道路隧道声屏障区段的烟气流动研究

宋　飞

(上海市消防总队，上海　200051)



道路隧道声屏障区段的烟气流动研究

宋飞

(上海市消防总队，上海200051)

近年来道路隧道敞开段声屏障的设置给隧道的排烟和疏散救援等设计带来了新问题、新挑战。应用CFD模拟软件，针对声屏障顶部不同的敞口尺寸对道路隧道的排烟、降噪等影响进行了模拟及理论分析。结合研究结果提出了道路隧道声屏障开口比例等具体设计建议，为声屏障在道路隧道中的应用提供借鉴。

道路隧道；声屏障；烟气

随着城镇化进程不断加快，以交通拥堵为代表的城市交通问题普遍成为困扰各大城市的难题。而大中型城市拆迁费用高昂、可利用土地面积潜力有限，道路建设受到投资和城市用地约束，因此，近年来各大城市不断兴建地下道路隧道，在一定程度上有效缓解了城市交通拥堵现象[1-3]。然而，随着交通量的增大，对于地下道路引出段，汽车产生的噪音对周围居民的生活造成了相当的影响。为减少地下道路引出段汽车噪音，目前一般隧道出入口部位设置各类声屏障设施[4-5]。其中将引道段由敞开状态变为半封闭状态的全影型声屏障的设置，对隧道的烟气扩散和疏散救援将会产生影响。对于地下道路内火灾的研究，目前已经有不少学者进行了大量研究[6-13]，但对于加设声屏障后的道路隧道火灾的烟气流动及对疏散、救援情况的影响研究还相对较少。本文以上海某一在建道路隧道为研究对象，利用CFD软件模拟研究不同声屏障敞口尺寸对隧道排烟的影响情况，为道路隧道引出段声屏障设计提供理论依据。

1　模型建立与设置

1.1隧道火灾数学模型的建立

对隧道火灾三维模型作如下简化：(1)隧道内的温度和压力变化不大，故假设隧道内流体不可压缩，忽略流体体积变化对计算精度的影响；(2)火灾工况下，火源前方车辆驶出隧道，火源后方车辆停止，故忽略交通风效应；(3)忽略隧道拐弯以及一些结构细部的影响；(4)忽略特大货车外表结构细部的影响，简化火源车辆模型。

基于雷诺平均(RANS)的CFD模拟在研究绕流和压力分布时已有不少成功的算例[14]，故本文采用Fluent软件对隧道内火灾工况下的烟雾流动和温度传递进行数值模拟，采用标准k-ε模型的控制方程如下：

(1)

采用有限容积法对这些控制方程在微小单元上进行积分离散，求解质量和动量守恒微分方程组。压力项与速度项耦合利用SIMPLE算法。对流项的离散采用二阶迎风差分格式，扩散项的离散具有二阶精度。各变量的松弛因子介于0.8～1.0，压力和速度的松弛因子的和为1.0。

火灾工况下隧道内烟气浓度分布模拟中，Fluent通过第i种物质的对流扩散方程计算每种物质的质量分数Yi，组分输运守恒方程的通用形式如下：

(2)

式中，ρ为物质i的密度；Ri为化学反应的净生成速率；Si为离散相及用户定义的源项所导致的额外速率；Ji是物质i的扩散通量，由浓度梯度产生，当缺省时，可表示为：

(3)

式中，Di,m为混合物中第i种物质的扩散系数。

采用DO模型作为辐射计算模型。对于火灾非稳态工况数值模拟，采用UDF编写火源模型，采用快速t2火来模拟火灾发生初期的增长趋势，能比较好地反应油类或针织类物品开始燃烧阶段的规律。

1.2计算模型及初始参数设置

本文以上海某一在建隧道浦东段出口引道段为研究对象。如图1所示，计算模型总长度为300 m，其中隧道区段100 m，声屏障区段为200 m。隧道区段坡度为4.95%，声屏障区段坡度为0。根据该隧道设计通行车辆情况，火灾释热量设定为20 MW。为考虑隧道内发生火灾后烟气的流向，火灾发生点设在距出口50 m处。

图1　模型示意图

声屏障区段横断面积尺寸如图2所示，数值模拟中火源尺寸为12 m×2.5 m×3 m(长×宽×高)，火灾成长系数为0.187 8，烟气生成速率为60 kg·s-1，烟气中CO比例为2%。

图2　声屏障区段横断面示意图

研究表明[16]，火灾中85%以上的死亡者是由于烟气的影响，其中影响最大的是CO，其他有害气体或者毒性很小，或者毒性虽然较高，但是产生的数量却很有限，故本文仿真模拟中只对CO的浓度分布进行研究。根据文献[16]，CO浓度在2 500～3 200 ppm，5～10 min即产生头痛头昏，人会在30 min后死亡；CO浓度超过6 400 ppm，人会在10 min内死亡；CO浓度超过10 000 ppm，人会在3 min内死亡。本文模拟中认为当CO浓度达到2 500 ppm，就对人构成严重危害，人眼特征高度取为1.6 m。

