在交通拥堵的隧道火灾中纵向通风的合理送风风速研究

李俊梅， 谢 飞， 李炎锋， 毕 强， 王泽航， 常默宁， 董启伟

(1.绿色建筑环境与节能技术北京市重点实验室， 北京 100124； 2.北京工业大学城市建设学部，北京 100124;3.北京市市政工程设计研究总院有限公司， 北京 100082)

对于隧道通风而言，纵向通风系统由于其系统简单、工程造价低、设备投资和运行费用低等优势在隧道通风及排烟系统中的使用越来越普遍[1]. 由于通风风向沿交通流方向，日常通风可借助于交通风力排出污染物，从而降低射流风机的运行费用. 但隧道内发生火灾时，火源上游尽管可通过实施临界风速产生无烟环境以利于人员逃生，但在火源下游，如无交通拥堵，汽车可尽快驶出隧道，以逃出危险的火灾环境. 但若下游发生交通拥堵或周期性的拥堵，纵向通风系统能否使用仍是疑问.

1 纵向通风在隧道烟气控制中的应用

关于纵向通风系统在隧道火灾工况下的使用，世界公路学会PIARC[2-3]在其研究报告中建议：在不发生交通拥堵的单洞单向交通隧道可采用纵向通风烟气控制方式；对于可能发生交通拥堵的单向交通隧道或单洞双向交通隧道，当采用纵向通风进行烟气控制时，需进行风险评估以确保安全，且火灾工况下应根据交通量的不同采用不同的通风运行模式. 纵向通风用于火灾工况时，其运行控制策略为：对于没有交通拥堵的单向交通隧道，通风风速应阻止上游烟气回流或使烟气回流长度最短；对于有交通拥堵的单向隧道，在交通方向上应施以较低的风速，以减少烟气向上游的扩散，保持烟气分层，从而能有助于隧道内人员逃生.

欧盟的EU-Directive 2004/54/EC[4]规定：对于双向交通隧道或交通拥堵的单向交通隧道，应在进行风险分析或采取一些特殊的措施如进行适当的交通安排、有较短的疏散通道距离或每隔一定距离可将烟气排出等以确保安全的情况下可采用纵向通风系统.

美国NFPA 502[5]规定：对于纵向通风烟气控制系统，在行车方向上纵向风速不应小于临界风速以阻止烟气的回流；为防止烟气分层遭到破坏，初始时应开启远离火源处的射流风机，火源附近的射流风机不应开启.

我国的《公路隧道通风设计细则：JTG/T D70/2-02—2014》[6]对于采用纵向排烟的单向交通隧道，火灾排烟设计时应遵循：隧道内的排烟方向应与隧道行车方向相同，烟雾应由隧道出口或就近排烟口排出；火灾烟雾在隧道内的最大行程不宜大于5 000 m；纵向排烟风速不应小于临界风速.

综合上述规定可以看出，对于单向无交通拥堵的隧道，纵向通风排烟系统可无条件使用. 但对于有交通拥堵的单向隧道，若纵向通风系统能与人员疏散相结合实施不同的通风风速控制策略，则也可使用.

隧道火灾中烟气在不同纵向风速作用下的流动示意图如图1所示，图中v为纵向风速，vc为临界风速.从图1中可以看出，如果隧道内纵向风速小于临界风速，火源上游的烟气有一定的回流，但火源上下游的烟气仍可能维持一定的分层；若以临界风速通风，则火源上游无烟气回流，下游火源附近烟气可能有一定的分层；若以大于临界风速的风速通风，在上游无烟气，下游的烟气分层完全遭到破坏，火源下游人员的逃生环境遭到破坏，无法保证人员的疏散安全.因此，若能在人员疏散初期施以较低的通风风速以保持烟气分层，创造有利于人员疏散的环境，而人数疏散完毕后施以较大的风速，辅助消防员灭火，则是纵向通风用于交通拥堵隧道的最佳通风运行控制策略.无通风时，虽说烟气可以保持分层，但烟气温度及有害气体浓度高，对人员的疏散有一定的影响.如果进行一定的通风，则有助于降低隧道内烟气的温度和稀释有毒气体，但纵向通风的风速为多大，仍可保持烟气分层，则需进行进一步的研究.

