移动风机距离对隧道排烟效果的影响研究

江　平

(贵州省消防总队，贵州 贵阳　550001)



移动风机距离对隧道排烟效果的影响研究

江平

(贵州省消防总队，贵州 贵阳550001)

移动式风机是一种操作更加灵活的排烟设备，在隧道火灾中能发挥其独特优势。通过数值模拟分析了移动风机距离对排烟效果的影响。结果表明移动风机应用于隧道火灾排烟时，其与火源之间存在一个临界间距，距离大于或小于该间距，排烟效果都会受到不同程度的影响。

移动风机；隧道火灾；风机距离；排烟

0　引言

随着公路交通建设的快速发展，目前我国已成为世界上公路隧道最多的国家。如贵州省是一个多山地区，高速公路隧道占公路总比重较大，特殊情况下其比例甚至达到70%～80%[1]。然而公路隧道内部一旦发生火灾，高温烟气很难排出，火灾蔓延速度快，隧道内部很快会形成高温环境，造成人员疏散与灭火救援困难[2-3]，甚至导致重大人员伤亡[4]。当前隧道火灾烟气的控制设备以隧道顶棚的固定射流排烟风机为主，如果火源位置距离固定风机较远，其排烟效果可能会被弱化。而消防部队装备的一种车载式排烟风机可以在这种特殊环境下得以更好的应用，通过分析该型风机控制烟气效果的有效操作方式，找出合理的排烟模式，可以为灭火救援和人员疏散等方案的制定提供理论支撑。本文采用数值计算软件FDS6.3.2[5]对移动风机相距火源不同位置时的排烟效果进行模拟研究。

1　隧道建模及场景设计

以贵州省遵义市的子尹隧道进行建模，该隧道长600 m、宽14 m、高7 m，双向四车道。其左洞隧道纵向设计为1.75%的上坡段和-1.41%的下坡段，相应坡段长分别为138 m和457.842 m，隧道平面进口段300.478 m为直线，出口段295.364 m位于R=600 m的左偏曲线上。火源设置在隧道中心线上，且距离洞口180 m。移动风机参数依据遵义市特勤中队的隧道专用A类消防车EXORCIST II型确定，该型消防车配置的风机呈圆柱形，长1.5 m，内径0.8 m，轴承距地面2.75 m，最大风速30 m·s-1。在FDS中射流风机模型的搭建细节可参考文献[6]。

根据隧道火灾设计和前人的试验可知，一辆小型汽车燃烧的火源功率峰值大约在3 MW左右[7]，因此，本文主要考虑火源功率为3 MW时的排烟情况。火源采用在单位面积上设置相同的热释放速率(HRRPUA)，火源尺寸为长2 m、宽1 m。参照文献[8]，在兼顾计算精度和计算时间的前提下，在火源和风机附近60 m范围内，如图1中的虚线区域，网格大小设置为0.25 m×0.25 m×0.25 m，其他区域网格大小为0.5 m×0.5 m×0.5 m。全尺寸模拟工况如表1所示。

图1　隧道计算模型平面图

工况编号火源功率/MW风机距离火源位置/m风机风速/m·s-1131030232030332530433030533530634030735030

2　隧道火灾烟气控制

在隧道火灾中主要可以通过自然通风与机械通风两种方式进行排烟，本文研究的移动风机属于机械通风中的纵向方式，其主要功能是通过产生高速气流去抑制烟气回流和加速烟气纵向排出隧道，达到排烟或控制烟气的目的[9]。此时，位于火源位置上风向的人员能够在纵向通风的保障下，迅速逃生至安全地段，同时也有利于消防救援人员在上风向顺利开展灭火工作，这种能够抑制烟气回流的最小纵向通风速度被定义为临界风速[10]。

Wu和Bakar[11]在同时考虑隧道截面对临界风速影响的基础上，选取水力直径作为特征高度，拟合出临界风速的经验公式：

(1)

(2)

(3)

可见，临界风速对选取合适的纵向通风方式具有重要意义。而本文研究的这种移动风机，当火源功率为3 MW时，由上面公式计算得出临界风速约为3.36 m·s-1，而该型号风机的最大风速可以达到30 m·s-1，理论上满足控制烟气回流的要求。但根据能量守恒原理，由于移动风机距离火源位置不同，导致到达火源面的风速不同，从而产生排烟效果的差异，然而这个推导是否成立需要进一步讨论。

