不同通风方式下地下环形受限空间火羽流卷吸特性研究

朱 杰，马金梅，彭 莉

(1.四川师范大学工学院，四川 成都 610101;2.四川省高校公共火灾防治技术重点实验室，四川 成都 610101)

地下环形受限空间是一种新型的地下公共交通系统，不同于普通隧道，其主体多呈环形，受结构、曲率、坡度、出入口、通风方式的影响，火羽流运动特性复杂，属典型的倾斜非轴对称火羽流且可能发生二次流动，普通受限火羽流模型无法适用[1-2]。在地下环形受限空间日益普及以及消防安全日渐重视的背景下，开展地下环形受限空间火羽流运动机理研究是必要而且是迫切的。

不同通风方式对地下环形受限空间火羽流卷吸特性及其运动规律会产生较大的影响[3-5]。不同通风条件下，受边壁效应的影响[6-8]，火羽流的变化规律复杂，当火源位于环道主干隧道、出入口支路隧道、交叉路口隧道处时，火羽流的卷吸机理和蔓延过程截然不同，可能会出现长通道火羽流、墙角火羽流、丁字火羽流、十字火羽流等多个火羽流形式及其组合[9-11]；同时地下环形受限空间内气流结构及主控热反应机制也会发生改变，对火羽流的分层形态、水平流动速度、火羽流质量流率、温度场、速度场等卷吸特性将会产生重要的影响，目前这方面的研究还不够深入，国内外鲜见报道[12-14]。

本文以某典型地下环形受限空间为研究对象，基于火灾动力学软件FDS大涡模拟研究了横向、半横向、纵向三种不同通风方式下，不同火源位置火羽流的分层形态及其演化过程，定量分析了火羽流的温度场、浓度场、速度场等卷吸特性，最终确定其运动机理，为受限空间火灾烟气控制、人员疏散以及火灾综合防治提供理论依据[15-17]。

1 试验组织与实施

本文以某典型地下交通环道为研究对象。该项目为单向三车道,主环道全长2.8 km,净高4.0 m；隧道横断面面积为42.9 m2，共8个隧道主出入口，42个与车库相连分车道，6处下沉广场，主隧道的行车为单向逆时针，后期运营仅允许小汽车通行；防烟分区为130 m，采用机械排烟系统(其中横向通风均匀布置送风口和排风口；半横向通风通过通风管道对隧道内进行排风；纵向通风采用射流风机对隧道纵向通风)。该典型地下交通环道的几何模型和物理模型，见图1和图2。

图1 某典型地下交通环道几何模型及出入口车道 示意图Fig.1 Diagrammatic sketch of geometric model and lanes at entrance/exit of a typical under- ground traffic link tunnel

图2 某典型地下交通环道物理模型图Fig.2 Physical model diagram of a typical underground traffic link tunnel

本文选用专业火灾动力学软件FDS进行模拟试验，该软件专门用于对火灾进行三维数值模拟，在火灾科学研究领域中已经得到广泛使用，并且大量的试验验证了该软件模拟的可靠性。大多数情况下，火灾所引起的流动都是湍流，本文选用大涡模拟方法(Large Eddy Simulation,LES)，求解热浮力驱动的低马赫数的Navier-Stockes方程，其基本思想是燃料和燃烧产物与周围空气充分混合，且混合产生的烟气涡旋足够大，从而可以精细求解动力学方程[18-20]。

参考国内外相关文献，本文保守选取火源功率为10 MW(约3辆小型轿车同时发生火灾且灭火系统未能正常启动时热释放速率[21-24])，t2-超快速增长火，风速为3 m/s；根据环形隧道结构、行车特点、通风方式，综合考虑火灾最不利情况，确定了横向、半横向、纵向三种通风方式下，火源位于主干隧道、出入口支路隧道、分车道与主隧道交叉路口隧道9个火灾场景，详见表1。

表1 不同通风方式下火灾场景设置

2 结果与讨论

地下环形受限空间结构独特，相对于普通狭长受限空间而言，火灾烟羽流在纵向上的蔓延速度快于横向方向，烟羽流在水平界面可能会产生较大的剪切力，速度及剪切造成烟羽流分层流界面附近出现不同类型的不稳定机制，加剧了两层之间的卷吸和掺混[25-26]。

