隧道火灾中重点排烟的排烟量及排烟口布置

李俊梅， 涂登凯， 李炎锋， 谢 飞， 董启伟， 毕 强

(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)

近年来，全国范围内的公路隧道建设的数量越来越多里程越来越长[1]. 由于隧道内部的空间狭长且相对封闭、通风照明条件差、人员疏散路径长，因此，隧道发生火灾时产生的高温烟气极易威胁隧道内的人员和隧道结构安全. 因此，火灾时如何快速有效地排出和控制烟气是隧道安全运营的关键.

重点排烟是隧道发生火灾时打开火源上方附近的排烟口，利用独立排烟道将烟气集中排出，是一种有效控制火灾烟气的方法. 采用重点排烟时，排烟量、排烟口布置是影响烟气控制效果的重要因素[2].

1 规范中关于隧道重点排烟的相关规定

重点排烟系统设计的关键参数之一是排烟量的确定. 关于重点排烟的排烟量，我国的《公路隧道通风设计细则》(JTG/T D70/2-02—2014)[3]、《建筑设计防火规范》(GB50016—2014)[4]、《道路隧道设计规范》(DG/TJ08-2033—2017)[5]、《城市地下道路工程设计规范》(CJJ221—2015)[6]、湖南省地方标准《公路隧道消防设计规范》(DB 43/729—2012)[7]及文献[8]等都给出排烟量的推荐值，如表1所示.

表1 规范推荐的隧道重点排烟排烟量

从表1可以看出，关于产烟量，各规范推荐值差异较大，湖南地标《公路隧道消防技术规范》中给出的排烟量远大于其他规范给出的推荐值.

重点排烟设计的另一个关键是排烟口的设计与布置. 关于排烟口的布置，《公路隧道通风设计细则》中规定排烟口纵向间距不宜小于60 m，而《道路隧道设计规范》中规定排烟口的间距不宜大于60 m；湖南省的地标《公路隧道消防设计规范》中规定排烟口的间距不应大于30 m. 上述各规范中关于排烟口布置的规定，不但大不相同，而且还出现相互矛盾的条款. 以上这些都使得设计人员在设计隧道重点排烟时无所适从.

关于重点排烟的排烟量和排烟口参数的设定，国内外学者进行了相关研究. 张甫仁等[9]对集中排烟参数对侧向集中排烟系统排烟效果的影响进行研究，发现排烟效率和排烟效能随着排烟风量的增加呈现出先增后减的趋势. 姜学鹏等[10]研究不同排烟量对隧道火灾烟气控制效果的影响，对比分析排烟风速、排烟温度、排烟效率、2 m处能见度及烟气蔓延范围，表明排烟量对排烟效率的影响很大，50 MW火源功率时最佳排烟量为190 m3/s. 刘琪等[11]分析在20 MW火源功率下，从排烟效率和排热效能2个指标得出20 MW火源功率的最佳排烟量为170 m3/s.

Spratt等[12]针对排烟时排烟口常见的干扰问题运用大尺寸试验和模型试验相结合的方法进行研究，得出研究排烟口间距的必要性. Yi等[13]对重点排烟系统的排热系数进行试验研究，研究表明较小的排烟口有利于提高排热效率，排热效率随着排烟口总面积以及与火源距离的增加而增加. Xu等[14]采用模型试验研究不同排烟方式的排热效率和排烟效率，结果表明排热效率随着排烟口开启数量的减少而增加，随着排烟口面积的增加而降低. Yuan等[15]采用数值模拟的方法对6种不同排烟口设置的火灾场景进行模拟，指出排烟口面积对排烟效果的影响较小，排烟口的间距及数量对重点排烟的烟气控制影响较大. Lin等[16]采用计算机建模和数值模拟方法进行单点排烟与多点排烟的排烟性能研究，研究发现单点排烟方式比多点排烟方式更有效. 由上述研究结果可以看出，不同学者基于不同的研究场景，所得出的结论也不尽相同.

近年来，重点排烟在我国新建的特长隧道、城市隧道中应用越来越多[17-18]，但是不同隧道规范中关于设计产烟量以及排烟口设置参数方面存在的差异，给设计人员在设计过程中带来较大的困惑. 针对重点排烟，排烟量如何确定、排烟口如何设计才能达到有效控制烟气的效果，排烟口布置与烟气控制范围之间如何关联都需进行进一步的研究. 基于此，针对重点排烟系统，本文将采用数值模拟的方法，对产烟量如何确定、排烟口布置和烟气控制效果之间的关系，进行深入地研究和探讨.

