基于空气幕与排烟系统的隧道火灾烟气控制研究*

陈祉颖，牛国庆，王舒梦，郭宸玮

(河南理工大学 安全科学与工程学院，河南 焦作 454000)

0 引言

盾构隧道因不影响地面交通及河道航运，成为现代交通系统的重要组成部分。由于隧道封闭段狭长，一旦发生火灾将导致极具破坏性的后果，其中烟雾和有毒气体是火灾中最致命的因素，占火灾伤亡人数的85%[1-2]。发生隧道火灾时，隧道通风系统主要采用纵向、横向或半横向通风方式进行排烟[3]。虽然纵向通风由于易操作和成本低一直应用广泛，但其会引起下游烟气浓度增加且不利于人员疏散；与纵向通风模式不同，半横向通风系统虽需要构造竖井和烟道，但可以有效消除并减少隧道顶棚附近高温烟气的扩散，且烟道的空气流基本不会干扰烟层。通常为解决火灾排烟问题盾构隧道会预设排烟风道，因此，本文在半横向排烟的基础上增设空气幕系统，空气幕可在允许车辆移动的同时限制烟气流动，使1个或多个隧道段能够从空气动力学角度与外部和彼此隔离[4]，从而做到更安全地疏散。

在烟气运动的预防和控制中，空气幕在阻止通过无物理屏障的开口进行质量和热传递方面起着较大的作用[5]。为找出设计参数和条件对提高防烟效果的贡献，有必要对气幕阻烟性能进行分析。Jung等[6]对隧道空气幕阻烟性能进行研究得出，气幕射流角度为0°不能阻挡不利气流，角度20°可有效阻隔烟气；Luo等[7]通过缩尺实验和FDS数值模拟研究空气幕对高层建筑火灾烟气的抑制效果，结果表明空气幕的挡烟效果优于挡烟垂壁；Gao等[8]运用CFD探讨在不同热释放速率下，空气幕宽度、出口速度和角度对其烟气约束效果的影响，并提出可用于隧道火灾空气幕设计参数与热释放率的关系式；Moureh等[9]基于CFD和实验分析，研究空气幕封闭空腔和外部侧向流作用下的空气动力学行为和有效性。近年来，越来越多的研究将空气幕与传统防排烟模式进行组合设置。陈静等[10]对地铁站台火灾的防排烟模式进行优化研究，结果表明站台排烟与空气幕的联合作用可保证人员6 min的疏散时间；余明高等[11]运用FDS优化选择车厢火灾的防排烟方式，发现单独空气幕或机械排烟的控烟效果远不及二者复合效果；Viegas等[12]通过全尺寸火灾实验，研究放热率、排风量、平面射流速度、射流宽度和坡度对烟气密性的影响，建立空气幕的预测模型。综上所述，高效的防排烟措施对隧道火灾的防治和人员疏散具有重要意义。

目前空气幕在隧道内的实际应用较少，法国巴黎西部地下通道的A86与A13交汇处为其中之一。关于空气幕的研究主要针对地上建筑入口大门、地铁楼梯口等处，研究内容多局限于单一防烟空气幕作用下的阻烟特性，而普遍忽略机械排烟对其阻隔性能的影响，但对隧道火灾时有效的防排烟措施研究甚少。因此，本文在前人研究的基础上，利用FDS数值模拟软件，研究射流速度、排烟量和空气幕与排烟口间距对隧道火灾时空气幕与机械排烟复合作用下烟气蔓延的影响，优化选择最佳防排烟组合方式，为隧道防排烟设计参数选取提供参考依据。

1 模拟计算

1.1 物理模型

本文以武汉三阳路越江隧道盾构段为研究对象，利用FDS对截取段进行数值构建。为简化其模型，截取隧道长160 m，下层行车道横截面为高×宽等于5.2 m×12 m的矩形，上层排烟道横截面为高1.8 m的拱形，为便于观察，将拱形部分隐藏，隧道模型如图1所示。

