北京工业大学建筑工程学院 徐晨亮 李炎锋 李嘉欣 董启伟 李云飞
摘 要：为了研究地下道路半横向排烟系统发生火灾工况时隧道两端补风量的变化规律，本文以某隧道为工程背景，对地下道路半横向排烟系统进行多尺度分析。对火源所在位置400m范围内以3D形式建模，其余以1D形式建模，界面数值采用数值传递与耦合。分析了烟气蔓延规律、能见度、瞬时补风量、平均补风量，并比较全隧道耦合模拟与设置开放边界条件的火灾局部隧道段FDS模拟的差异。结果表明，采用多尺度耦合计算的隧道半横向排烟工况两侧补风量的总和小于设定的工程标准推荐的排烟量值。同时发现全隧道动态耦合模拟在半横向排烟系统性能评估方面优势明显，在此基础上导出了一个设计排烟量的计算公式。与规范中推荐的烟气生成量相比，这个新的排烟量计算公式更具可操作性，能方便在设计时估算排烟系统的设计容量。
关键词：隧道火灾；半横向通风系统；多次度耦合分析；烟气流动；FDS
基金项目：北京工业大学建筑环境与能源应用重点实验室。
0 引言
半横向排烟系统在欧盟一些国家、我国的香港地区以及国内的一些水底盾构隧道中有较广泛的应用。独立排烟道是通过利用地下道路的拱顶富余空间设置顶隔板形成的。半横向排烟系统的设计目标是在火灾事故情况下，通风系统能及时、有效地控制烟气流动、排除烟气，减少烟气在隧道内影响的范围，为逗留在隧道内的乘用人员、消防人员提供一定的新风量，以利安全疏散和灭火扑救。
西南交通大学杨其新、王明年等[1-3]以秦岭终南山公路隧道为依托，就特长隧道内烟气的蔓延特性以及防灾救援策略进行了研究。长安大学的夏永旭等[4]也对长隧道内的通风进行了大量的研究。通过对比国内外的研究方法[5]，发现对于长度8000m的隧道，如果隧道整体均建立三维模型进行计算分析，计算速度较慢，用时太长，且在离火源较远位置的模拟分析意义不大。在1D流体网络分析和3D计算流体力学各自发展都相当成熟以后，就出现了将两者结合、优势互补的想法，用来解决从单一尺度难以突破的问题。
要确定半横向通风隧道危险区域的演变过程，目前国内还缺少合理的设计评估方法。本研究结合前人成熟的流体网络分析和CFD模拟的实践方法，初步实现了整个隧道区域的烟气控制效果多尺度分析。给出多尺度分析的实现方法，并应用于工程实例，为国内隧道通风系统设计与性能评估提供了一种新的分析方法。
1 工程概况
某隧道按双向六车道高速公路标准设计，采用双管盾构隧道。隧道上层顶部为专用排烟道，中部为三车道高速道路层，建筑限界为12.75m×5.2m。隧道设计速度为80km/h，远期2028年预测单向高峰小时交通流量3055pcu/h。车行道下部中间为轨道交通空间，车行方向左侧空间为安全疏散通道，右侧空间为电缆管廊，见图1。隧道工程全长8100m。
发生火灾时，利用洞顶的专用排烟风道，开启火灾区域附近120m范围内的3组排烟风阀，将烟气由排烟道、风机和风塔从行车道排离。此时，通风系统具有150~200m3/s的排烟能力，预计可有效控制烟气和热量扩散，为火灾点前后的车辆和司乘人员创造疏散条件。
图1 某隧道断面图
2 数值模拟方案
计算流体力学(CFD) 已经被广泛应用于模拟火灾中浮力诱导的流动。本文采用美国国家标准技术局(NIST) 开发的 CFD 软件FDS( Fire Dynamics Simulator) 来模拟相关隧道火灾工况，采用的版本为FDS 6。FDS 是用数值方法求解Navier- Stokes( N-S) 方程, 尤其适用于火灾下低马赫数由热力驱动的 流动。一系列试验对比也验证了FDS 进行火灾安全分析的有效性。
现行的隧道标准《公路隧道通风设计导则》[6]是根据车辆的类型来推荐火源的热释放率，从而选用烟气生成量。研究表明[7]，模拟时要注意火源高度的设置，同样的火源功率，火源高度设置较低，烟气生成率就要比规范推荐值大很多。而提高火源燃烧面的高度，是有事实基础的，对于热释放速率较大的情况，无论是真实火灾事故还是火灾烟气生成量测试，都是大型车辆燃烧，其燃烧面距地面有一定高度。[8-9]结合研究和规范值推荐值，以30MW，火源高度为4m作为下面半横向排烟系统模拟的火源设置。
2.1 多尺度耦合分析模型建立
如图2所示，使用FDS6建立了某隧道模型，假设火灾发生在隧道中部，火源所在位置400m范围内以3D形式建模，其余以1D形式建模，两端各长3850m。模型总长8100m，与实际隧道长度基本一致。
（a）3D区域+两端1D隧道耦合模拟
（b）3D区域示意图
图2 某隧道FDS6模型
参考该隧道工程通风系统设计参数，排烟量取180m3/s。考虑到按设计运行策略开启火灾区域附近120m范围内的3组排烟风阀，每个风口的风量达到15m/s，超过了规范中的推荐值，会导致严重的烟气层吸穿现象，因此对设计做了调整，将每个风口的面积加大一倍，设成2000mm（长）×4000 mm（宽），同时将运行策略调整为开启火灾区域附近180m范围内的4组排烟风阀，调整之后每个风口的风量为5.6m/s。火源设在两个排烟风口中间。
