特长公路隧道火灾排烟数值模拟

吴 华

(安徽省交通规划设计研究院有限公司，安徽合肥 230088)

1 工程概况

岳西至武汉高速公路安徽段位于大别山腹地，是连接中西部地区与东南沿海的交通大通道。明堂山隧道是本段的关键性工程，为上下行分离式特长公路隧道，长度为2×7 568.5 m。隧道右洞采用竖井送排+射流风机纵向式通风;隧道左洞采用全射流风机+集中排烟通风。

2 基本理论

随着我国特长公路隧道的不断增多，隧道火灾的防灾救援问题也随之显得越来越重要。火灾研究的模拟方法主要分为物理模型试验和计算机数值模拟。数值模拟结合流体动力学理论，研究隧道火灾的发展规律，模拟工况灵活多变，周期短，节约试验成本。

本文以流体动力学、传热学为通风理论基础，将通风流体的运动简化为一维理想流体连续运动。假定隧道洞内流体为连续介质、无粘性且不可压缩，同时在火灾发生时，内部流体除遵守三大基本守恒定律之外，还应遵守组分守恒定律。通过计算流体软件，采用k—ε湍流模型和Boussinesq假设，研究在各种通风控制工况下温度场的分布扩散及控制效果。

3 数值模拟与分析

本文运用计算流体动力学软件PHOENICS，着重对明堂山隧道左线集中排烟系统进行数值模拟，PHOENICS作为世界上最早的计算流体与计算传热学软件，内置多种湍流模型，同时最大限度开放程序，便于用户修改程序和函数，可以对稳态和非稳态的可压缩或不可压缩流模拟流体流动、传热、化学反应及相关现象。

3.1 模型的建立

1)几何尺寸。

明堂山隧道左线排烟口位于隧道中部，距附近两侧人行横洞距离均为140 m。本文选取该区段(280 m)作为计算区域。隧道横断面面积为65.18 m2。为简化计算对坡度统一取为平坡，坡度对于温度场的影响将在重力加速度的取值上加以考虑。

2)边界条件。

隧道结构壁面函数采用对数壁面律，粗糙度取为0.022，壁面速度为0 m/s，同时，隧道结构壁面假定为绝缘体，考虑到火灾发生时，火源高温以热辐射形式将热量传递给隧道壁面衬砌，根据相关资料及计算经验，将火源能量按30%进行折减。

火灾上游截面洞口视为通风入口，即Z=0处平面，设置为进口边界条件(INLET属性)，温度t=20℃;入口平面沿Z轴正方向延伸280 m，取Z=280截面处作为隧道出口，设置为出口边界条件(OUTLET属性)。隧道整体模型见图1。

3)火源参数。

模拟时，假设火源尺寸为4 m×2 m×1.5 m(长×宽×高)，火源中心位于Z=40 m处，忽略燃烧时所发生的化学反应。虽然隧道中发生大型火灾的几率较低，但考虑其造成的危害最为严重，因此数值模型的火灾规模取为20 MW(相当于一辆载重大卡车着火的热量功率)。火灾采用RABT温升曲线。

图1 隧道整体模型图

4)分析工况。

考虑火灾工况下不同的风机控制模式，模拟了仅开启射流风机、仅开启排烟通道和射流风机、排烟通道均开启三种主要工况。射流风机提供的纵向风速按 1.0 m/s，2.5 m/s，3.0 m/s，4.0 m/s取值，对应的排烟通道排风量按送排流量比φ考虑，送排流量比φ(送风量与排风量的比值)取值分别为 2.0，1.25，1.0，0.75。

3.2 模拟结果与分析

隧道发生火灾后，洞内温度有一个急剧增长的过程，一般在起火后3 min～8 min内，温度即可达到最高。这就要求隧道内具备完善的监控监测系统，对火灾进行及时快速的响应。在火灾尚未充分发展时，通过控制通风模式，将火灾对遇险人员及隧道的损害降至最低。下面分三种通风控制模式对火灾的控制效果进行数值模拟。

1)仅开启射流风机模拟结果。在火灾发生后，若着火点距排烟口较远时，可考虑优先开启射流风机排烟。射流风机提供的洞内风速分别按 1.0 m/s，2.5 m/s，3.0 m/s，4.0 m/s四种工况进行数值模拟(见图2)。观察6 min之后隧道洞内的烟流扩散情况。

