隧道侧壁排烟烟气特征的数值模拟

李钰，蔡世杰,朱凯强

(大连交通大学 土木与安全工程学院，辽宁 大连 116028)



隧道侧壁排烟烟气特征的数值模拟

李钰，蔡世杰,朱凯强

(大连交通大学 土木与安全工程学院，辽宁 大连 116028)

为了更好地研究隧道侧壁排烟系统的性能，利用FDS软件建立长 450 m的大排烟口隧道模型，并以此为模拟对象.对不同排烟速率下的隧道内烟气层温度、厚度进行了数值模拟分析.结果表明:排烟速率0～60 m3/s时，烟气层厚度随排烟速率的增大而减少；80～180 m3/s时，烟气层厚度反而增大.排烟速率一定时，烟气层厚度沿排烟口横向和纵向会出现先降低后增大的变化；但总体上来看，变化很平缓.排烟速率较小时，火源左侧和右侧烟气层厚度和温度的平均值都比较接近；随着排烟速率的增大，厚度和温度的平均值出现差值，并且差值明显大于排烟速率较小时.因此，为了使排烟系统性能达到最大化，需选取合适的排烟速率.

火灾；侧壁排烟；排烟速率；烟气参数

0 引言

目前我国的铁路、公路隧道里程是世界上最长的.隧道一旦发生火灾，可能会导致人员群死群伤与交通中断，如何及时有效地将烟气排出隧道是火灾应急救援的关键技术之一[1-3].因此，对隧道排烟规律的研究很有意义.

在隧道火灾中排出烟气主要有纵向排烟和横向排烟两种模式[4].纵向排烟常用于公路隧道中，而在地铁站台、地下商业街以及部分的特长隧道中则主要采用横向排烟模式，对此，Bakar M Z A[5]、W.X.Shi, J.Ji, J.H.Sun[6]、Futoshi Tanaka[7]等主要对横向排烟效率进行了宏观探讨，主要包括排烟口速率、排烟口形状、位置、火源功率以及排烟口与补气口相对位置对排烟效率的影响等.蒋亚强[3,8]等通过对地铁站台隧道进行数值模拟和小尺寸试验，定量分析了排烟口下方烟气层温度和厚度随排烟速率的变化特征，提出烟气层吸穿速率存在过渡区和完全吸穿区，机械排烟效率随烟气层吸穿程度增加而降低.

1 数值模拟

1.1 隧道模型设计

本文使用美国NIST所开发的Pyrosim程序，采用2012年发布的5.5.3版本来建立火灾模型，并对火灾中烟气的运动、温度和毒气浓度进行准确预测分析.

参考前人建立的研究模型，本文数值模拟模型尺寸设定为450 m×10 m×5 m.燃料为FDS中默认的丙烷，火源尺寸设定为10 m×2.6 m×1 m，位于距隧道左端220 m中心处.机械排烟隧道在距火源右端130m处，开口尺寸为4.5 m×4.5 m，设置在隧道内侧壁.发生火灾时，排烟口初始是关闭的，起火后60 s开启机械排烟.具体模型如图1所示.隧道的最左端的整个断面设置为全开状态作为排烟时的补气口，最右端封闭.

图1 隧道模拟模型

1.2 监测设备

在火源左右50 m处各设4个热电偶、2个厚度监测点，热电偶设在火源左右50 m、y=6 m处，沿竖直方向等距分布，间距为0.9 m，最高点距顶棚1.4 m，厚度监测点分别设在y=6 m和y=8 m处；在排烟口处沿横向每隔1 m、纵向每隔0.9 m设置烟气层厚度监测点，共60个；分别在排烟口y=6 m、y=8 m处沿纵向每隔0.9 m、竖直方向等间距设置了40个热电偶和40个气体流速监测设备，竖向间距都为0.9 m，最高点距顶棚1.4 m，保证了上层烟气和下层空气的温度和流速都能监测到；在火源右侧排烟口处设了一个质量流率监测设备，覆盖整个排烟口.具体布置见图2所示.

图2 监测点布置示意图

1.3 模拟计算的工况

进行模拟计算的工况如表1所示.将隧道的排烟速率作为变量，机械排烟在不同的排烟速率下，研究一侧排烟隧道口处的烟气层厚度、温度等重要参数的变化.

