蘇義成 韓歐 茍立

西安建筑科技大學建筑設備科學與工程學院

0 引言

火災煙氣對隧道人員逃生會產生巨大危害，因此國內外學者[1-3]針對隧道火災煙氣控制進行了大量的研究，從而提出了現(xiàn)今流行的五種隧道通風系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)隧道通風原理圖

當火災發(fā)生時，用于逃生的隧道空間其實是隧道的下部2 m 以下的逃生空間，并不是整個隧道空間。因此只需要保證隧道下部空間，甚至是下部空間的局部是清潔干凈的[4]。因此，本文提供了一種水平垂直送風相結合的呼吸區(qū)對撞送風隧道火災逃生系統(tǒng)HVES（A horizontal and vertical combination of breathing zone collision air tunnel fire evacuation system）。這種通風系統(tǒng)從本質上講是一種具有局部個性化送風的通風系統(tǒng)，能夠提供一個干凈、無煙、安全的隧道邊部疏散逃生通道[5-6]。

1 模型構建與參數(shù)設置

1.1 模型構建

一種水平垂直送風相結合的呼吸區(qū)對撞送風隧道火災逃生系統(tǒng)（HVES），包括靜壓箱，送風風管和風口。靜壓箱的上端設置有第一噴口，出風朝向為水平方向，向人員呼吸區(qū)送風，保證逃生人員的新風需求。靜壓箱靠近隧道內水平設置有第二噴口，出風朝向為豎直向下，在人員逃生區(qū)域形成正壓，將偶然脈動進入的熱煙氣擠出逃生通道。第二噴口與第一噴口的出風朝向垂直，如圖2 所示[7]。

圖2 HVES 剖面結構圖示意

本設計所述第一噴口上下邊沿所處的高度分別為2.0 m 和2.5 m，噴口的寬度為0.5 m，第一噴口位于隧道壁面上。第二噴口為水平方向，其寬度為0.5 m，高度為2.5 m。為了簡化模型，選取隧道公共行車空間作為對象，依據(jù)FDS 建立一條矩形隧道，隧道的尺寸選取為200 m（長）×14 m（寬）×5 m（高），其邊部安裝了HVES 系統(tǒng)，隧道底部和頂部安裝了送風口和排風口，風口面積為2 m×2 m，見圖3。模型隧道能完全實現(xiàn)傳統(tǒng)五種隧道通風方式的模擬，從而比較不同隧道火災通風方式的效果。

圖3 模型隧道結構示意

1.2 模型設置

火災流動數(shù)值模擬中涉及的條件主要包括：火源熱釋放率、火源模型選擇、進出口邊界條件、安全疏散特征時間等。

1）在模擬隧道火災中，火源邊界條件是重要參數(shù)。一般數(shù)值模擬火源功率采用火源燃料的質量流量損失來計算，根據(jù)燃料質量損失曲線和熱釋放率關系可表示為：

式中：Q 為熱釋放率，kW；mf質量損失速率，kg/s；hc為燃料熱值，J/kg；β 為燃燒效率。

表1 隧道車輛火災最大熱釋放率

我國現(xiàn)執(zhí)行的《道路隧道設計規(guī)范》[8]中依據(jù)隧道交通功能，交通量以及交通組織情況等，給定了隧道中火災最大熱釋放率應該按表1 確定。根據(jù)以上規(guī)定，本文模擬中采用火災規(guī)模范圍為中型火災5～35 MW。

2）火災模型分為穩(wěn)態(tài)火災和非穩(wěn)態(tài)火災?；鹪吹臒後尫怕什浑S時間變化的是穩(wěn)態(tài)火災。熱釋放率隨時間不斷變化的火災為非穩(wěn)態(tài)火災。本文采用非穩(wěn)態(tài)火。根據(jù)火災增長系數(shù)的不同，美國NFPA 規(guī)范定義了4 種火源類型，見表2。本文采用的火源是汽油屬于油池火。

