同濟大學 霍鏡濤 張旭 常樂 李世峰 趙文萱

       【摘  要】根據Kennedy計算公式對采用分段縱向排煙方案的某隧道進行臨界風速的計算，并用建筑火災模擬軟件Pyrosim進行建模，分析隧道在發生火災時，不同縱向風速對溫度場分布情況、煙氣逆流情況、可視度和排煙口捕集率的影響，得出當隧道發生火災時，隧道內縱向風速取臨界風速值是合理的。

Abstract: According to the Kennedy calculation formula, the critical wind speed of a tunnel adopting the subsection longitudinal smoke extraction scheme is calculated and modeled by the building fire simulation software Pyrosim. The analysis of the influence of the distribution of the temperature field, reverse smoke flow, visibility and trapping rate of the smoke exhaust outlets in the case of fire in the tunnel shows that when a fire occurs in the tunnel, it is reasonable to take the critical wind speed value for the longitudinal wind speed in the tunnel.

       【關鍵詞】隧道火災，數值模擬，臨界風速，縱向

0 引言

       進入 21世紀以來，我國公路隧道的建設如火如荼，至2015年底，已有公路隧道14 006 座，總長12 683.9 km^[1]。而且隧道結構和設施復雜、出入口少、疏散路線長、通風照明條件差，加之在封閉空間內排煙和散熱條件差，隧道內一旦發生火災，其危害性極為嚴重。隧道在發生火災時，縱向風速的大小對隧道排煙效果影響十分顯著。本文以實際隧道工程為依托，對不同縱向風速下隧道排煙效果進行模擬，比較其在不同縱向風速下排煙效果的差異，得出最合理的縱向風速。

1 臨界風速的計算

       由于隧道狹長型空間結構的獨特性，隧道內一旦發生火災，如果不加以控制，造成的后果將不可估量。1968年Thomas^[2]對臨界風速的提出，臨界風速成為在隧道縱向排煙中一個不可忽視的因素。隧道臨界風速指當隧道內發生火災時，能保證煙霧不發生逆流的最小通風速度^[3]。

       1976年，Thomas^[2]首次提出臨界風速的概念，并給出臨界風速與火源功率三分之一次方的關系。后來，Kennedy等^[4]考慮了隧道坡度的影響，進一步提出如下的臨界風速計算公式。

       其中：Q為火源熱釋放率，kW；Cp在空氣在環境中的定壓比熱容，kJ/（kg·K）；Tf為隧道內平均煙氣溫度，K；A為隧道斷面面積，m²；ρ為環境溫度下隧道內空氣密度，kg/m³；H為隧道斷面高度，m；g為重力加速度，m/s²；Vc為隧道內縱向風速，m/s；H為隧道高度，m；Kg為坡度修正系數，當火災發生在水平或上坡塅時，Kg=1，當火災發生在下坡路段時，kg=1+0.0374θ0.8。

       從公式（1）、（2）中可以看出，在隧道結構已定的情況下，即隧道坡度和隧道斷面尺寸確定時，臨界風速主要由火災強度有關。

       某隧道橫截面尺寸為12m×6m，長約1700m，隧道內火災規模考慮一輛大貨車發生火災，火源熱釋放率取為50MW，由公式（1）、（2）計算得出，當隧道內發生50MW的火災時，隧道內臨界風速2.7m/s。

       為了得出隧道發生火災時，保證隧道縱向風速不小于2.7m/s是否合理，使用Pyrosim對隧道進行建模，分析比較隧道發生火災時，縱向風速分別為1.5m/s、2.7m/s及3.5m/s時，隧道內溫度場分布、煙氣逆流情況、可視度以及排煙口捕集率的差異，并得出最優的縱向風速。

2 數值模擬模型的建立

       對隧道進行建模，全長共1700 m，高為6m，沿行車方向可以分為坡度不同的四個隧道段，排煙口位于模型的尾部，且位于隧道一側最上方，排煙口設計大小為1.5 m×2.4 m，每組三個，組與組間距22.5 m，隧道模型見圖1。

圖1 隧道沉管段模型

       火災規模考慮一輛大貨車發生火災，火源熱釋放率取為50MW，火源位置距上游邊界70 m，火災車輛尺寸為2×1.5×4.0 m，火災發展模型取為t2火模型，火源車輛模型見圖2。煙道排煙量為200m³/s。

圖2 火源車輛模型

3 模擬工況與結果比較分析

       3.1 溫度場分布比較

       當隧道內發生火災時，高溫煙氣輻射會對人員造成極大的傷害，在公安部頒布的《建筑物性能化防火設計通則》中規定人體對煙氣層等火災環境的輻射熱的耐受極限為2.5kW/m2，即相當于上部煙氣層的溫度約為180℃~200℃。因此在發生火災時，隧道內溫度場的分布是判別縱向風速是否合理的一個重要依據。

       圖3為隧道火災發生700s后，縱向風速分別為1.5m/s、2.7m/s和3.5m/s時，火源下游近火源處溫度場分布情況。

       從圖3可以看出當縱向風速為1.5m/s時，由于風速較低，在火源車輛下游大量的煙氣與隧道內空氣進行摻混，沒有明顯形成熱煙氣集中于隧道上層，冷空氣集中在隧道下層的分層現象，導致整個隧道內溫度都比較高，不利于人員的逃生；而當縱向風速為2.7m/s和3.5m/s時，火源下游形成一定的分層現象，隧道下層空間溫度較低。同時，當縱向風速為1.5m/s時，由于縱向風速較低，煙氣不能被及時吹向下游，使得煙氣在火源處堆積，導致隧道上層溫度高，對人員輻射強度大；而隨著縱向風速的增加，有更多的煙氣能被吹向下游，隧道上層空間溫度降低。