2.1 主干隧道不同通风方式下火羽流的卷吸特性分析

2.1.1 火羽流温度场的变化规律

地下环形受限空间火灾烟羽流温度高于沿途衬砌温度，在扩散过程中，由于燃烧引起的冷热空气对流，以及烟羽流不断地与周围物体进行热交换，隧道衬砌得到热能，其温度不断升高，烟羽流失去热能温度逐渐下降，其影响沿隧道纵向逐渐减弱。当火源位于主干隧道处时，受边壁效应的影响火灾烟羽流在纵向上的蔓延占主导。不同通风方式下火源上、下风向在受限空间内顶棚温度的变化曲线，见图3和图4。

图3 不同通风方式下火源上风向在受限空间内顶棚 温度的变化曲线Fig.3 Variation curves of the ceiling temperature in confined space upwind from the fire source under different ventilation modes

图4 不同通风方式下火源下风向在受限空间内顶棚 温度的变化曲线Fig.4 Variation curves of the ceiling temperature in confined space downwind from the fire source under different ventilation modes

由图3可见，在火源上风向，因排烟效率的不同，纵向通风方式下在受限空间内顶棚的初始温度最高，其次为横向通风方式，半横向通风方式最低；随着距火源距离的增加，在受限空间内顶棚的温度均在下降；在火源上风向距火源30 m处，横向、半横向通风方式下在受限空间内顶棚的温度变化规律基本吻合；在火源上风向距火源60 m处，其温度达到了25℃，半横向通风方式下在受限空间内顶棚的温度略低于横向通风方式。

由图4可见，在火源下风向，因排烟效率的影响，横向通风方式下在受限空间内顶棚的温度最高，可达1 100℃，半横向通风方式次之，纵向通风方式最低；在火源下风向，随着距火源距离的增加，横向、半横向通风方式下，在受限空间顶棚内的温度下降速率较大，其变化规律基本一致，但半横向通风方式下在受限空间内顶棚的温度略低于横向通风方式，距火源100 m处，其温度仅为20℃；随着距火源距离的增加，纵向通风方式下在受限空间内顶棚的温度也在下降，但均较横向及半横向通风方式下在受限空间内顶棚的温度高。

研究还发现，当火源位于主干隧道时，在纵向通风方式下火羽流的蔓延速度远远大于横向、半横向通风方式，当火灾发生在1 200 s时，纵向通风方式下火羽流已经蔓延至环道弯道处。综合对比，半横向通风方式下在受限空间内顶棚的温度最低。

2.1.2 烟羽流高度的变化规律

在自然通风条件下，地下环形狭长受限空间内火灾烟羽流层化结构较稳定，火灾烟气会蔓延至与外界大气相通的出口后排出；但在强迫通风或排烟作用下，烟气受到强迫气流扰动，烟羽流层化结构稳定性遭到破坏，进而对人员安全逃生构成威胁。当火源位置位于主干隧道处，不同通风方式下火源上、下风向烟羽流高度的变化过程，见图5和图6。

图5 不同通风方式下火源上风向烟羽流高度的变化曲线Fig.5 Variation curves of the smoke plume height upwind from the fire source under different ventilation modes

由图5和图6可见，初始火源功率较大，又为地下环形受限空间，瞬时产烟量较大又无法及时排出，在火源上风向距火源30 m范围内，不同通风方式下烟羽流高度小幅下降，此后，随着距火源距离的增加，烟羽流高度持续增加，稳定在3.8 m范围内(见图5);在火源下风向随着距火源距离的增加，烟羽流高度下降，在火源下风向距火源30 m处，200 s时烟羽流高度已经达到1.7 m(见图6)。

图6 不同通风方式下火源下风向烟羽流高度的 变化曲线Fig.6 Variation curves of the smoke plume height downwind from the fire source under different ventilation modes

2.1.3 火羽流CO浓度场的变化规律

地下环形受限空间受结构特点的影响，其火灾烟气难以迅速彻底排出，其火羽流输运特性的研究值得关注。当火源位置位于主干隧道时，不同通风方式下火源上、下风向火羽流CO浓度的变化过程，见图7和图8。