模型边界条件设定为：(1)隧道底部和上部设为壁面边界，并根据实际的粗糙度给定相应的壁面函数中的参数；(2)隧道出口设为压力出口边界条件；(3)隧道顶部自然通风口设为压力出口边界条件；(4)排烟时以大于临界风速排烟，隧道入口设为等速边界条件，取值2.5 m·s-1；(5)风机壁面、隧道内壁为固体边界条件。

隧道区段衬砌壁的壁面粗糙系数取0.01 m，考虑壁面的一维热传导作用，传热范围认为到达厚度0.5 m处。厚度0.5 m处，保持恒温17 ℃。声屏障区段壁面材质按照铝质材料考虑，采用默认值。空气的比热容和导热系数不考虑随温度的变化而变化，取为常数。数值模拟中，空气密度为1.22 kg·m-3，通风空气温度为27 ℃，重力加速度为9.8 m·s-2，外界空气压力为1.013×105Pa，混凝土导热系数为1.209 W·m-1·K-1，混凝土比热容为1 100 J·kg-1·K-1，空气导热系数为0.024 2 W·m-1·K-1，空气比热容为1 006.43 J·kg-1·K-1。计算模型网格划分采用六面体结构化网格体系，经过网格独立性分析，总网格数均取122 800。

2　模拟结果与分析

为研究不同敞口尺寸对隧道排烟的影响情况，本文对声屏障区段敞口尺寸D占对应地面尺寸1/5、1/3、1/2、2/3这4种情况进行模拟。

2.1典型断面CO平均浓度分布分析

对于不同的声屏障区敞口尺寸，模拟火灾发生后7 min内，声屏障区段距隧道洞口不同位置的横断面CO平均浓度的瞬态分布，模拟结果如图3所示。从图3可以看出，声屏障区段距离隧道洞口越远，其横断面CO平均浓度越小，且距离隧道洞口到某个位置后，其横断面CO平均浓度快速下降。这是因为距离火源越近，受火源产生的烟气影响越大，随着声屏障区段的延伸，总的敞口面积增大，更多的烟气被排到大气环境中，外界的新鲜空气不断被卷吸进入声屏障区域，且烟气的温度也不断较低，火风压减小，到某一临界位置，烟气扩散被明显阻止，从而导致声屏障段横断面CO平均浓度快速下降。故如何使人员能及时逃离到该位置是设计声屏障敞口尺寸大小的重要依据。

(a)火灾发生1 min

(b)火灾发生3 min

(c)火灾发生5 min

(d)火灾发生7 min

从图3中可以看出，随着火灾发生时间的推移，CO的影响范围呈先扩大后减小的趋势。以敞口尺寸D占对应地面尺寸1/5为例，CO浓度为2 500 ppm的临界点分别出现位于1 min-150 m、3 min-195 m、5 min-115 m、7 min-30 m。这是因为在火灾发展初期，CO在临界风速的影响下迅速向外延伸，3 min后，随着烟气高速排出，外界的新鲜空气不断被卷吸进入声屏障区域，CO浓度得以降低。在同一时间和位置下，随着敞口尺寸的增大，该声屏障区段横断面CO平均浓度减小。敞口尺寸越大，烟气影响范围越小，如图3(c)，当火灾发生5 min时，对于敞口尺寸1/5的CO平均浓度超过2 500 ppm的区段长度为115 m，敞口尺寸1/3为90 m，敞口尺寸1/2为70 m，敞口尺寸2/3为50 m，可见敞口尺寸越大，更有利于人员逃生。但是敞口尺寸的增大，也会造成声屏障区段的降噪音能力减弱，对平时周边环境不利，需综合考虑敞口尺寸的大小。而由图3可知，敞口尺寸1/3和1/2已经足够满足自然排烟要求，且到火灾发生7 min时，其声屏障区段内烟气的影响范围与敞口尺寸2/3基本相同，同时它们相对于敞口尺寸2/3更能起到降低车辆噪音的效果，故相对更为合适。

2.2人体呼吸高度CO浓度分布分析

对于不同的声屏障区段敞口尺寸，模拟火灾发生后5 min时，声屏障区段距隧道洞口不同位置在人体高度处的CO浓度的瞬态分布，模拟结果如图4所示。从图4可以看出，在人体呼吸高度处，随着声屏障区段的位置距隧道洞口越远，其CO浓度越小。距离火源较近的区段，CO浓度较高，基本在10 000～15 000 ppm。这是因为距离火源越近，受火源产生的烟气影响越大，火风压较大，阻止了外界新鲜空气的进入，并推动烟气向声屏障区段出口处扩散，引起声屏障区段一定区域CO浓度超高，超过了人体呼吸安全值，从而影响人员的逃生。直到距离洞口一定距离，火风压压头减弱，外界的新鲜空气进入声屏障区段，从而使该位置之后的人体高度处的CO浓度值迅速降低，达到2 500 ppm以下，从而成为人员逃生的安全区段。故如何使人员能及时逃离到该区段是设计声屏障敞口尺寸大小的重要依据。