表2 t2 火源火災功率增長系數(shù)表

在火災設計時，常常不考慮陰燃階段，因此火災增長模型可以簡化為[9]：

式中：Q 為火災功率，kW；a 為火災增長系數(shù)，kW/s2；t為著火的時間，s；t1則為達到最大火源熱釋放率的時間，s。

3）隧道縱向通風進口為速度邊界，出口邊界條件與其他通風模式相同，隧道流場出口邊界由連續(xù)性條件確定，最常用的出口邊界為自然通風“Open”邊界即為沿流動方向各流動參數(shù)的導數(shù)為零。隧道內空氣初始溫度，各固體表面的初始溫度以及環(huán)境溫度均為20 ℃。

4）在我國現(xiàn)執(zhí)行的《道路隧道設計規(guī)范》中規(guī)定，隧道內乘行人員的安全疏散時間不宜小于15 min，因此選取模擬時間為900 s[8]。

1.3 模擬驗證

為了驗證FDS 軟件對模擬效果的可靠性，本文將將沿隧道進深方向的火災煙氣溫度，CO 濃度與Lee（2006）[10-11]，Hu（2006）[12-13]實驗數(shù)據(jù)進行對比，如圖4。通過對比發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬計算的預測值與實驗數(shù)據(jù)的吻合性比較好，證明了本文研究數(shù)值模擬方法與預測結果正確性和合理性。

圖4 模擬值與經典實驗數(shù)據(jù)對比

2 結果與討論

2.1 不同通風系統(tǒng)效果分析

為了分析HVES 與傳統(tǒng)五種通風模式（均有水平擋煙板）的煙氣控制效果，針對不同通風系統(tǒng)，各個通風系統(tǒng)設置如下：

工況一：HVES，第一噴口為0.8 m/s，第二噴口為0.2 m/s，橫截面1 與橫截面2 均為自由出流。

工況二：自然通風，橫截面1 與橫截面2 均為自由出流。

工況三：縱向通風，橫截面1 為2.0 m/s，橫截面2為自由出流。

工況四：排風式橫向通風，排風口為4.0 m/s，橫截面1 與橫截面2 均為自由出流。

工況五：送風式橫向通風，送風口為4.0 m/s，橫截面1 與橫截面2 均為自由出流。

工況六：全橫向通風，送風口、排風口均為4.0 m/s，橫截面1 與橫截面2 均為自由出流。

當HRR 為35 MW 時，采用HVES 后逃生通道內近火源點能見度均值明顯比采用其他傳統(tǒng)系統(tǒng)的能見度值高。采用HVES 后的隧道邊部能見度降低率是自然通風系統(tǒng)后的8.35%，是采用縱向通風系統(tǒng)后能見度降低率的4.37%，是采用排風型半橫向通風系統(tǒng)后能見度降低率的7.27%，是采用送風型半橫向通風系統(tǒng)后能見度降低率的4.72%，是采用全橫向通風系統(tǒng)后能見度降低率的8.49%，見圖5（a）。采用不同通風模式逃生通道內近火源溫度是不斷上升的，見圖5（b），除工況三外，HVES 系統(tǒng)邊部逃生通道內整體溫度低于其他的通風模式，而縱向通風無法控制隧道下游區(qū)的火災煙氣，清潔干凈的空氣從隧道一端流入，流經火源帶走火源產生的火災煙氣，然后從隧道的另一端流出，這就使得流經火源的空氣必然和煙氣充分混合，下游區(qū)充滿煙氣，人員只能從上游疏散，這是不利于隧道火災人員疏散逃生的。圖5（c）給出了CO 濃度變化趨勢，工況二是自然通風，煙氣的流動動力是煙氣本身的浮升力向上運動并在頂棚形成射流，沒有機械通風的擾動，所以2 m 高度處的測點CO 濃度較低。工況四是由于半橫向排煙風機的抽吸作用降低了CO 濃度，工況三、五和六機械通風模式不利于人員逃生。

圖5 不同通風系統(tǒng)邊部通道近火源點參數(shù)對比

HVES 能夠營造一個非常明顯的無煙氣的邊部逃生通道。相比于其他傳統(tǒng)隧道通風系統(tǒng)，應用HVES后隧道內的煙氣主要集中在上部空間，而3 m 以下空間整體保持15 m 以上的能見度，邊部逃生方向僅有少量高溫煙氣的進入，能見度保持在30 m 左右。邊部的逃生系統(tǒng)通道的溫度場和CO 濃度場比傳統(tǒng)的五種通風方式更低，見圖6～8，邊部通道內的整體溫度保持在60 ℃以下，僅在近火源點局部小范圍內升高達到117 ℃。另外CO 濃度整體保持在10 ppm 以下。