由图2可知，当射流风机提供的风速v=1.0 m/s时，通风量不足，烟流向上游扩散，产生了较为明显的回流现象，消防人员难以从上游接近火点，不利于消防救援;而当风速为4.0 m/s时，风速过大，破坏了烟流在下游的分层扩散，致使烟雾过早的充满隧道，不利于人员的快速逃生。

因此，根据不同的火灾规模，合理控制纵向风速，避免产生回流现象，同时，尽可能的延长烟雾在隧道拱部的贴附时间，为人员逃生争取时间，对救援防灾具有非常重要的意义。

2)仅开启排烟通道模拟结果。在火灾发生后，若着火点距离射流风机较远，而距离排烟口较近时，可考虑优先开启排烟通道。

排烟口风速分别取5.0 m/s，11.0 m/s，14.0 m/s，17.0 m/s四种工况进行数值模拟(见图3)。观察6 min之后隧道洞内的烟流扩散情况。由图3可知，排烟口风速越大，隧道洞内烟气越少，6 min内，基本没有发生烟雾充满整个隧道的现象;在排烟口位置，受到排烟通道的抽吸作用及烟流的纵向扩散作用，气流在该处产生涡旋，使隧道底部风速较小。总体来说，火灾下游烟雾抽排效果较好，在排烟口以后的隧道段落受烟流影响较小;而火灾上游风速较小，大部分烟气继续向上游蔓延，回流现象较严重。此时，需尽量提高排烟通道风速。

图2 射流风机排烟温度场扩散效果

图3 排烟通道集中排烟温度场扩散效果

3)同时开启射流风机和排烟通道模拟结果。在火灾发生后，隧道射流风机和排烟通道均开启，考虑到当纵向风速过小或过大时，对火灾烟流均得不到较好的控制，本次模拟射流风机提供的纵向风速分别按2.5 m/s，3.0 m/s取值，排烟口排风量按送排流量比 φ 考虑(φ =Q送/Q排，取值分别为 2.0，1.25，1，0.75)。观察6 min之后隧道洞内的烟流扩散情况(见图4，图5)。

图4 组合排烟（v=2.5 m/s）温度场扩散效果

由图5可知，风机开启的风速越大，停留在隧道内的烟气就越少;排烟口位置隧道底部的风速较小，顶部受斜井风机抽吸和主洞射流风机推压共同作用风速较大，无明显涡旋现象产生。由于火灾过程本身是一个随时间而不断变化的动态过程，燃烧温度、烟气压力、通风阻力等也是动态变化的，从而导致隧道内的风流状态非常复杂。

图5 组合排烟（v=3.0 m/s）温度场扩散效果

通过比较分析，采用射流风机纵向通风与排烟口集中排烟的组合通风模式，整体效果比单独采用一种方式好。主洞射流风机提供风速应控制在临界风速附近，尽量减小回流，且保证烟气分层贴附扩散，同时增大排烟口风量，减少烟流继续向前扩散，为人员逃生争取时间，为火灾救援创造条件。

4 结语

由上述各工况数值模拟结果可以看出，在隧道火灾发生后，洞内温度在很短的时间内急剧上升，火灾高温烟气从火源位置向两侧呈流束状沿隧道纵向扩散，在洞内纵向风速的控制下，烟雾呈分层贴附扩散现象，随着其逐渐远离火点，这种分层现象逐渐削弱以致消失，最终几乎充满整个隧道。

本文通过模拟明堂山隧道左线火灾工况下三种不同的通风排烟方案，分析了洞内高温烟气的扩散过程。在仅开启射流风机时，烟雾扩散距离较远，临界风速为2.5 m/s～3.0 m/s;在仅开启排烟通道时，在一定程度上抑制了火灾继续向下游蔓延，但高温烟气回流较严重，且火点至排烟口范围内，形成了大范围、高温高浓度的烟雾区，对人员紧急逃生和火灾救援极为不利;综合考虑以上两种方案，同时开启射流风机和排烟通道，将火灾危害控制在相对较小范围内，通过控制射流风机风速，使烟流扩散分层贴附，为人员逃生及救援创造条件。

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