2 隧道模型建立

本研究将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)对隧道火灾烟气扩散特性进行研究. FDS能够很好地模拟火灾中的燃烧及空气流动，其模拟火灾的可靠性和精确性已经过大量试验和工程实践的验证[19].

2.1 隧道模型的建立

2.1.1 模型尺寸

本研究以典型的城市隧道结构为研究对象，2车道隧道宽度为9 m、3车道隧道宽13 m、4车道隧道宽17 m，行车道净高6.5 m. 为减少边界条件对隧道内火灾烟气特性影响，且考虑计算机资源的限制，模拟隧道长度设定为800 m. 火源位于隧道中部，火源尺寸为5 m×3 m(长×宽)，火源距地面高度为1 m. 集中排烟时，行车道上方由顶隔板隔成排烟道，净高2.0 m，隔板厚度为0.2 m，隧道断面示意图如图1所示. 排烟时，排烟口沿着隧道顶中心线纵向分布.

图1 模拟隧道示意图 (单位：m)Fig.1 Sketch of the tunnel (unit: m)

2.1.2 网格划分

在FDS模拟中，采用的是大涡模拟，一般来说网格划分越精细，结果精确度越高，但是对于计算机硬件和计算时间要求越高. 当火源特征直径D*与计算网格尺寸δx的比值范围在4～16时[20]，模拟计算结果比较好. 其中D*为

(1)

式中：Q为火源功率，kW；ρa为环境空气密度，kg/m3；cp定压比热，J/(kg·K)；Ta为环境空气温度，K；g为重力加速度，m/s2.

根据式(1)计算得到模拟火源中的最小火源功率Q=5 MW的网格尺寸δx=0.12～0.50 m. 图2为5 MW火源功率下，不同网格尺寸的顶棚温度分布对比，δx=0.50 m与δx=0.25 m的结果几乎重合，δx=0.50 m时已达到网格独立. 本文采用火源上下游100 m的网格尺寸为0.25 m，其余区域采用网格尺寸为0.50 m，以此平衡计算精度和计算时间.

图2 顶棚温度分布Fig.2 Temperature distribution of the ceiling

2.1.3 研究工况设定

本研究将对不同火灾规模及隧道结构对火灾产烟量的影响进行研究，并在此基础上探讨重点排烟时，排烟口的布置对排烟效果的影响. 研究分为烟气自由扩散工况探讨烟气产生量和排烟工况研究排烟口参数优化布置2种场景.

2.2 隧道火灾产烟量研究

2.2.1 研究工况设定

自由扩散工况为5种火源功率和3种车道数的组合，具体设定如表2所示.

表2 自由扩散工况

2.2.2 模拟结果分析

根据NFPA 92[21]，火灾中需要排出的烟气，不仅是燃料燃烧的产物，还包括大量卷吸进来的空气. 因此火灾中的产烟量不仅与火源功率Q有关，还和火源的结构特性及烟气的蔓延距离有关. 基于此定义，不同火源功率、不同车道宽度的烟气的体积流量随离火源距离的变化如图3所示，图中给出的烟气流量为距离火源单侧的烟气量，断面烟气流量会随着时间先增大然后再趋于稳定，图3的断面流量结果均选择所有断面的烟气流量稳定后的结果，大约为300 s后. 从图3(a)(b)(c)中可以看出，火源功率对不同断面烟气的体积流量影响较大，在火源附近，烟气温度较高，且流动速度较快，随着流动过程中不断地卷吸下部冷空气，烟气质量流量随着距离火源距离的增加而增加，但是由于烟气密度随着温度的降低而增大，因此烟气的体积流量的增加不显著；随着烟气卷吸冷空气以及与墙壁和空气散热，烟气温度降低、卷吸量减少，烟气体积流量随着距火源距离的增加逐渐降低. 由于温度降低，烟气缺乏前行动力，烟气逐渐沉降并充满整个隧道断面. 当隧道宽度不同时，由于火源产生的热烟气会卷吸更多的空气，因此，断面的烟气的体积流量随着隧道宽度的增加而增加，见图3(d).