(a)占地面1/5

(b)占地面1/3

(c)占地面1/2

(d)占地面2/3

图4中，随着敞口尺寸的扩大，CO的浓度影响范围不断缩小。在敞口尺寸为1/5时，CO浓度影响的声屏障区段范围是90 m；敞口尺寸为1/3时，CO浓度影响的声屏障区段范围是75 m；敞口尺寸为1/2时，CO浓度影响的声屏障区段范围是55 m；敞口尺寸为2/3时，CO浓度影响的声屏障区段范围是40 m。从图中的CO浓度分布可以看出，敞口尺寸越大，不仅CO浓度超出安全值的范围越小，同时，CO浓度在10 000～15 000 ppm的区域也更小，对人体的伤害也会降低，更利于人员的逃生。但是敞口尺寸的增大也导致了声屏障降低噪音的能力下降，在日常情况下，会在一定程度上对周围居民的日常生活造成不利影响，故需综合考虑相关因素，合理设置声屏障敞口尺寸的大小。图中敞口尺寸占地面1/3和1/2已经足够满足自然排烟要求，且到火灾发生7 min时，其声屏障区段内烟气的影响范围与敞口尺寸2/3基本相同，同时它们相对于敞口尺寸2/3更能起到降低车辆噪音的效果，故相对更为合适。

3　结论

由模拟研究可得出如下结论：(1)声屏障区段距离隧道洞口越远，受火源产生烟气的火风压影响越小，其横断面CO平均浓度和人体高度处的CO浓度越小，在距离隧道洞口到某个位置后，其CO浓度快速下降。(2)声屏障区段的敞口尺寸越大，其横断面CO平均浓度和人体高度处的CO浓度的危险区段范围越小，有利于人员逃生，但同时也会造成声屏障区段的降噪能力减弱，影响周围居民的日常生活，故声屏障设计应综合考虑各方因素，合理选择开口比例。(3)棚架形式的隧道声屏障区段，其顶部开口净面积占声屏障覆盖地面面积比例大于1/3时，可满足隧道自然排烟要求；比例大于1/2时，隧道口部位烟气影响范围较小，可作为隧道安全区域考虑。

[1] 郭继孚,刘莹,余柳.对中国大城市交通拥堵问题的认识[J].城市交通,2011,9(2):8-14.

[2] 刘治彦,岳晓燕,赵睿.我国城市交通拥堵成因与治理对策[J].城市发展研究,2011,18(11):90-96.

[3] 陈志龙,张平,郭东军,等.中国城市中心区地下道路建设探讨[J].地下空间与工程学报,2009,5(1):1-6.

[4] 吴霖.城市道路声屏障的研究与设计[D].合肥：合肥工业大学，2003.

[5] 王美燕.公路隧道噪声预测及降噪措施研究[D].西安:西北工业大学,2007.

[6] 茅靳丰,黄玉良,朱培根,等.火灾工况下城市隧道自然通风模型实验[J].解放军理工大学学报(自然科学版),2008,9(4):357-362.

[7] 李婷婷,唐娴.长大隧道内火灾烟雾运动和温度分布数值模拟[J].武汉理工大学学报,2010(12):66-69.

[8] 施孝增,吴家正,高乃平,等.新建路隧道气态污染物浓度分布的数值模拟研究[J].洁净与空调技术,2011(2):5.

[9] 施孝增.竖井大长隧道火灾通风的CFD模拟[J].洁净与空调技术,2014(4):1-5.

[10] 王伟民.六盘山公路隧道烟气模拟研究[J].消防科学与技术,2006,25(5):14.

[11] 刘敏,丁国锋,秦挺鑫.公路隧道火灾的数值模拟[J].消防科学与技术,2005,24(5):573-576.

[12] 黄亚东,吴珂,黄志义,等.长隧道火灾烟气运动三维数值模拟[J].消防科学与技术,2011,30(9):777-780.

[13] 王华牢,刘学增,马小君.长大公路隧道火灾安全疏散研究[J].公路交通科技,2010,27(11):83-87.

[14] SCHETZ J A.高速列车空气动力学[J].力学进展,2003,33(3):404-423.

[15] 施孝增.气溶胶颗粒物在典型送风方式下的扩散特性与分布规律研究[D].上海:同济大学,2010.

[16] 王东.基于温度和CO影响下的公路隧道火灾人员逃生研究[D].西安:长安大学,2010.

(责任编辑马龙)

On the Influence of Noise Barrier on the Road Tunnel to the Smoke Movement

SONG Fei

(ShanghaiFireCrops,Shanghai200051,China)

Problems about smoke-exhaustion, evacuation and rescue of tunnel are raised with the design of noise barrier in recent years. This paper analyzes the influence of the open size of noise barrier on smoke-exhaustion and noise-reduction by means of CFD. The suggestions to the area ratio of the open size are being made. All of which renders

for the practice of the noise barrier in road tunnel project.

road tunnel; noise barrier; smoke

2016-02-26

宋飞(1982—)，男，山东聊城人，工程师。

D631.6

A

1008-2077(2016)06-0011-05