图1 隧道几何模型Fig.1 Geometric model of tunnel

1.2 模拟计算条件

参考美国防火协会NFPA502[13]中有关公路隧道火灾规模的设计，选取经典车辆火灾规模的功率为20 MW，火源燃料为庚烷，尺寸为6.2 m×2 m，采用非稳态t2超快速火，火源增长系数为0.187 8，火源中心置于隧道地面的横向中心处。隧道两端出入口设置为“Open”表面，排烟口设为“Exhaust”表面，空气幕开口设为速度入口边界条件，隧道内所有的壁面均取绝热边界条件。环境温度设为20 ℃，进出口大气压强为0.101 3 MPa，模拟时长取360 s。

1.3 排烟口与空气幕设置

空气幕射流速度、角度及其宽度对其阻隔性能有较大影响，根据文献[6]，空气幕最佳射流角度为20°，空气幕宽度0.4 m，因此，本文将空气幕射流角度及宽度分别设定为20°与0.4 m。空气幕安装在隧道顶部且与隧道同宽，由从长条形出口吹出的气流形成，尺寸为12 m×0.4 m。空气幕射流流速设置为15～30 m/s。

参考《铁路隧道防灾疏散救援工程设计规范》(TB 10020—2017)[14]和文献[15]关于排烟量的设置，排烟量取80～120 m3/s。该隧道顶部设有排烟道，且沿顶隔板中心线每隔60 m均匀布置尺寸为4 m(横向)×1.5 m(纵向)的电动排烟口，相隔空气幕间均匀设置2个排烟口并针对火源呈对称分布。

防排烟系统在火灾发生时立即开启，为研究空气幕与机械排烟复合作用下对烟气流动的影响，设置火灾模拟工况，见表1，其中，v为空气幕射流速度，m/s；Vp为排烟量，m3/s；d为空气幕与排烟口间距(以下称间距)，m。

表1 火灾模拟工况设置Table 1 Setting of fire simulation conditions

1.4 计算域网格

参照Kevin等相应的网格独立性测试实验可知，火源特征直径D*与计算网格尺寸δx的比例在4～16之间时[16]，可得出合理的求解结果。其中火源特征直径计算如式(2)所示：

(1)

式中:Q为火源热释放速率，kW；g为重力加速度，m/s2，取9.8 m/s2；cp为空气的定压比热，kJ/(kg·K)；ρ0为空气密度，kg/m3；T0为环境初始温度，K。

火源热释放速率为20 MW时，计算可得D*≈3.18 m。综合考虑计算结果以及计算机的性能，本文选用0.1D*网格尺寸对空气幕附近10 m范围进行加密，其他部分采用0.2D*计算。

1.5 监测点与安全标准设置

依据相关规范[14]选取人眼特征高度2 m处烟气温度低于60 ℃、可见度高于10 m作为人员安全疏散的标准。

在Z=2，5 m平面，沿隧道中心线均匀布置热电偶和可见度测点，间隔1 m；在各排烟口中心点布置CO2质量流量测点；在右排烟口中心及左右两侧竖直方向分别布置8个热电偶，相邻热电偶串间距为5 m，并在Y=0平面设置速度及温度切片，监测烟气参数的变化规律。

2 模拟计算结果分析

以火源位置为原点，隧道左侧距火源的距离用负值表示，隧道右侧距火源的距离用正值表示。由于烟气流动的非稳定性，温度、可见度选取火源释热速率达到最大值后的330～360 s内控烟区-80～-20 m段的平均值。

2.1 实验验证

2.1.1 小尺寸实验

文献[15]建立武汉越江隧道的排烟实验，结果可用于验证本文数值模拟的可靠性。为保证模型与实体内流体动力学相似，需满足式(2)～(4)比例关系[17]：

Qm/Qf=(Lm/Lf)5/2

(2)

Tm/Tf=Lm/Lf

(3)

Vm/Vf=(Lm/Lf)5/2

(4)