圖3 火源下游溫度場分布

       3.2 煙氣逆流情況比較

       當隧道發生火災時，火焰會直接撞擊隧道頂部，形成火焰射流，火焰射流在撞擊隧道頂棚后會向四周擴散，向火源上游擴散部分便形成了煙氣逆流。控制煙氣逆流是火災煙氣控制中極為重要的一部分。當發生火災時，煙氣在隧道縱向風速的作用下會向下游擴散，火源下游人員沿著隧道行車方向逃生，而火源上游由于火源車輛形成交通堵塞，上游人員只能沿隧道逆行車方向逃生。如果火災煙氣發生逆流，則會嚴重影響上游人員的逃生，造成不必要的傷亡。

       圖4為隧道火災發生700s后，縱向風速分別為1.5m/s、2.7m/s和3.5m/s時，火源附近CO分布情況。

圖4 火源附近CO分布情況

       由圖4可以很明顯地看出，當縱向風速為1.5 m/s時，由于火災強度高，煙羽流的浮升力十分顯著，1.5 m/s的縱向風速并不能抑制住煙氣逆流，煙氣逆流現象十分明顯。而當縱向風速為2.7m/s和3.5m/s時，煙氣向火災上游逆流運動被有效地遏制，煙氣沿著行車方向向下游隧道擴散。

       3.3 火源下游可視度情況比較

       在發生火災時，可見度對人員逃生的影響也十分的重要，《建筑物性能化防火設計通則》中規定，在小空間發生火災時，可視度不應小于5m；大空間發生火災時，可視度不應小于10m。可視度小，必需安全疏散時間變長。

       圖5為隧道火災發生700s后，縱向風速分別為1.5m/s、2.7m/s和3.5m/s時，火源下游近火源處可視度情況。

       由圖5可以比較清楚地看出，當縱向風速為1.5m/s時，由于縱向風速較低，煙氣在火源后與下層空氣發生摻混，導致隧道下層空間的可視度低；而當縱向風速為2.7m/s時，由于縱向風速較高，在火源下游會有比較明顯的煙氣分層現象，高溫煙氣聚集在隧道的頂部，使得隧道下層空間煙氣濃度低，可視度較高；隨著縱向風速的進一步加大，火源下游煙氣分層現象更為明顯，隧道下層空間可視度進一步提高。

圖5 火源下游可視度情況

       3.4 排煙口捕集率比較

       當隧道采用分段縱向排煙方案時，排煙口對煙氣的捕集率大小影響著排煙口下游人員的逃生。捕集率小時，有較大部分煙氣會流向排煙口的下游，影響到排煙口下游人員的逃生。因此必須保證較大的排煙口捕集率。

       表1為縱向風速為1.5m/s、2.7m/s和3.5m/s時，排煙口捕集率的大小。

表1 不同縱向風速時的排煙口捕集率

       從表1可以看出當縱向風速小時，排煙口捕集率大，而隨著縱向風速的變大，排煙口的捕集率變小。產生這種現象的原因是由于在沉管段排煙口設置在隧道的側面，屬于側吸，縱向風速越大對其捕集煙氣的影響很大，當縱向風速變大時煙氣由于慣性力過大使得煙氣不易被排煙口捕集，導致捕集率變小。

4 結果對比與分析

       當隧道內發生火災時，縱向風速的大小會對隧道內溫度場分布、煙氣逆流情況、火源下游可見度和排煙口捕集率的大小產生影響。當縱向風速為1.5m/s時，火源下游溫度分層不明顯，下層空間溫度高，且煙氣會向上游逆流，火源下游煙氣與隧道內空氣發生摻混，分層現象不明顯，可視度低。當縱向風速不小于2.7m/s時，火源下游溫度分層比較明顯，下層空間溫度較低煙氣不發生逆流，而且火源下游煙氣分層，可視度較高。因此從溫度場分布、煙氣逆流情況以及可視度分析，可以得到當隧道內發生50MW的火災時，需要保證不低于2.7m/s的縱向風速，而且速度越高，效果越好。但從排煙口捕集率分析，縱向風速小時，排煙口捕集率高，隨著縱向風速的提高，捕集率下降，當縱向風速為3.5m/s時，捕集率只有60.3%，有近4成煙氣流向排煙口下游，會對下游人員逃生造成影響，因此縱向風速不能太大。綜上分析，當隧道發生火災時，保證隧道內縱向風速為臨界風速值2.7m/s是合理且十分必要的。

參考文獻

       [1]賴金星,周慧,程飛等.公路隧道火災事故統計分析及防災減災對策[J].隧道建設,2017,37(04):409-415.
       [2]Thomas P H. The movement of smoke in horizontal Passages against an air flow[Z], Fire Research Note, No.723, Fire Research Station, Watford, UK, 1968
       [3]周慶,倪天曉,彭錦志等.隧道火災煙氣回流與臨界風速模型試驗[J].消防科學與技術,2011,30(07):580-583.
       [4]Danzlger N H, Kennedy W D. Longitudinal ventilation analysis for the Glenwood canyon tunnels[C]. In: Proceedings of the 4th International Symposium Aerodynamics and Ventilation of Vehicle Tunnels. UK, 1982

       備注：本文收錄于第21屆暖通空調制冷學術年會論文集。版權歸論文作者所有，任何形式轉載請聯系作者。