纵向风条件下隧道喷淋系统对烟气运动影响

陈溢彬 许秦坤

(西南科技大学环境与资源学院 四川绵阳 621010)

0 引言

随着城市化进程的加快，为了缓解城市交通问题，隧道被广泛修筑于各大城市中。隧道属于狭长受限空间，一旦发生火灾则后果非常严重，这类火灾的特点是升温快、烟气多，对隧道的结构破坏性极大，其火灾热释放速率远远高于其它建筑，加大了消防救援的难度。基于对该问题的研究，国内外学者提出了在隧道内安装喷淋灭火系统的建议。LIU S T[1]、李开源[2]通过实验研究表明：在隧道内安装水喷淋系统对烟气冷却具有一定效果，在喷淋系统的作用下火灾烟气温度明显降低，热辐射能力减弱，减小了火势蔓延及轰燃的发生概率；王依晗等[3]通过模拟实验研究了单喷淋系统对建筑通道内烟气温度的影响，在单喷淋系统的作用下火灾烟气温度逐渐降低，同时也能抑制烟气的蔓延速度；HESKESTAD G[4]研究指出,在细水雾水流率的变化过程中理论上存在一个临界量,能够恰好破坏稳态燃烧的平衡,从而熄灭火焰；SUN J等[5]利用1:10模型实验和实体隧道火灾实验证明水喷雾可以阻止烟气及热量向下游传播；其他学者[6-10]通过实验验证了不同类型的喷淋系统能降低火源热释放率、隧道温度、防止火势蔓延扩散等。

目前大多数研究都集中在喷淋系统可以降低火场温度、保护隧道结构以及给人员逃生提供必要时间，而对于喷淋系统作用下烟气沉降研究相对较少，因此合理开展该理论研究对现实具有指导意义。本文采用火灾模拟软件FDS(Fire Dynamics Simulator)[11]，对33种工况进行模拟，研究不同纵向风速作用下隧道喷淋系统对温度分布以及烟气分层现象的影响。

1 实验设置

根据研究需要建立长为100 m，宽为5 m，高为5 m水平隧道模型，火源位置位于隧道中间，火源面积为4 m2。一般来说隧道火灾的消防系统也是针对中型火灾而设计[12]，因此火源功率选取2 000 KW。在隧道内距离火源8 m间隔处设置一串热电偶作为温度测点，最高测点为隧道顶部5 m处，最低测点为隧道底部0 m位置，测点竖向间隔为0.5 m。喷淋型号选用K-25型喷头，喷淋射流类型为椭圆，喷射锥角范围为89°～180°，流量为80 L/min，喷淋工作压力为0.13 MPa，喷头的动作温度为74 ℃。依据火灾特征直径(Characteristic fire diameter)公式[11]将网格划分为0.25 m×0.25 m×0.25 m。临界风速是研究烟气运动的一个重要参数。为了更好的研究临界风速下火源下风向的烟气热分层情况，本文采用Heselden&Kennedy公式[13-14]计算临界风速，求得临界风速为V=2.3 m/s。本次实验目的是研究在纵向风条件的作用下喷淋数量以及喷淋设置位置变化对烟气运动的影响，主要通过层化曲线以及层化强度变化来表示火场烟气的运动情况。层化曲线以及层化强度是许秦坤[15]在总结前人的基础上提出的概念，层化曲线定义为隧道内某位置所对应的无量纲化温度竖向分布曲线，层化曲线的变化可以反映出烟气层的变化趋势。

火灾特征直径：

(1)

式中，D*为火灾特征直径，m；g为重力加速度，取9.81 m/s2；Q为火源热释放速率，取2 000 kW；ρ0为空气密度，取1.165 kg/m3；Cp为定压比热容，取1.005 kJ/(kg·K)；T0为环境空气温度，取303 K。

临界风速计算公式：

(2)

(3)

式中，vc为临界风速，m/s；kg为坡度修正系数，平坡和上坡取1.0，下坡取1+0.037 4ε0.8(ε为隧道坡度对应的正切值)；k为无量纲系数，取0.61；g为重力加速度，取9.81 m/s2；Q为火源热释放速率，取2 000 kW；H为隧道截面净高，取5 m；ρ0为空气密度，取1.165 kg/m3；Cp为定压比热容，取1.005 kJ/(kg·K)；A为隧道通风面积，取25 m2；Tf为烟气温度，K；T0为环境空气温度，取303 K。