式中：Qm，Qf分别为模型隧道与实体隧道的火源功率，kW；Tm，Tf分别为模型隧道与实体隧道的烟气温度，K；Vm，Vf分别为模型隧道与实体隧道的排烟量，m3/s；Lm,Lf分别为模型隧道和实体隧道距火源的距离，m。

为验证FDS模拟软件在隧道火灾防排烟模式中的准确性，设置V1=80 m3/s，V2=100 m3/s，V3=20 m3/s 3种排烟量。依据Froude数相似准则，数值模拟全尺寸隧道与小尺寸模型隧道的设置见表2。

表2 数值模拟与小尺寸实验Table 2 Numerical simulation and small scale experiment

2.1.2 验证分析

将对应测点烟气温度实验数据与模拟数据进行比较，结果如图2所示。由图2(a)可知，模拟结果与实验值较接近，吻合较好，相对误差小于1%；图2(b)实验结果具有波动性，在火源与排烟口之间靠近火源区域测点的计算值略低于实验值，这可能是由实验仪器误差及火源的不稳定燃烧造成的，但总体模拟结果与实验结果较吻合，表明FDS模拟软件具有较高准确性，可用于组合烟气控制方式对隧道火灾防排烟的研究。

图2 FDS模拟与实验温度值结果对比Fig.2 Comparison on temperature of FDS simulation and experiment

2.2 气幕与排烟口间距优化选择

理论上，空气幕封闭空腔射流气流和排烟外抽气流作用下的空气动力学行为相互影响，为验证这一预想的可靠性及对防烟效果的影响，建立不同间距的防排烟模拟模型。在距排烟口5～35 m处设置安全气幕，对工况4～9进行模拟，得出不同间距下的气幕射流、温度和能见度的变化情况。

2.2.1 空气幕速度流线分析

隧道火灾时，仅空气幕作用、机械排烟与空气幕复合作用下不同间距的空气幕(左)速度矢量图如图3所示。

图3 空气幕射流速度矢量图Fig.3 Vector diagram for jet velocity of air curtain

气幕稳定运行的条件必须有足够的动力性能强度来抵抗横向压力的破坏，形成1个稳定的连续气流来发挥气幕的屏障作用，从而阻止隧道内火灾产生的烟气向隧道出入口蔓延[18]。图3(a)显示在无排烟情况下，空气幕射流未到达隧道底板，大量射流流量流向疏散区。这是由于发生火灾时随时间推移烟气不断累积，导致控烟区内压力增加，使得射流曲线开始弯曲，偏转角改变。由于排烟口的抽吸作用，增加排烟系统会缓解烟气的累积效应。在火灾初期，控烟区内形成负压，气幕向控烟区内部偏转。由图3(b)～(d)可知，随着d的增加，气幕射流偏转角与路径差异明显，d=10 m时，气幕受排烟系统作用较强，射流无法到达地面，偏转角最大；d=20 m时，射流路径呈现“S”型，这是由于空气幕射流扰动挤压周围的空气形成漩涡，该间距下形成的涡流更严重，使得射流不稳定波动较大；d=30 m时，空气幕射流到达地面向两侧流去，所形成的涡流较少。因此，对比发现d=30 m较10，20 m射流更为稳定。

2.2.2 烟气温度

由于火灾烟气关于火源呈对称分布，对隧道一侧温度数据进行分析即可，绘制不同间距下人体特征高度处温度变化曲线，如图4所示。

图4 控烟区人眼高度处横向温度变化曲线Fig.4 Change curves of transverse temperature at height of human eye in smoke control zone