图7 不同通风方式下火源上风向火羽流CO浓度的 变化曲线Fig.7 Variation curves of the CO concentration of the fire plume upwind from the fire source under different ventilation modes

图8 不同通风方式下火源下风向火羽流CO浓度的 变化曲线Fig.8 Variation curves of the CO concentration of the fire plume downwind from the fire source under different ventilation modes

由图7和图8可见，当火源位于主干隧道时，因纵向通风方式无法迅速、及时地排出火灾烟气，易造成火羽流集聚，火源上、下风向不同距离处纵向通风方式产生的CO浓度均高于半横向和横向通风方式，纵向通风方式对CO浓度的影响较大；半横向和横向两种通风方式下CO的产生量基本一致，半横向通风方式下产生的CO浓度值低于横向通风方式；在火源上风向，随着距火源距离的增加，CO浓度降低，在火源下风向，由于燃烧持续，CO浓度呈现局部升高。

2.2 出入口支路隧道不同通风方式下火羽流的卷吸特性分析

2.2.1 火羽流温度场的变化规律

当火源位置位于出入口支路隧道时，受通风方式及边壁效应的影响，易形成丁字羽流，火羽流部分沿主干隧道纵向蔓延，部分撞击受限空间顶棚后沿出入口支路隧道蔓延，其顶棚温度低于火源位于主干隧道处，若通风措施不当，极易造成风流紊乱。不同通风方式下火源上、下风向在受限空间内顶棚温度的变化过程，见图9和图10。

图9 不同通风方式下火源上风向在受限空间内顶棚 温度的变化曲线Fig.9 Variation curves of the ceiling temperature in confined space upwind from the fire source under different ventilation modes

图10 不同通风方式下火源下风向在受限空间内顶棚 温度的变化曲线Fig.10 Variation curves of the ceiling temperature in confined space downwind from the fire source under different ventilation modes

由图9和图10可见，不同通风方式下，火源上、下风向随着距火源距离的增加，在受限空间内顶棚的温度均下降；在火源上风向，随着距火源距离的增加，横向通风方式下在受限空间内顶棚的温度较半横向、纵向通风方式大，但都在人体所能承受的范围以内(温度低于27°)，半横向通风方式下在受限空间内顶棚的温度最低，发生火灾时人员应向火源上风向逃生；在火源下风向，随着距火源距离的增加，横向通风方式对受限空间内顶棚温度的影响较半横向、纵向通风方式明显，横向通风方式下在受限空间内顶棚的温度最低。

2.2.2 烟羽流高度的变化规律

当火源位置位于出入口支路隧道时，受丁字边壁效应的影响，火羽流强迫火源下风向蔓延速度增加，火源下风向烟羽流高度下降速率高于火源位于主干隧道。不同通风方式下火源上、下风向烟羽流高度的变化过程，见图11。

图11 不同通风方式下火源上、下风向烟羽流高度的 变化曲线Fig.11 Curves of fire plume height upwind and downwind from the fire source under different ventilation modes

由图11可见，在不同通风方式下火源上、下风向烟羽流高度的变化基本一致，烟羽流高度均较低，可能会影响人员的安全疏散。

2.2.3 火羽流CO浓度场的变化规律

不同于主干隧道火灾，出入口支路隧道处自然通风条件好且空间较为开阔，通风方式对烟气蔓延的影响较小。当火源位置位于出入口支路隧道时，不同通风方式下火源上、下风向火羽流CO浓度的变化过程，见图12。

由图12可见，距火源一定距离处不同通风方式

图12 不同通风方式下火源上、下风向火羽流CO浓度的变化曲线Fig.12 Variation curves of CO concentration upwind and downwind from the fire source under different ventilation modes

随着距火源距离的增加，CO浓度均降低；火源下风向在距火源位置较远时半横向通风方式下CO浓度较低，基本可以忽略，距火源位置较近时三种通风方式下CO浓度的变化基本一致。