图3 隧道断面烟气体积流量的纵向分布Fig.3 Longitudinal distribution of volumetric smoke flow

表3给出不同隧道宽度、不同火源功率时，最大断面烟气体积流量的模拟结果. 从结果来看，与现有规范中推荐的排烟量相比，除《公路隧道消防设计规范》外，不同火源功率作用下的模拟最大产烟量要远大于规范中排烟量的推荐值. 基于最大产烟量进行排烟的烟气控制效果如何，将在排烟工况中进行分析.

表3 不同隧道宽度、不同火源功率的最大烟气流量

2.3 排烟量及排烟口的布置对排烟效果影响研究

本研究首先对现有规范中推荐的排烟量及排烟口设置参数进行评估，而后在上述产烟量研究的基础上，对排烟口的设置和烟气控制范围的相关性进行研究.

2.3.1 依规范推荐值设定的排烟系统的排烟效果研究

依据《公路隧道通风设计细则》，以3车道，火源功率分别为20、50 MW为例，排烟口火源两侧各3个，间距为60 m，单个排烟口面积为8 m2.Q=20 MW时，排烟量为60 m3/s；Q=50 MW时，排烟量为100 m3/s.

图4给出基于规范设定的排烟系统开启后，烟气的扩散情况，可以看出，依照推荐值设定的排烟系统，其烟气扩散范围远远大于规范推荐的300 m的控制要求. 若以将烟气控制在一定范围内为设计目标，依靠规范的推荐，产烟量可能很难达到该目标，实际的排烟量需大于规范中的推荐值.

图4 依规范设计的排烟系统开启后烟气的扩散Fig.4 Smoke diffusion diagram under different conditions

2.3.2 依模拟产烟量设定的排烟系统的排烟效果分析

根据2.2节中产烟量的研究结果，以3车道、Q=50 MW为例，烟气最大体积流量在距离火源120 m处. 若将排烟口设置在火源附近240 m范围内，排烟口设置6个，排烟口间距48 m,设计排烟量190 m3/s(稍大于最大烟气流量). 模拟结果显示，依据模拟得到的产烟量排烟，并将排烟口布置在产生最大体积流量的断面范围内，烟气的蔓延范围为392 m，无法将烟气控制在240 m以内，也无法满足将烟气控制在300 m范围的要求. 烟气的控制范围不但与排烟量有关，而且与排烟口的布置也密切相关.

2.3.3 排烟量及排烟口布置的优化设计研究

前人对重点排烟中排烟口设定参数研究主要重点在排烟口间距、排烟口开启个数和排烟口大小对排烟效果的影响研究，缺少排烟口开启范围的研究. 本研究将基于将烟气控制在一定范围的排烟系统设计目标，对排烟量及排烟口开启范围和排烟口的布置之间的关系进行研究探讨. 以3车道、50 MW火源功率为研究对象，工况设定见表4，其中工况1～5均设置4种排烟口开启范围. 排烟口在火源附近顶棚对称布置，如图1所示,其中不同排烟口开启个数的排烟口尺寸见表5.

表4 重点排烟工况

表5 排烟口尺寸

排烟口总面积不变时，同一排烟量200 m3/s时，不同排烟口布置范围和排烟口布置个数，烟气的控制距离如图6所示，可以看出，在排烟口开启覆盖范围不变时，开启6个或开启8个排烟口对烟气的控制效果比开启4个排烟口方案好，但开启6个和开启8个排烟口的排烟效果几乎相同. 开启6个以上排烟口时，烟气的扩散距离L与排烟口的开启范围x呈正线性相关，对模拟结果进行拟合，得

L=0.58x+253.2

(2)

拟合的相关系数在99%以上. 为进一步验证上述结果，补充排烟口开启范围为80、200 m的排烟工况，得到的检验点如图5所示，与式(2)得到的预测值误差分别为1.3%和0.7%，均非常靠近此线性拟合直线.