由图4可知，在排烟口附近，均出现最低温度，在空气幕处温度均有一定幅度增长，这是由于空气幕间形成相对密封空间，平面射流阻挡了横向来流烟气并使其向下蔓延，高温烟气会在空气幕近前方产生累积效应而导致其温度提高。当d=10，20，30 m时(对应工况6～8)空气幕位置处人眼高度温度分别为68，71，53 ℃，随着d的增大控烟区温度先增大后减少，d=20 m时，控烟区温度最高，防烟效果最差，不可取。对d=5，35 m(工况5和9)2组工况分别进行比较，d=5 m较10 m时空气幕处累积温度有所降低，但控烟区平均温度显著增加，这是由于空气幕与排烟口距离过近，大量气幕的射流冷空气被卷吸至排烟道，使得排烟效率降低所致。d=30，35 m时，控烟区的累积效应得到明显减弱，温度波动在50 ℃左右，但d的增加对于控烟区温度改善作用并不明显。因此空气幕与排烟口间距不可过小，过小则气幕射流受排烟口影响较大，降低排烟效率；也不可过大，过大则拉长控烟区长度不利于人员疏散，故选取30 m为最优。

从控烟区横向与纵向温度分布看，d=30 m的控烟效果最好。

2.2.3 可见度

不同间距下人眼高度Z=2 m中心线上可见度分布情况如图5所示。由图5可知，d=10，20 m时，其控烟区可见度最小值，分别为12.2，10.3 m，在火灾发展阶段，某时瞬可见度低于10 m，给人员安全逃生带来威胁；在d=30 m间距下，可见度最小值为15.3 m，远高于10 m临界值，为人员安全疏散创造有利条件。因此，d取30 m防排烟效果最佳。

图5 控烟区人眼高度处可见度变化曲线Fig.5 Change curves of visibility at height of human eye in smoke control zone

2.3 空气幕与机械排烟复合作用下对烟气蔓延影响

通过本文研究可知，复合作用下空气幕与排烟口间距为30 m时防排烟效果最好，在此基础上，为考察复合作用下排烟量与射流速度变化对烟气蔓延的影响，分别对工况10～18进行模拟计算及对比分析。

2.3.1 烟气蔓延

火灾发生360 s时单独排烟作用、单独空气幕作用及空气幕与机械排烟复合作用下烟气蔓延情况如图6所示。

图6 不同控烟方式作用下烟气蔓延情况对比Fig.6 Comparison of smoke spread under different methods of smoke control

由图6可知，仅开启排烟系统时，烟气沿隧道出入口方向向外蔓延，机械排烟可以有效地控制烟气稳定在一定高度，但导致整个行车空间充满烟气；单独空气幕作用时，空气幕有效阻挡烟气向隧道两侧延伸，造成控烟区烟气积聚，随着火源持续燃烧，烟气不可能完全被隔断，总有部分烟气突破气幕向外溢出；当空气幕与机械排烟复合作用时，空气幕可以有效控制烟气并限制在控烟区内，机械排烟排出控烟区积聚烟气，一定程度上减少控烟区与外部的热质交换，烟气得到较好的控制。由此可见，复合作用优于任一单独防排烟模式。

2.3.2 烟气温度

不同控烟方式作用下烟气平均温度分布曲线如图7所示。由图7可知，仅空气幕作用时，控烟区最高温度达到157 ℃，远超人体承受温度，疏散区温度稳定在34 ℃左右，说明空气幕对烟气蔓延有较强的阻挡作用；随着排烟系统的开启烟气平均温度明显降低，排烟口-气幕段最高温度仅为66 ℃，与仅空气幕作用相比降低超61%。说明机械排烟作用显著，可以大大降低烟气温度，也进一步说明复合作用的重要性。

图7 不同控烟方式作用下烟气平均温度变化Fig.7 Change of average smoke temperature under different smoke control methods

空气幕与机械排烟系统复合作用下Z=2 m烟气平均温度变化曲线如图8所示。由图8(a)可知，随着v增大，烟气平均温度随气幕供风量增加相应降低，相同的射流速度增量造成其平均温升的变化量逐渐减少；且与图7对比分析可知，当Vp=100 m3/s时，增加v，烟气温度基本一致，这是由于射流速度的增加可能会加快热烟气的对流，冷空气的注入一定程度上可以降低温度，而空气幕只能起到良好阻烟作用，达到一定速度后，速度的增加对温降效果不明显。因此，不可过度增加射流速度，取20～25 m/s即可。