图1 不同纵向风速烟气流动示意图Fig.1 Smoke flow under different longitudinal ventilation speed

过往的研究表明，烟气层的竖向分层特性与Froude数Fr有关[7-8]，其中

(1)

式中：ΔTcf=Tc-Tf，即隧道断面顶棚温度Tc与地面温度Tf之差，K；Tavg为隧道断面平均温度，K；uavg=uTavg/Ta，其中，u为来流速度，m/s；Ta为环境温度，K；g为重力加速度，9.8 m/s2；H为隧道高度，m.

Newman[7]的研究表明，Fr<0.9时，烟气分层能够得以维持，当Fr>10时，烟气分层完全遭到破坏. 其他学者也对维持烟气分层的Fr进行了研究[8-12]，但不同学者的研究结果并不一致.

由于实际火灾中隧道内烟气流动和卷吸过程的复杂性，烟气温度、速度沿纵向及断面高度方向的分布特性仍不能准确地预测，要想准确计算出Fr相对困难. 通过数值模拟或全尺寸实验的方法，得到不同火源功率作用下，烟气在不同纵向风速作用下的分层效果，以此确定出不同火源功率作用下有利于人员疏散的烟气分层的纵向风速的临界值，用于指导烟气控制系统的有效运行，是隧道火灾中常用的研究方法之一. 由于全尺寸实验耗费大、周期长、实验工况有限. 基于此，本文将采用数值模拟的方法对低风速作用下火灾烟气的扩散特性进行研究，并在此基础上找出不同火灾规模有利于火源上、下游人员疏散烟气保持分层的适宜的风速值，为隧道拥堵工况制定合理的通风运行策略提供依据.

2 纵向通风作用下隧道内火灾环境的数值模拟研究

本研究采用美国国家标准技术研究院(National Institute of Science and Technology,NIST)开发的火灾动力学模拟专用软件(fire dynamics simulator,FDS)对烟气在隧道内的扩散特性进行模拟评估. FDS是目前非常通用的研究火灾烟气扩散的场模型之一，该软件自开发以来，经过大量的实验和实际工程验证，取得令人满意的结果[11]. 有关FDS的详细技术及应用介绍可参看其技术手册和用户手册[13-14].

2.1 隧道模型的建立及模拟工况设定

本研究以城市交通隧道中常见的三车道隧道结构为研究模型. 隧道断面为矩形断面，宽12.6 m,高6.0 m. 由于城市隧道中人行横通道的间距一般为250.0 m，本研究假定某火灾发生在某横通道入口附近，人员只能向两侧横通道疏散，因此，模拟长度取500.0 m. 火源大小为6.0 m×1.8 m(长×宽)的面火源，距地面高度为1.5 m，火源位于隧道中间位置，模拟的隧道示意图见图2.

图2 模拟隧道示意图Fig.2 Sketch of the tunnel

城市地下道路内通行车辆主要为小汽车，一般禁止大货车及运输危险品的车辆通行. 根据国内外隧道规范中推荐的不同类型车辆火灾的热释放率值[5-6]，本研究将对3种常见的火源功率5、20、30 MW烟气扩散的情况进行研究. 由于保持烟气分层需较低风速，而隧道中一般都有一定的自然风速，因此，模拟中将针对3种火源功率，分别施以1.0、1.5、2.0 m/s 3种通风工况进行研究，以确定出不同火源功率作用下，保证隧道内人员安全疏散的较适宜的送风风速.

2.2 网格的划分及边界条件设定

FDS在其用户指南[14]中建议：在模拟浮力羽流时，网格尺寸的确定可以参考特征火源直径D与网格尺寸δx的比值，其中，特征火源直径的定义为

(2)

式中：Q为火源热释放率，kW；ρa为周围环境空气的密度，kg/m3；cp为空气的比热，kJ/(kg·K).研究表明，当D/δx的取值在4～16时，数值模型可以很好地解决火灾烟气中的湍流问题[15].国内有学者通过研究发现，当网格尺寸取0.1D时，模拟结果与实验结果吻合较好.