图5 不同排烟口开启范围和开启个数的 烟气扩散距离Fig.5 Smoke spreading distance with different opening range and number of smoke dampers

改变排烟量的大小，分别设排烟量为220、240 m3/s，得到烟气蔓延距离与排烟口开启范围关系如图6所示. 结果表明当排烟口其他参数不变时，排烟口开启范围越小，烟气的扩散距离越短，这是因为排烟口开启范围越小，相同排烟量下，在此范围内的烟气能被及时排出隧道，导致烟气向外扩散的动力减小，扩散距离也会减小. 针对不同的排烟量，重点排烟的烟气扩散距离与排烟口的开启范围同样存在着线性关系. 对2种排烟量的模拟结果进行线性拟合，得到的拟合结果如下.

排烟量220 m3/s：

L=0.588x+217.7

(3)

排烟量240 m3/s：

L=0.643x+176.4

(4)

图6 不同排烟口开启范围的烟气扩散距离Fig.6 Smoke spreading distance of different opening range of the exhaust vent

式(3)拟合的相关系数为98.8%，式(4)拟合的相关系数为99.1%，可以判断在重点排烟工况下，烟气的扩散距离与排烟口的开启范围存在较强的线性关系. 线性关系中的系数与火源功率、排烟口设计参数及排烟量有较大的关系，本文选择城市公路隧道最常见的设计火源功率50 MW进行研究，针对其他火源功率的工况将在后续的研究工作中进行.

当排烟口为6个，总排烟口开启范围为240 m时，不同排烟量作用下烟气的控制距离如图7所示，烟气的扩散距离随着排烟量的增加而减小，但减小的趋势会随着排烟量的增加而降低. 当排烟量大于260 m3/s时，增大排烟量对减小烟气的扩散距离的效果非常有限.

图7 不同排烟量的烟气扩散距离Fig.7 Smoke spreading distance of different smoke exhaust rate

排热效率也是评价排烟系统的一个指标，将经过排烟口排出烟气携带的热量的总和与火源热释放量的比值定为排热效率. 图8给出系统的排热效率，结果表明当排烟量较小时，排热总效率随着排烟量的增加快速增加，但当排烟量大于240 m3/s时，排热总效率增加的趋势非常小. 通过对比各排烟量工况下的温度云图，如图9所示，排烟量为260 m3/s时，第3个排烟口卷吸大量烟气层下方冷空气，致使该排烟口的排烟排热效率降低.

图8 不同排烟量作用下系统的排热总效率Fig.8 Total heat exhaust efficiency of different smoke exhaust rates

图9 不同排烟量时隧道内的温度分布Fig.9 Temperature distribution along the tunnel under different smoke exhaust rates

结合上述结果，当排烟口的开启范围和排烟面积确定时，过大的排烟量缩短烟气的控制范围和提高排烟效率作用有限，且大排烟量提高了排烟系统的初投资和运行费用.

对于3车道隧道，当设计火源功率为50 MW，建议重点排烟的排烟量设定为240 m3/s，排烟口开启覆盖范围在火源200 m范围内，排烟口开启个数为6个(排烟口间距为40 m)，可将烟气有效地控制在300 m范围内.

3 结论

隧道火灾中，重点排烟系统的排烟量及排烟口布置对烟气控制效果有较大的影响. 本研究采用数值模拟的方法，对不同隧道宽度、不同火源功率的产烟量以及不同排烟口参数设定对烟气控制的效果进行了研究. 结论如下：

1) 隧道火灾中烟气的生成量与火源功率和隧道宽度以及烟气的蔓延长度有关. 规范中推荐的产烟量难以满足烟气控制范围的要求. 以最大产烟量为设计排烟量，并不能有效地将烟气控制在产生最大烟气流量的断面的范围内，烟气的控制范围还与排烟口的布置密切相关.

2) 若以将烟气控制在一定范围为控制目标，针对某一排烟量，当总的排烟面积一定，排烟口开启范围相同时，火源两侧各开启3个排烟口比开启2个排烟口的烟气控制效果好，总开启6个和开启8个排烟口的烟气控制效果几乎相同. 排烟系统能控制的烟气的蔓延长度和排烟口的开启范围呈线性关系，可依此关系进行排烟口的布置.

3) 增加排烟量能缩短火源两侧烟气的扩散距离和提高排热效率. 但当排烟量较大时，增加排烟量对减小烟气的扩散距离和提高总排热效率的影响有限，应从烟控系统的设计目标和经济性方面进行综合分析，确定合理的排烟量.