表1 模拟计算工况参数设置

该文所用到的符号及其代表的物理意义如下：ru为上层烟气温度积分比；rl为下层空气温度积分比；f(y)、rt为上层烟气温度积分比与下层空气温度积分比之和；H为地面到顶棚的总高度，m；y为地面到烟气层面的高度，m；Sh为烟气层厚度(烟气层界面到顶棚的距离)，m；T(z)为温度竖向分布函数；Hint为烟气层界面高度，m；ρs为上层烟气的平均密度，kg/m3.

2 温度竖向分布函数与烟气层厚度分析

计算烟气层厚度，主要有N-百分比法[9]、积分比法等[10].其中，N-百分比法使用得较为广泛，但对于N(0

其中，上层烟气温度积分比[10]：

(1)

下层空气温度积分比[10]：

(2)

积分比之和为：

(3)

其中，H是地面到顶棚的总高度，0

图3是火源功率15MW、排烟速率120m3/s时，距隧道开口350.9m，y=6m处沿竖直方向的温度分布情况.从模拟数据可以看出:温度在竖直方向上呈指数分布.采用指数函数对分布曲线进行逼近，将拟合得到的连续函数作为温度积分函数.从图上可以看出R2=0.971 8>0.9，拟合度达到拟合要求.

图3 排烟口烟气层温度在竖直方向上的分布情况

将拟合得到的T(z)=19.851e0.377 9z代入式(1)～(3)中，简化后得到

运用Matlab程序对该函数进行数值积分，得到图4即Yt随高度发生变化的曲线，从图4可以看出此时的烟气层厚度为2.5 m.

图4 总积分比在竖直方向上的分布情况

根据文献[8]，当排烟口位于顶棚时，排烟口下方烟气层厚度会随着排烟速率增大发生凹陷.图5是在火源功率15 MW、x=350.9 m、y=3 m、z=0 m采用上述积分比法计算得到烟气层厚度变化图.从图5可以看出：当排烟口设置在侧壁时，排烟口前的烟气层厚度也是随着排烟速率的增大而发生凹陷.排烟速率0～60 m3/s时，发生凹陷后的烟气层厚度随排烟速率的增大而减少，当排烟速率在80～180 m3/s时，烟气层厚度反而增大，这是因为过大的排烟速率会引起排烟口前烟气层与空气层出现严重的掺混现象，导致烟气排出量减少、烟气层厚度增大.根据烟气层厚度监测点统计的数据显示,烟气层厚度不论在横向还是纵向，都在该位置处达到最小，具体变化如图6所示.

图5 排烟口前烟气层厚度随排烟速率变化情况

(a)横向

(b)纵向

图6是排烟速率Ve=120 m3/s、t=350 s时，x=350.9 m、y=3 m处烟气层厚度沿排烟口纵横向变化图.从图中可以看出：当排烟速率一定时，烟气层厚度沿排烟口横向和纵向会出现先降低后增大的变化，在x=350.9、y=3 m处达到最小；但总体上来看,变化的比较平缓.

图7是在Ve=60 m3/s、Ve=120 m3/s时火源左右50 m处的烟气层厚度和温度变化统计图.从中可以看出：排烟速率较小时，火源左侧和右侧烟气层厚度和温度并没有出现很大差值，烟气层厚度和温度的平均值都比较接近；随着排烟速率的增大，右侧排烟口烟气层和空气层湍流现象的出现，火源左侧和右侧烟气层厚度和温度开始出现差值，并且厚度和温度的平均值之差明显大于排烟速率较小时.从图中还可以看出：不论在排烟速率Ve=60 m3/s还是Ve=120 m3/s，火源右侧的烟气层厚度和温度变化趋势都是一致的，平均厚度和温度值都是接近的，从而可以看出排烟口对于排烟系统来说是必不可少的，这点与从图5、6分析得到的结论是一致的.