为兼顾计算精度和计算效率，本模拟中针对不同的火源功率工况拟采用相同的网格结构，模拟中网格的划分采用FDS提供的复合计算区域功能，在火源上下游各30.0 m范围内采用较细的网格，网格尺寸为0.15 m×0.15 m×0.15 m，其余区域网格尺寸为0.30 m×0.30 m×0.15 m. 隧道内的初始环境温度为20 ℃，隧道壁面设定材料为混凝土材料. 隧道左侧边界设定为速度边界，右侧边界为自由边界.

模拟结果中选取温度和烟气层为代表来讨论实施不同通风时隧道内火灾环境的变化. 为显示在隧道内的温度分布及温度分层情况，沿纵向以火源为中心(火源左侧为负坐标，右侧为正坐标)，在两侧各自400.0 m范围内每m间隔布置热电偶树，每个热电偶树上离地1.8、3.0、4.0、5.0 m处布置温度测点(见图2). 同时，在离火源每m间隔横断面测量烟气层高度.

2.3 模拟结果分析与讨论

火源功率为5 MW时，不同风速作用下不同时刻火源两侧烟气层高度及隧道中心断面不同高度处温度沿隧道的纵向分布见图3～5，图中Hs为断面烟气层高度，L为离火源的纵向距离，负号表示位于火源左侧. 由于火源处的烟气温度较高，为显示以温度表示的烟气分层，各温度分布图中火源处的温度在图中无显示. 由于温度分布在本研究中是为了辅助说明隧道内的烟气环境状况，为了减少文中图的数量，温度分布只给出360 s时的值. 根据NFPA 130[16]给出的温度环境的最长忍受时间：80 ℃时耐受时间为3.8 min；60 ℃时耐受时间为10.1 min；50 ℃时为18.8 min；40 ℃时为 40.2 min. 因此，如果单一从温度方面来考虑，50 ℃以下的火场温度对人员逃生的影响不太大，人们应可以安全逃生.

图3 纵向风速为1.0 m/s时隧道内的烟气层高度及隧道中心断面不同高度处烟气温度的纵向分布(Q=5 MW)Fig.3 Longitudinal distributions of the smoke layer heights and the smoke temperature at different heights above the road level at the longitudinal velocity of 1.0 m/s (Q=5 MW)

从图3(a)可以看出，当隧道内纵向风速为1.0 m/s时，火源上游的烟气回流长度约为90.0 m，火源上、下游仍能保持较好的烟气分层，烟气层高度约在2.5 m以上，除火源附近外，距地面3.0 m高度以下，烟气层下部的温度在40 ℃以下，有利于人员疏散.

当纵向风速增大到1.5 m/s以后，见图4，火源上游烟气的回流长度逐渐缩短，约为30.0 m，上游烟气分层仍可保持，但火源下游附近的烟气层完全被破坏，且由于火焰被吹向下游，火源附近下游温度明显升高，不利于人员疏散. 当通风风速增大到2.0 m/s时，纵向风速大于临界风速，见图5，火源上游无烟气回流，下游火源附近的烟气层完全被破坏，且温度较高，不利于下游人员疏散. 因此，对于5 MW的火源功率，当火源上、下游人员都需疏散时，初始通风设定为1.0 m/s即可满足上下游人员安全疏散的要求. 当人员安全疏散后，可施以临界风速或大于临界风速的风速加强送风，以辅助消防人员接近火源灭火.

图4 纵向风速为1.5 m/s时隧道内的烟气层高度及隧道中心断面不同高度处烟气温度的纵向分布(Q=5 MW)Fig.4 Longitudinal distributions of the smoke layer heights and the smoke temperature at different heights above the road level at the longitudinal velocity of 1.5 m/s (Q=5 MW)

图5 纵向风速为2.0 m/s时隧道内的烟气层高度及隧道中心断面不同高度处烟气温度的纵向分布(Q=5 MW)Fig.5 Longitudinal distributions of the smoke layer heights and the smoke temperature at different heights above the road level at the longitudinal velocity of 2.0 m/s (Q=5 MW)

图6 纵向风速为1.0 m/s时隧道内的烟气层高度及隧道中心断面不同高度处烟气温度的纵向分布(Q=20 MW)Fig.6 Longitudinal distributions of the smoke layer heights and the smoke temperature at different heights above the road level at the longitudinal velocity of 1.0 m/s (Q=20 MW)