2.3 交叉路口隧道不同通风方式下火羽流的卷吸特性分析

2.3.1 火羽流温度场的变化规律

当火源位置位于交叉路口隧道时，易形成十字羽流，羽流撞击受限空间顶棚后蔓延一段距离，受边壁效应的影响，沿主干隧道和交叉路口隧道各支路蔓延，因交叉路口隧道空间结构较主干隧道和出入口支路隧道开阔，火羽流蔓延较为迅速，不易集聚。当火源位置位于交叉路口隧道处，不同通风方式下火源上、下风向在受限空间内顶棚温度的变化过程，见图13。

由图13可见，当火源位于交叉路口隧道时，火源上、下风向受限空间内顶棚的温度均低于70°，横向通风方式下在受限空间内顶棚的温度最高，纵向通风方式下在受限空间内顶棚的温度最低；在受限空间内顶棚的温度均随着距火源距离的增加而降低；火源上风向在受限空间内顶棚的温度下降缓慢，纵向通风方式下，在距火源60 m处在受限空间内顶棚的最高温度为35°。

图13 不同通风方式下火源上、下风向在受限空间内顶棚温度的变化曲线Fig.13 Variation curves of the ceiling temperature in confined space upwind and downwind from the fire source under different ventilation modes

2.3.2 烟羽流高度的变化规律

当火源位置位于交叉路口隧道时，火羽流受十字羽流影响可向四周蔓延，受火羽流卷吸作用的影响，火灾持续时间更久，蔓延距离更长。当火源位置位于交叉路口隧道处，火源上、下风向烟羽流高度的变化过程，见图14。

由图14可见，当火源位于交叉路口隧道时，不同通风方式下烟羽流高度的变化规律基本一致，较火源位于主干隧道和出入口支路隧道时，火源上、下风向烟羽流的下降速率均增大，烟羽流蔓延更为复杂。

2.3.3 火羽流CO浓度场的变化规律

当火源位置位于交叉路口隧道时，火源上、下风向火羽流CO浓度的变化过程，见图15。

由图15可见，当交叉路口隧道处发生火灾时，火源位置处纵向通风方式下CO浓度较横向、半横向通风方式下CO浓度低，距火源一定距离处火源上风向三种通风方式下CO浓度基本一致；火源下风向20 m处半横向通风方式下CO浓度较其他两种通风方式大，在距火源位置较远处不同通风方式对CO浓度的影响不大。

图14 不同通风方式下火源上、下风向烟羽流高度的变化曲线Fig.14 Variation curves of the fire plume height upwind and downwind from the fire source under different ventilation modes

图15 不同通风方式下火源上、下风向火羽流CO浓度的变化曲线Fig.15 Variation curves of CO concentration upwind and downwind from the fire source under different ventilation modes

3 结 论

(1) 地下环形受限空间火羽流的卷吸特性复杂，易受空间结构、曲率、坡度、出入口、通风方式等多因素的耦合作用，属典型的倾斜非轴对称火羽流，且易发生二次流动。

(2) 不同通风方式可改变火羽流主控热反应的机制，会对火羽流卷吸特性、运动规律、温度场、浓度场、烟羽流高度等有较大影响；不同通风方式下，当火源位于主干隧道、出入口支路隧道和交叉路口隧道时，会出现长通道火羽流、墙角羽流、丁字羽流、十字羽流等多个火羽流形式及其组合。

(3) 当火源位置位于主干隧道时，半横向通风方式下火羽流在受限空间内顶棚的温度、CO浓度最低，三种通风方式下烟羽流高度的变化规律基本一致，半横向通风方式最佳；当火源位置位于主出入口支路隧道时，火羽流在受限空间内顶棚的温度低于火源位于主干隧道，横向通风方式下火羽流在受限空间内顶棚的温度最低，三种通风方式下烟羽流高度、CO浓度的变化规律基本一致，横向通风方式最佳；当火源位于交叉路口隧道时，因火羽流蔓延途径较多，火羽流在受限空间内顶棚的温度较低，纵向通风方式下对温度场、浓度场及烟羽流高度变化的影响明显优于横向、半横向通风方式。

(4) 为提升地下环形受限空间整体的消防安全性能，其排烟方式建议采取多种排烟方式的组合为佳。