同济大学 霍镜涛 张旭 常乐 李世峰 赵文萱
【摘 要】根据Kennedy计算公式对采用分段纵向排烟方案的某隧道进行临界风速的计算，并用建筑火灾模拟软件Pyrosim进行建模，分析隧道在发生火灾时，不同纵向风速对温度场分布情况、烟气逆流情况、可视度和排烟口捕集率的影响，得出当隧道发生火灾时，隧道内纵向风速取临界风速值是合理的。
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.
【关键词】隧道火灾，数值模拟，临界风速，纵向
0 引言
进入 21世纪以来，我国公路隧道的建设如火如荼，至2015年底，已有公路隧道14 006 座，总长12 683.9 km[1]。而且隧道结构和设施复杂、出入口少、疏散路线长、通风照明条件差，加之在封闭空间内排烟和散热条件差，隧道内一旦发生火灾，其危害性极为严重。隧道在发生火灾时，纵向风速的大小对隧道排烟效果影响十分显著。本文以实际隧道工程为依托，对不同纵向风速下隧道排烟效果进行模拟，比较其在不同纵向风速下排烟效果的差异，得出最合理的纵向风速。
1 临界风速的计算
由于隧道狭长型空间结构的独特性，隧道内一旦发生火灾，如果不加以控制，造成的后果将不可估量。1968年Thomas[2]对临界风速的提出，临界风速成为在隧道纵向排烟中一个不可忽视的因素。隧道临界风速指当隧道内发生火灾时，能保证烟雾不发生逆流的最小通风速度[3]。
1976年，Thomas[2]首次提出临界风速的概念，并给出临界风速与火源功率三分之一次方的关系。后来，Kennedy等[4]考虑了隧道坡度的影响，进一步提出如下的临界风速计算公式。
其中：Q为火源热释放率，kW；Cp在空气在环境中的定压比热容，kJ/（kg·K）；Tf为隧道内平均烟气温度，K；A为隧道断面面积，m2；ρ为环境温度下隧道内空气密度，kg/m3；H为隧道断面高度，m；g为重力加速度，m/s2；Vc为隧道内纵向风速，m/s；H为隧道高度，m；Kg为坡度修正系数，当火灾发生在水平或上坡塅时，Kg=1，当火灾发生在下坡路段时，kg=1+0.0374θ0.8。
从公式（1）、（2）中可以看出，在隧道结构已定的情况下，即隧道坡度和隧道断面尺寸确定时，临界风速主要由火灾强度有关。
某隧道横截面尺寸为12m×6m，长约1700m，隧道内火灾规模考虑一辆大货车发生火灾，火源热释放率取为50MW，由公式（1）、（2）计算得出，当隧道内发生50MW的火灾时，隧道内临界风速2.7m/s。
为了得出隧道发生火灾时，保证隧道纵向风速不小于2.7m/s是否合理，使用Pyrosim对隧道进行建模，分析比较隧道发生火灾时，纵向风速分别为1.5m/s、2.7m/s及3.5m/s时，隧道内温度场分布、烟气逆流情况、可视度以及排烟口捕集率的差异，并得出最优的纵向风速。
2 数值模拟模型的建立
对隧道进行建模，全长共1700 m，高为6m，沿行车方向可以分为坡度不同的四个隧道段，排烟口位于模型的尾部，且位于隧道一侧最上方，排烟口设计大小为1.5 m×2.4 m，每组三个，组与组间距22.5 m，隧道模型见图1。
图1 隧道沉管段模型
火灾规模考虑一辆大货车发生火灾，火源热释放率取为50MW，火源位置距上游边界70 m，火灾车辆尺寸为2×1.5×4.0 m，火灾发展模型取为t2火模型，火源车辆模型见图2。烟道排烟量为200m3/s。
图2 火源车辆模型
3 模拟工况与结果比较分析
3.1 温度场分布比较
当隧道内发生火灾时，高温烟气辐射会对人员造成极大的伤害，在公安部颁布的《建筑物性能化防火设计通则》中规定人体对烟气层等火灾环境的辐射热的耐受极限为2.5kW/m2，即相当于上部烟气层的温度约为180℃~200℃。因此在发生火灾时，隧道内温度场的分布是判别纵向风速是否合理的一个重要依据。
图3为隧道火灾发生700s后，纵向风速分别为1.5m/s、2.7m/s和3.5m/s时，火源下游近火源处温度场分布情况。
从图3可以看出当纵向风速为1.5m/s时，由于风速较低，在火源车辆下游大量的烟气与隧道内空气进行掺混，没有明显形成热烟气集中于隧道上层，冷空气集中在隧道下层的分层现象，导致整个隧道内温度都比较高，不利于人员的逃生；而当纵向风速为2.7m/s和3.5m/s时，火源下游形成一定的分层现象，隧道下层空间温度较低。同时，当纵向风速为1.5m/s时，由于纵向风速较低，烟气不能被及时吹向下游，使得烟气在火源处堆积，导致隧道上层温度高，对人员辐射强度大；而随着纵向风速的增加，有更多的烟气能被吹向下游，隧道上层空间温度降低。