图7 纵向风速为1.5 m/s时隧道内的烟气层高度及隧道中心断面不同高度处烟气温度的纵向分布(Q=20 MW)Fig.7 Longitudinal distributions of the smoke layer heights and the smoke temperature at different heights above the road level at the longitudinal velocity of 1.5 m/s (Q=20 MW)

图8 纵向风速为2.0 m/s时隧道内的烟气层高度及隧道中心断面不同高度处烟气温度的纵向分布(Q=20 MW)Fig.8 Longitudinal distributions of the smoke layer heights and the smoke temperature at different heights above the road level at the longitudinal velocity of 2.0 m/s (Q=20 MW)

图9 纵向风速为1.0 m/s时隧道内的烟气层高度及隧道中心断面不同高度处烟气温度的纵向分布(Q=30 MW)Fig.9 Longitudinal distributions of the smoke layer heights and the smoke temperature at different heights above the road level at the longitudinal velocity of 1.0 m/s (Q=30 MW)

当火源功率为20 MW时，3种风速作用下火源两侧烟气层及温度的纵向分布见图6～8. 当纵向风速为1.0 m/s时，火源上游烟气回流约为180 m，火源两侧能保持较好的烟气分层，特别是火源下游；当通风风速增大到1.5 m/s时，火源上游烟气的回流长度约为120.0 m，火源附近下游的烟气分层受到一定破坏，但基本还能保持在2.0 m以上，由于通风使得火焰向下游倾斜，火源下游附近的温度明显升高，下游人员需尽早撤离；当通风风速增大到2.0 m/s时，火源上游的烟气回流长度缩短至60.0 m左右，火源下游附近的烟气分层受到破坏，烟气层高度低于2.0 m，加上火焰偏向下游形成的高温，该环境不利于人员疏散. 因此，当火源功率为20 MW时，若火源上、下游人员都需疏散，初始通风设定为1.5 m/s以下，即可满足上下游人员安全疏散的要求，风速稍大时，火源下游附近的人员需尽快离开，以保证安全.

图10 纵向风速为1.5 m/s时隧道内的烟气层高度及隧道中心断面不同高度处烟气温度的纵向分布(Q=30 MW)Fig.10 Longitudinal distributions of the smoke layer heights and the smoke temperature at different heights above the road level at the longitudinal velocity of 1.5 m/s (Q=30 MW)

图11 纵向风速为2.0 m/s时隧道内的烟气层高度及隧道中心断面不同高度处烟气温度的纵向分布(Q=30 MW)Fig.11 Longitudinal distributions of the smoke layer heights and the smoke temperature at different heights above the road level at the longitudinal velocity of 2.0 m/s (Q=30 MW)

当火源功率进一步加大为30 MW时，烟气层和温度分布的模拟结果见图9～11. 从图9可以看出，若通风风速为1.0 m/s，火源上、下游烟气层仍可维持，但上游离火源较远处烟气层偏低，对上游人员疏散不利；当通风风速增大到1.5 m/s时，上游的烟气回流长度在140.0 m左右，上游的烟气层高度有所提高，火源上、下游的烟气层能维持在2.5 m以上的高度，有利于上、下游人员的疏散，但火源下游附近的环境温度较高，火源附近的人员应尽早疏散；当通风风速增大到2.0 m/s时，火源上游的烟气回流长度进一步缩短，在75.0 m左右，上游的疏散环境进一步改善，而火源下游附近的烟气层受到破坏，且环境温度极高，达300 ℃以上，不利于人员疏散. 因此，当火源功率为30 MW时，较适宜的火源功率约为1.5 m/s.

3 结论

1) 纵向通风若在火灾初期施以较低的通风风速，维持火源上、下游良好的烟气分层，仍可用于交通拥堵的单向交通隧道，但火源功率较大时，该措施应审慎使用.

2) 火源功率为5 MW时，1.0 m/s的通风风速即可满足保持火源上、下游烟气分层的要求；火源功率为20 MW时，1.0～1.5 m/s的风速可满足保持上、下游烟气分层的要求；火源功率为30 MW时，较适宜的送风风速为1.5 m/s左右.

3) 当火源功率较大时，尽管较低的通风可以使火源上、下游在一定范围内维持烟气分层，但随着火灾持续时间的增加，火源下游隧道内烟气的温度较高，不利于人员逃生，应尽早将火源下游的人员及时疏散.