计算层化强度(Stratification intensity)，公式如下：

(4)

隧道模型如图1所示。

(a)隧道示意

本次实验模拟了33种工况，如表1所示：

表1 实验工况汇总

2 结果与分析

2.1 火场温度

根据所布置的测点绘制隧道温度动态趋势图(图2)。通过选取隧道不同位置测点的平均温度来描绘整个火场温度分布情况。如图2(a)，在自然通风情况下(V=0 m/s)隧道内温度曲线呈,正态分布，由火源中心向两端递减，两侧对应位置上的温度分布比较对称。在无喷淋工况下，当风速为V=1.3 m/s时，其隧道顶棚下方最高温度接近600 ℃。随着隧道纵向风速的加大，火羽流角度发生了偏移，导致最高温度点向左偏移。风速能带走隧道内的热量，这是因为风速大的时候热空气与冷空气交换剧烈，冷空气带来的冷却作用较大，烟气运动过程中通过隧道壁传递热量，导致烟气热量散失快。风速加大的同时最高温度也开始下降，当达到临界风速(V=2.3 m/s)和超过临界风速(V=2.5 m/s)时，隧道上游维持环境温度20 ℃，说明风速越大越能限制烟气逆流，使上游不受高温烟气的影响。可知：图2(b)由隧道内温度最高点出现在V=0.8 m/s工况，温度接近470 ℃，在水喷淋的作用下整个工况温度都要低于图2(a)无喷淋工况，喷淋对隧道的冷却作用明显，热烟气在风速与喷淋系统共同作用下快速降温，水颗粒吸收了大量烟气温度，风速又加速了高温烟气的流动，大大降低了隧道内的温度也为火场逃生提供了有利条件。图2(c)显示除了自然通风情况下，其他工况温度场基本与图2(b)维持一致。而自然通风情况下由于水颗粒与上升烟气之间会产生拖拽作用，没有风速的热交换高温热烟气不易排走导致隧道烟气积聚造成温度上升。值得注意的是图2(b)中喷淋位于隧道中间即火源上方附近，图2(c)中喷淋位于隧道两侧，因此自然通风情况下出现2种不同的温度变化。由上述分析和图2(d)可以看出：无论是单喷淋还是双喷淋工况火场温度都比无喷淋的低，说明喷淋系统降温效果明显。单喷淋与双喷淋的温度交界点为风速V=1 m/s时，在风速低于该交界点时双喷淋系统的降温效果最佳，风速超过该交界点时单喷淋系统的降温效果要高于双喷淋。

(a)无喷淋

2.2 烟气分层情况

根据实验数据进行无量纲化，横坐标表示无量纲竖向高度，纵坐标表示无量纲温度。图中无量纲温度值T/Taver=1的水平虚线代表平均温度标尺线，表示在这一高度测点的温度为平均温度，在一定情况下可以将无量纲温度值等于1所对应的高度作为烟气层高度的判断依据[15]。本文根据实际燃烧情况,选取火源燃烧相对稳定的时段(150～250 s)来进行分析，如图3所示。

(a)V=0 m/s

由图3(a)—图3(c)可以看出：3种工况层化曲线最高温度点出现在无量纲高度等于1处。由于风速较小，火羽流偏移角度不大，在热辐射作用下导致了隧道顶棚温度最高。3种工况层化曲线在无量纲高度为0.7处出现交叉且交点都是位于T/Taver=1平均温度标尺线以上，此时热烟气与冷空气发生了交汇并不断达到无量纲温度的极值点，烟气层出现分层现象。

由图3(d)可以看出：单喷淋工况层化强度Is开始下降(层化强度为隧道顶部最高点与隧道底部最低点的无量纲温度之差，见公式(4))，说明烟气热分层不稳定。无量纲高度0.6以下测点温度相比其它工况(风速V≤0.8 m/s)出现了明显的上升趋势，这是因为在喷淋水颗粒的作用下，高温使得水颗粒雾化，行成雾化防烟幕对热烟气有一定的抑制作用，同时水颗粒在重力作用下会对热烟气有一定的拖拽作用，导致热烟气下降，使得隧道底部温度上升。