图3 火源下游温度场分布
3.2 烟气逆流情况比较
当隧道发生火灾时，火焰会直接撞击隧道顶部，形成火焰射流，火焰射流在撞击隧道顶棚后会向四周扩散，向火源上游扩散部分便形成了烟气逆流。控制烟气逆流是火灾烟气控制中极为重要的一部分。当发生火灾时，烟气在隧道纵向风速的作用下会向下游扩散，火源下游人员沿着隧道行车方向逃生，而火源上游由于火源车辆形成交通堵塞，上游人员只能沿隧道逆行车方向逃生。如果火灾烟气发生逆流，则会严重影响上游人员的逃生，造成不必要的伤亡。
图4为隧道火灾发生700s后，纵向风速分别为1.5m/s、2.7m/s和3.5m/s时，火源附近CO分布情况。
图4 火源附近CO分布情况
由图4可以很明显地看出，当纵向风速为1.5 m/s时，由于火灾强度高，烟羽流的浮升力十分显著，1.5 m/s的纵向风速并不能抑制住烟气逆流，烟气逆流现象十分明显。而当纵向风速为2.7m/s和3.5m/s时，烟气向火灾上游逆流运动被有效地遏制，烟气沿着行车方向向下游隧道扩散。
3.3 火源下游可视度情况比较
在发生火灾时，可见度对人员逃生的影响也十分的重要，《建筑物性能化防火设计通则》中规定，在小空间发生火灾时，可视度不应小于5m；大空间发生火灾时，可视度不应小于10m。可视度小，必需安全疏散时间变长。
图5为隧道火灾发生700s后，纵向风速分别为1.5m/s、2.7m/s和3.5m/s时，火源下游近火源处可视度情况。
由图5可以比较清楚地看出，当纵向风速为1.5m/s时，由于纵向风速较低，烟气在火源后与下层空气发生掺混，导致隧道下层空间的可视度低；而当纵向风速为2.7m/s时，由于纵向风速较高，在火源下游会有比较明显的烟气分层现象，高温烟气聚集在隧道的顶部，使得隧道下层空间烟气浓度低，可视度较高；随着纵向风速的进一步加大，火源下游烟气分层现象更为明显，隧道下层空间可视度进一步提高。
图5 火源下游可视度情况
3.4 排烟口捕集率比较
当隧道采用分段纵向排烟方案时，排烟口对烟气的捕集率大小影响着排烟口下游人员的逃生。捕集率小时，有较大部分烟气会流向排烟口的下游，影响到排烟口下游人员的逃生。因此必须保证较大的排烟口捕集率。
表1为纵向风速为1.5m/s、2.7m/s和3.5m/s时，排烟口捕集率的大小。
表1 不同纵向风速时的排烟口捕集率
从表1可以看出当纵向风速小时，排烟口捕集率大，而随着纵向风速的变大，排烟口的捕集率变小。产生这种现象的原因是由于在沉管段排烟口设置在隧道的侧面，属于侧吸，纵向风速越大对其捕集烟气的影响很大，当纵向风速变大时烟气由于惯性力过大使得烟气不易被排烟口捕集，导致捕集率变小。
4 结果对比与分析
当隧道内发生火灾时，纵向风速的大小会对隧道内温度场分布、烟气逆流情况、火源下游可见度和排烟口捕集率的大小产生影响。当纵向风速为1.5m/s时，火源下游温度分层不明显，下层空间温度高，且烟气会向上游逆流，火源下游烟气与隧道内空气发生掺混，分层现象不明显，可视度低。当纵向风速不小于2.7m/s时，火源下游温度分层比较明显，下层空间温度较低烟气不发生逆流，而且火源下游烟气分层，可视度较高。因此从温度场分布、烟气逆流情况以及可视度分析，可以得到当隧道内发生50MW的火灾时，需要保证不低于2.7m/s的纵向风速，而且速度越高，效果越好。但从排烟口捕集率分析，纵向风速小时，排烟口捕集率高，随着纵向风速的提高，捕集率下降，当纵向风速为3.5m/s时，捕集率只有60.3%，有近4成烟气流向排烟口下游，会对下游人员逃生造成影响，因此纵向风速不能太大。综上分析，当隧道发生火灾时，保证隧道内纵向风速为临界风速值2.7m/s是合理且十分必要的。
参考文献
[1]赖金星,周慧,程飞等.公路隧道火灾事故统计分析及防灾减灾对策[J].隧道建设,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]周庆,倪天晓,彭锦志等.隧道火灾烟气回流与临界风速模型试验[J].消防科学与技术,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
备注：本文收录于第21届暖通空调制冷学术年会论文集。版权归论文作者所有，任何形式转载请联系作者。