图8 复合作用下烟气平均温度变化曲线Fig.8 Change curves of average smoke temperature under combined action

由图8(b)可知，随着排烟量从80 m3/s增加至120 m3/s，烟气温度呈阶梯式降低，空气幕处温度约下降25 ℃，这是由于随着排烟量增加，积聚的高温烟气减少，温度也将相应下降，但在图8中，当v=20或30 m/s时改变Vp，同样发现烟气降温显著。因此，机械排烟能大幅降低烟气温度，同一射流速度下，排烟量越大温度越低，机械排烟对温度影响比空气幕作用效果显著。由图8可知，对比Vp一定时增加v与v一定时增加Vp的温度差变化，后者的降幅更大，效果更为显著，因此在某种程度上，增加排烟量可降低所需气幕射流速度；且Vp=80 m3/s时空气幕附近温度高于60 ℃，因此，排烟量应不小于80 m3/s，但想要达到更好的控烟效果，亟需找出合理排烟量。

2.3.3 可见度

空气幕与机械排烟系统复合作用下Z=2 m可见度分布如图9所示。当Vp=80 m3/s时，v每增加5 m/s,空气幕处可见度依次增加4，-1 m，v=30 m/s与25 m/s相比，可见度不增反降，这是因为速度的增加使得烟气与空气之间掺混作用增强，加快控烟区烟气扰动降低可见度，由此可见空气幕射流速度并不是越大越好；当Vp=100或120 m3/s时，v=20，25 m/s能见度变化情况基本一致。因此，为更好的防排烟效果，射流速度不宜过大，取20 m/s最佳。

图9 复合作用下烟气平均可见度变化曲线Fig.9 Change curves of average smoke visibility under combined action

当v=20 m/s时，Vp=80，100，120 m3/s的可见度依次为10.3，16.7，22.6 m，均达到人员疏散标准。

2.3.4 排烟效率

排烟效率是衡量火灾排烟效果最直接的指标，排烟口的排烟效率=单位时间内所有排烟口通过的CO2量/火源生成的CO2量。气幕射流速度20 m/s时，不同排烟量的排烟效率变化曲线如图10所示。由图10可知，保持射流速度为20 m/s不变，随排烟量增大排烟效率呈增大趋势，在排烟量从90 m3/s增加到100 m3/s时，排烟效率的增量最大，增幅超13%，继续增加排烟量，排烟效率的变化不明显。因此，综合考虑防排烟的有效性和经济性，取v=20 m/s，Vp=100 m3/s为最优防排烟组合方式。

图10 射流速度为20 m/s时，排烟效率变化曲线Fig.10 Change curve of smoke exhaust efficiency with jet velocity of 20 m/s

3 结论

1)空气幕与排烟口间距对射流特性与烟气蔓延有较强影响，间距为20 m效果最差；间距过小气幕射流与排烟口相互影响，降低排烟效率；间距过大，则拉长控烟区长度不利于人员疏散，气幕与排烟口间距d=30 m的控烟效果最好。

2)机械排烟、空气幕的控烟效果远不及二者复合作用。空气幕可有效控制烟气并限制在控烟区内，机械排烟可排出控烟区积聚烟气，复合作用可实现可靠挡烟和有效排烟，最大程度保证人员安全。

3)复合作用下，随着射流速度的增大，相同的射流速度增量造成烟气温升的变化量逐渐减少，射流速度取20～25 m/s；机械排烟对温度与可见度影响比空气幕作用效果显著，一定程度上增加排烟量可降低气幕射流速度，排烟量需大于80 m3/s。

4)综合考虑防排烟的有效性和经济性，当火源功率为20 MW时，取v=20 m/s，Vp=100 m3/s为最优防排烟组合方式。