(a)Ve=60 m3 /s

(b) Ve=120 m3 /s

3 结论

本文建立了尺寸为450 m×10 m×5 m的大排烟口隧道模型，并以此为模拟对象，对不同排烟速率下的隧道内烟气层温度、厚度进行了数值模拟分析.结论如下：

(1)当排烟口设置在侧壁时，排烟口前的烟气层厚度也是随着排烟速率的增大而发生凹陷；排烟速率0～60 m3/s时，烟气层厚度随排烟速率的增大而减少；80～180 m3/s时，烟气层厚度反而增大；

(2)排烟速率一定时，烟气层厚度沿排烟口横向和纵向会出现先降低后增大的变化；但总体上来看，变化很平缓；

(3)排烟速率较小时，火源左侧和右侧烟气层厚度和温度的平均值都比较接近；随着排烟速率的增大,厚度和温度的平均值出现差值，并且差值明显大于排烟速率较小时.

[1]姜学鹏，袁月明.隧道集中排烟速率对排烟口下方烟气层吸穿现象的影响[J].安全与环境学报,2014,14(2):36- 40.

[2]胡隆华，霍然，李元洲，等.地下长隧道补气口位置对火灾机械排烟效率的影响[J].中国工程科学,2005,7(5):90-92.

[3]蒋亚强，霍然，胡隆华，等.隧道火灾时横向排烟对烟气层化特性的影响研究[J].工程力学,2010,27(7):245-250.

[4]LINJIE LI, ZIHE GAO, JIE JI, et al. Research on the phenomenon of plug-holing under mechanical smoke exhaust in tunnel fire[J]. Procedia Engineering,2013,62,1112-1120.

[5]WU Y, BAKAR M Z A. Control of smoke flow in tunnel fires using longitudinal ventilation systems-A study of the critical velocity[J]. Fire Safety Journal,2000,35:363-390.

[6]SHI W X,JI J, SUN J H， et al. Experimental Study on the Temperature Distribution in an Emergency Staircase of High-rise Building[J]. APCBEE Procedia,2014,9:365-369.

[7]FUTOSHI TANAKA, SHOHEI MAJIMA, MASAHIRO KATO. Performance validation of a hybrid ventilation strategy comprising longitudinal and point ventilation by a fire experiment using a model-scale tunnel[J]. Fire Safety Journal,2015,71:287-298.

[8]蒋亚强，霍然，胡隆华，等.长隧道内机械排烟速率对烟气层吸穿影响的数值模拟研究[J].中国科学技术大学学报,2009,39(4):420-424.

[9]YANFU WANG, JUNCHENG JIANG, DEZHI ZHU. Full-scale experiment research and theoretical study for fires in tunnels with roof opening[J]. Fire Safety Journal,2009,44:339-348.

[10]HE YAPING, FERNANDO ANTHONY, LUO MINGCHUN. Determination of interface height from measured parameter profile in enclosure fire experiment[J]. Fire Safety Journal,1998,31:19-38.

[11]蒋亚强，霍然，胡隆华，等.长隧道内机械排烟速率对烟气层吸穿影响的数值模拟研究[J].中国科学技术大学学报,2009,39(4):420-424.

Numerical Simulation Study on the Performance of Tunnel Lateral Exhaust Smoke

LI Yu, CAI Shijie, ZHU Kaiqiang

(School of Civil and Safety Engineering, Dalian Jiaotong University, Dalian 116028, China)

For better understanding of the performance of tunnel lateral exhaust smoke, FDS software is used to establish the large exhaust vent tunnel model with the length of 450 m. Under different exhaust rates, the tunnel smoke layer temperature and thickness are analyzed. It shows that when the exhaust rate is 0-60 m3/s, the sunken smoke layer thickness is decreased with the increasing of exhaust rate. When the exhaust rate is 80-180 m3/s, the smoke layer thickness is increased. When the exhaust rate is constant, smoke layer thickness is decreasd first and then increased along the vent lateral and longitudinal direction very gentle variation. When the exhaust rate is small, smoke layer thickness and temperature change little with a close mean value. With the increasing of exhaust rate, difference value appears in the fire source left and right smoke layer thickness and temperature. Besides, the mean difference value is obviously larger than that of lower exhaust rate. Hence, suitable exhaust rate should be chosen in order to make the exhaust system to maximize performance.Keywords: fire; lateral exhaust smoke; exhaust rate; smoke parameters

1673- 9590(2016)03- 0068- 05

2015-07-01

辽宁省教育厅高等学校科学研究计划资助项目(L2015096)

李钰(1970-)，男，副教授，硕士，主要从事消防工程的研究E- mail:467797823@qq.com.

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