图3(e)—图3(i)中，随着风速增大，无喷淋和单喷淋工况层化曲线出现了很明显的变化，呈先上升后下降的趋势，原因在于风速增大的同时，火羽流角度发生倾斜，在纵向风的作用下上游烟气向下游运动，纵向风速改变了烟气温度最高点的位置，隧道顶部温度开始下降，底部由于风力对烟气的驱动作用使烟气层高度下降，底部开始升温，从而造成层化曲线。上层曲线开始下降，而下层曲线上升(位于T/Taver=1线上的为上层曲线，位于该线下的为下层曲线)，出现类似顺时针变化现象，热烟气与冷空气之间的流态遭到破坏，使其层化强度下降，混乱的烟气充满整个隧道，对烟气分层造成很大的影响。

图3(f)—图3(i)中，在无量纲高度为0.3的位置处，无喷淋和单喷淋的层化曲线开始与平均温度标尺线T/Taver=1出现交叉并随着风速的增大而逐渐超过，并有上升的趋势。说明隧道底部温度高，烟气层下降严重，风速使热烟气流动变快，热烟气不断的卷吸下层空气进行热量交换，形成更多的烟气量，造成下层温度上升。

图3(a)—图3(d)中，双喷淋工况在该区段无量纲高度(≤0.4)对应实际隧道2 m以下位置基本平行于x轴，呈现水平分布，说明此时温度为常温(环境温度)，温度较低不受烟气热辐射影响，说明烟气分层明显。但是随着风速增大，图3(f)—图3(i)中曲线开始缓慢上升，说明隧道底部开始升温，烟气层有下降趋势，但是基本还是能维持一定的分层现象，为了更好的说明该现象特将其层化曲线绘制于图4，层化曲线在无量纲高度为0.6处发生逆时针旋转，此高度为热烟气与冷空气的交界面。无量纲高度在0.6～0.9位置，低风速(1.3 m/s

图4 双喷淋工况不同风速层化曲线

当达到临界风速(V=2.3 m/s)和超过临界风速(V=2.5 m/s)时，烟气与空气充分混合，烟气沿着纵向气流向隧道下游扩散，热烟气与冷空气交界面下降，3种工况均出现明显的波动，此时虽然能保证火源上游没有烟气回流，但是对下游的影响却加大，下游烟气分层极不稳定，甚至无明显的分层现象，烟气在短时间内沉降并向下游方向扩散，导致下风向可视度下降，这将对下游人员逃生带来一定的影响。

图5为3种工况在不同风速下的层化强度对比，层化强度随着风速的加大逐渐减小，并在风速V=2.5 m/s时，层化强度基本趋于一致。造成这种现象的原因是纵向风速和喷淋系统使隧道内顶部与底部温度趋于一致，2者无量纲温度差缩小，其温度分布曲线的层化强度也随之减小。总体来说双喷淋系统下层化强度要高于其它2种，在风速V≤0.5 m/s时3者层化强度相差不大，当风速V≥0.8 m/s时双喷淋层化强度远远大与其他2种。随着纵向风速的增大(0 m/s

图5 3种工况层化强度随风速变化曲线

3 结论

层化强度越大，烟气分层就越明显，因此层化强度可以很好的描绘整个火场的特征。通过研究不同纵向风速下喷淋系统对层化曲线与层化强度的影响，得出以下结论:

(1)纵向风速是影响烟气层稳定的一个重要因素，风速越大，对层化曲线的影响越大。当风速较低(0 m/s

(2)随着风速增大，烟气层和空气层充分混合，呈现出单一混合流动，使得层化强度逐渐降低，双喷淋层化强度降幅最少，在临界风速内还能维持很好的分层情况，说明隧道内加装喷淋系统是可行的。

(3)喷淋系统给隧道带来的降温效果非常明显，2种喷淋工况的温度交界点为风速V=1 m/s。在风速V<1 m/s时，双喷淋模式的降温效果最佳；风速V>1 m/s时，单喷淋模式的降温效果要高于双喷淋，但总体来说单喷淋模式由于位置特殊(位于火源上方附近)在某个风速区间段内(如V=0 m/s)降温效果要稍微好于双喷淋工况，但在其它的风速段内优势却不明显。

(4)通过平均温度变化曲线可以看出除了自然通风外(V=0 m/s)，其它工况(0 m/s