3D区域的网格划分为，包含火源和两个排烟口的80m范围内用0.25m×0.25m×0.25m的网格单元划分，其余两端各160m用0.5 m×0.5m×0.5m的网格单元划分。网格单元总数为829440，均分为12个子网格做并行计算。
1D隧道按断面尺寸设置，壁面粗糙度为0.02m，对应摩擦系数[10]。1D隧道一端与大气连通，另一端与3D区域最外侧网格单元耦合。
2.2 3D区域两端设置开放边界模拟结果
对于8100m长的隧道，在用FDS模拟半横向排烟时，通常会选取烟气蔓延范围内的一段隧道(500m)建立模型，在模型两端设置开放边界条件。
这种方法模拟得到的半横向排烟时烟气蔓延过程如图3所示。在开始阶段烟气基本上对称蔓延，后来逐渐开始向左侧偏斜，300s以后这种趋势越来越明显。600s模拟结束时，烟气在左侧离边界较近，而右侧离边界还有一段距离。
图3 3D模型两端为开放边界的烟气蔓延过程
从图4的风量测点数据也能看出这种两侧补风量发生分歧的过程，图4（a）中的数据有波动，将其以15s为间隔取平均得到图4（b）的相对平滑变化曲线，并且认为15s内瞬时的风量波动对流场不会产生重要影响。
（a）5s间隔的瞬时补风量
（b）15s间隔的平均补风量
图4 3D模型两端为开放边界的补风量
从图4（b）可以看出，两侧风量从模拟开始的基本相同逐渐变成模拟后期保持相对固定的差距。形成这种现象是由于火源和排烟口都偏左约5m，微小的偏移是为了方便分割子网格。火源和排烟口和两侧边界的距离偏差约为5%，却造成两侧风量的不平衡，说明3D局部模拟对边界的微小差异很敏感。
此外，将左右两侧的风量叠加得到的总风量大致保持在180m3/s，与设定的排烟量相同，看不到火源释放的巨大热量对排烟量的影响，这种情况是由于开放边界存在分层流动造成的。
2.3 1D-3D耦合模拟结果分析
在3D区域模型的两端分别添加1D隧道模型，得到了不同的结果，如图5所示。烟气在600s的模拟过程中一直是对称蔓延，火源和排烟口的微小偏移不再影响模拟结果。烟气蔓延的范围较大。主要原因是3D区域的边界值是来自1D计算的区域计算结果，而不是简单在3D区域边界赋上自由边界条件。
图5 1D-3D耦合模拟的烟气蔓延过程
耦合模拟两端的风量测点数据如图6所示，与图4（a）相比，瞬时补风量的波动在模拟开始阶段非常强烈，之后波动幅度慢慢减小，500s之后基本保持在一个小范围内振荡。将图6（a）以15s为间隔取平均得到图6（b）的平滑变化曲线，同样认为15s内瞬时的风量波动对流场不会产生重要影响。这时补风量具有明显的规律，即在模拟过程中都保持在一个相对稳定的水平，两端的补风量都约为70m3/s。总的补风量约为140m3/s，小于设定的排烟量约40m3/s，这部分的排烟量可以视为火源释放的热量将风流加热后的体积增量。
（a）5s间隔的瞬时补风量
（b）15s间隔的平均补风量
图6 1D-3D耦合模拟的补风量
2.4 排烟量设计计算公式
上述对图6的分析还能启发我们导出一个排烟量 设计计算的公式：
式中：Ve为排烟量, Vs为补风量，ΔV为风流的体积增量，主要与对流热释放速率Qc有关。而补风量Vs主要与隧道风速Vc有关。Vauquelin[10]最早提出了限制风速的概念，将其定义为将烟气限制在4H（隧道高度）的范围内的隧道风速，并用模型实验初步确定了其影响因素和计算方法。
与隧道设计规范中推荐的烟气生成量相比，这个新的排烟量计算计算公式更具可操作性，方便在设计时估算排烟系统的设计容量，确定大致的范围后，可以用性能化模拟的方法再做评估和细化。
3 结论
（1）3D区域两端设置开放边界的模拟方法对火源排烟口位置的微小差异很敏感，不利于对烟气蔓延结果做出合理的分析；另一方面，由于开放边界存在分层流动，得出的补风量与排烟量相同，看不到火源释放的巨大热量对排烟量的影响，而1D-3D耦合模拟就能消除3D区域内微小差异对模拟结果的影响。
（2）长隧道半横向通风多尺度耦合分析表明，经平均处理后的补风量具有明显的规律，即在模拟过程中都保持在一个相对稳定的水平。隧道两侧总的补风量小于设定的排烟量，这部分的排烟量可以视为火源释放的热量将风流加热后的体积增量。
（3）通过1D-3D耦合模拟的结果，导出一个排烟量设计计算的公式。依据模拟得出补风量和火源受热膨胀体积增量来计算出烟气生成量。与规范中推荐的烟气生成量相比，这个新的排烟量计算公式更具可操作性，方便在设计时估算排烟系统的设计容量。
参考文献
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[10] Vauquelin, O., Telle, D.,2005, Definition and experimental evaluation of the smoke "confinement velocity" in tunnel fires Fire Safety Journal, 40 (4), pp. 320–330.
备注：本文收录于《建筑环境与能源》2017年5月刊总第5期。
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