟气区域(温度大于60 ℃)的面积不断增大，从而在排出气体流量不变的情况下，排出更多的高温有毒烟气，提高了侧向排烟系统的排烟效率。同时在同一排烟口内左侧高温烟气区域面积小于排烟口右侧高温烟气区域，且面积差异随排烟口宽高比的增大逐渐减小，当排烟口宽高比为6/1时，排烟口内温度分布基本呈水平对称分布。

(a)排烟口宽高比为1/6

图5为在不同隧道宽度条件下，隧道排烟口排出气体中烟气比例与排烟口宽高比的关系图。由图可以看出，随着排烟口宽高比的增大，排烟口排出气体中烟气比例不断增大，从而排烟效率逐渐提升。排出气体中烟气比例最小值为0.160 78，此时排烟口宽高比为1/6，隧道宽度为15 m。当隧道宽度为25 m，排烟口宽高比为6/1时，排烟口排出气体中烟气比例达到最大值0.491 02。这是因为在浮力作用下，高温烟气聚集在隧道顶棚位置处，因此在排烟口顶部与隧道顶棚距离和排烟口面积不变的情况下，排烟口高度越小，排烟口可以越有效的浸没在烟气层内，从而提高排烟效率。同时，在排烟口顶部与隧道顶棚距离和排烟口面积不变的情况下，排烟口宽度越大，烟气在排烟口内有更长的蔓延距离，从而在纵向惯性力的作用下，更有效地进入排烟口内。

图5 排烟口排出烟气比例与排烟口尺寸关系

2.2 隧道宽度条件对排烟效率影响

由于烟气的沉降作用，大跨径隧道横向跨径的增大将导致隧道顶棚下方烟气温度下降从而使得烟气更难通过排烟口排出，导致排烟效率的降低。文中以隧道宽度分别为10 m、15 m、20 m、25 m工况为例，介绍隧道宽度对排烟口排烟效率的影响。

以排烟口宽高比为4/1.5为例，如图6所示，研究随着隧道宽度变化排烟口所在界面上的温度分布云。可以看出，随着隧道宽度的增大，排烟口处烟气温度与烟气层厚度不断降低。同时在同一排烟口宽高比条件下，随着隧道宽度的增大，排烟口横截面处的温度分布云图的对称性没有明显变化。由此可见隧道宽度对侧向排烟口排出气体中烟气分布影响有限。

(a)隧道宽度为10 m

图7为不同排烟口宽高比条件下，隧道排烟口排出气体中烟气比例与隧道宽度的关系图，可以看出随着隧道宽度的增大，排烟口排出气体中烟气比例变化不大，特别是当排烟口宽高比较小(小于2/3)时，排烟口排出气体中烟气比例基本不随隧道宽度的变化而变化。这也验证了隧道宽度对侧向排烟口排出气体中烟气比例影响有限的论点。当排烟口宽高比不小于2/3时，排烟口排出气体中烟气比例随隧道宽度的增加先增大后减小，当排烟口宽高比为6/1，隧道宽度为20 m时，排烟口排出烟气所占比例达到最大值为0.491 02。当排烟口宽高比为1/6，隧道宽度为15 m时，排烟口排出烟气所占比例达到最小值0.160 78。随着隧道宽度的变化，排烟效果优劣的顺序依次为：20 m、10 m、25 m、15 m。

图7 排烟口排出烟气比例与隧道宽度关系图

3 结论

本文运用火灾动力学求解器FDS软件建立模型，研究隧道侧向集中排烟时排烟口温度参数的分布以及排烟口排烟效率，讨论隧道宽度以及排烟口宽高比对大跨径隧道火灾侧向排烟系统排烟效率的影响，结果表明：

(1)随着排烟口宽高比的增大，排烟口内烟气温度水平分布对称性逐渐显著。当排烟口宽高比较小(小于2/3)时，排烟口内部烟气水平分布对称性较差，当排烟口宽高比为6/1时，排烟口内温度基本呈水平对称分布。

(2)随着排烟口宽高比的增大，排烟口内高温烟气区域的面积与排烟口排出气体中烟气的比例不断增大，排烟效率逐渐增加。

(3)随着隧道宽度的增大，排烟口处烟气温度与烟气层厚度不断降低。

(4)当排烟口宽高比小于2/3时，排烟口排出气体中烟气比例基本不随隧道宽度的变化而变化。当排烟口宽高比不小于2/3时，排烟口排出气体中烟气比例随隧道宽度的增加先增大后减小，排烟效果优劣的顺序依次为：20 m、10 m、25 m、15 m。

(5)为提升排烟系统排烟效率，实际工程应用中排烟口宽高比应尽量大于2/3。