3　结果分析

3.1风机距离对烟气回流的影响

模拟结果显示，随着风机与火源之间距离的增加，烟气回流现象有加剧的趋势，其中距离在35～50 m之间时烟气回流现象并没有明显的区别。这表明，并不是风机距离火源位置越近，其抑制烟气回流的效果越好，如距离为10 m时抑制烟气效果与相距20 m时相近，导致这一现象的原因很可能是由于该型移动风机是一种射流风机。射流风机的工作原理是先由尾部吸气，然后通过风机的叶片进行加速后高速喷出气流，其产生的射流容易造成风机周围的流场紊乱。因此，当风机距离火源位置非常近的时候，比如10 m位置，风机周围的卷吸现象会在其附近产生漩涡区域，由此产生了风机距离火源越近对抑制烟气回流效果反而有所下降的现象。另外，由模拟烟气流动图可观察到，当风机距离火源20和25 m时，其对烟气回流的抑制效果相比其他间距要好，如果大于该间距，回流长度会增加，而且回流的烟气沉降也会更快。考虑到风机操作人员的安全，为减少有毒有害烟气对消防人员的危害，风机相距火源不能过小，即风机距离并非越小越好。

3.2风机距离对烟气温度的影响

图2给出了风机距离火源不同位置时，上风向即回流区域顶棚烟气最大温度分布。从图中可以看出，风机距离火源越近，如图中的10和20 m位置，回流区域最大顶棚温度下降速度快，其控制效果也好。而当风机距离火源25～50 m时，对于回流区域

图2　不同距离时火源上风向最大温度分布

温度的控制效果没有明显的差异，这说明风机与火源距离超过一定临界范围后，其控制回流烟气温度的效果会明显减弱，以至于距离对其影响可以忽略。

图3给出了火源正上方顶棚烟气最大温度随风机距离的变化图，其中由于火源长度为2 m，火源顶棚烟气最大温度取-1～1 m范围内的平均值。由图可以看出，风机距离对火源上方顶棚最大烟气温度呈阶段性影响，当距离为10 m时，温度值相比更远的距离有明显的降低。随着风机距离的增加，当距离在20～30 m范围内时，距离对火源上方顶棚最大烟气温度的影响可以忽略不计，但距离在35～50 m范围内时，火源上方顶棚最大烟气温度有一个跃升，这说明在30与35 m之间可能存在一个临界距离，如果风机距离小于这个临界值，其对火源上方顶棚附近的温度降低有显著的影响。显然该型风机距离火源位置在20～25 m范围内时，既能很好地抑制烟气回流长度，也能很好地降低火源上方顶棚最大烟气温度。

图3　火源上方顶棚烟气最大温度随风机距离变化图

3.3风机距离对烟气沉降的影响

图4给出了在火源上风向-6 m位置处，风机距离火源不同位置时，烟气在该位置竖直方向的沉降时间变化情况。回流的沉降速度可以在一定程度上用来衡量风机抑制烟气逆流的实际效果。由图可看出，风机距离为25 m时，回流烟气沉降速度最快。虽然当风机距离为10 m时，对烟气初始沉降即竖直高度小于5.5 m的情况下，其控制烟气沉降的效果最佳，但就总体来说，风机距离为20 m时，烟气沉降到竖直高度为3 m的时间最长，这说明风机距离大于或小于20 m范围，对控制烟气回流沉降的效果都会有所减弱。

图4　不同风机距离时烟气沉降时间变化图

4　结论

通过全尺寸排烟模拟，得出移动风机与火源的距离对隧道火灾烟气控制效果的影响。(1)对于额定功率的移动风机，在应用于隧道火灾排烟时，其与火源之间存在一个临界距离，距离过大或过小都不能达到很好地控制烟气回流的效果。但需要指出的是风机距离越小，对于上风向顶棚烟气温度的控制效果会更好一些。本文提及的这种移动风机，通过对回流温度、沉降速度的定性定量分析，模拟结果表明最佳排烟距离可能在20～25 m范围之间。(2)由于本文仅对3 MW的火源功率进行了模拟分析，在隧道火灾救援现场，需要根据火灾规模的大小，合理安排移动风机的台数，因为额定功率的风机可能并不适用于所有火灾场景。

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[3] 周旭,赵明华,刘义虎.长大隧道火灾与防治设计研究[J].中南公路工程,2002,27(4):87-90.

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(责任编辑马龙)

A Numerical Study on the Effect of Smoke Ventilation in Tunnel Fires by a Movable Fan

JIANG Ping

(FireCropsofGuizhouProvince,Guiyang550001,China)

A movable fan is flexible smoke ventilating equipment, which is applied at the tunnel fire scenarios. Based on numerical simulations, the influence of a fan distance on the effect of smoke ventilation was analyzed in-depth. Results show that there exists a critical value with the distance between a movable fan and a fire source. If the distance is greater or less than the critical value, the effect of smoke ventilation is influenced.

movable fan; tunnel fire; fan distance; smoke exhaust

2016-05-22

江平(1968—)，男，四川三台人，高级工程师。

TU892

A

1008-2077(2016)08-0028-04