圖6 不同通風系統(tǒng)下隧道能見度等值線（y=-6.5 m、x=10 m）

圖7 不同通風系統(tǒng)下隧道溫度等值線（y=-6.5 m、x=10 m）

雖然傳統(tǒng)通風系統(tǒng)降低了隧道內火災煙氣的平均濃度，提高逃生通道內的能見度，降低了隧道的溫度和CO 濃度，為人員逃生提供了疏散途徑，但是傳統(tǒng)通風系統(tǒng)作用的是整個隧道，隧道下部空間仍然具有較高的煙氣濃度，這非常不利于人員的逃生。而HVES是專門針對隧道的下邊部局部空間設計的，其主旨就是通過送風形成一個干凈清潔的空氣隔煙通道，而不是僅僅去排除隧道內的煙氣，所以HVES 相對于傳統(tǒng)系統(tǒng)更有利于人員進行疏散。

2.2 HVES 噴口風速比的優(yōu)化

為了獲得兩噴口送風速度的最優(yōu)速度比，本文模擬實驗了不同的送風比率。第一噴口速度V1從0 m/s遞增為1 m/s，第二噴口速度V2從1 m/s 遞減為0 m/s。火源功率均為35 MW，火源高度Z=1 m。

第一噴口V1與第二噴口V2是不同的，安裝在側墻上的呼吸區(qū)送風噴口V1是用來保證呼吸區(qū)新鮮空氣的，而安裝擋煙板下的送風噴口V2是用來保證通道內正壓并排除由于脈動性進入的部分煙氣。因此第一及第二噴口的送風速度應該是不同的，當V1:V2=0.7:0.3=2.33 時，是逃生通道內近火源點處能見度，CO 濃度和溫度的轉折點，隨著V1增大V2減小，逃生通道內能見度均值保持在29 m，CO 濃度均值下降到10 ppm以下，溫度均值下降到90 ℃以下，見圖9。但是無論V1與V2噴口送風風速的比值為多少，逃生通道內的能見度，CO 濃度以及溫度值均能滿足人員逃生要求。

圖9 噴口送風風速優(yōu)化

2.3 火源高度對HVES 的影響

隧道內火災發(fā)生高度是影響煙氣流動擴散的一個重要因素，考慮隧道內主要是車輛通行后由于某些原因車輛底部，車身以及車頂發(fā)生火災，因此本文火源高度設置了四種工況（Z=0 m、Z=1 m、Z=2 m 與Z=3 m），火源功率均為35 MW，火源設置在隧道正中間，且HVES 中噴口V1與噴口V2的速度比為V1:V2=1 m/s:0 m/s，即為側送風形式，逃生通道上方有水平擋煙。

當火源在0～3 m 高度上變化時，逃生通道內近火源點處的溫度，能見度以及CO 濃度變化趨勢近似一致，只有Z=0 m 時溫度上升趨勢較小，這是由于熱煙氣在火羽流的作用下，到達隧道頂棚受阻后沖擊頂棚后呈放射狀水平運動，當煙氣與兩側壁碰撞后向下運動，到達測點位置所經歷的流動路程較長，熱煙氣的溫度沿流動方向是逐漸降低的。而CO 和能見度均保持高度的一致性，CO 濃度保持在10 ppm 以下，能見度保持在29 m 以上，說明逃生通道內并沒有煙氣的脈動進入，見圖10。因此當火源高度不同時，HVES 內均能保持清潔、安全的逃生通道。

圖10 不同火源高度對HVES 的影響

2.4 火源功率對HVES 的影響

熱釋放率Heat Release Rate 簡稱HRR，是火災發(fā)生時由火源產生熱量的速率。它是影響隧道火災中煙氣生成量的一個重要參數(shù)。本文考慮了（5 MW、15 MW、25 MW、35 MW）四種火源功率下HVES 內的溫度、可見度和CO 濃度變化，見圖11。

圖11 不同HRR 對HVES 的影響

從圖11 中可以看出，隨著火源功率的增加，HVES 通道內近火源點處的溫度與CO 濃度是逐漸增加的，而能見度略有下降。當HRR 分別為5 MW，15 MW，25 MW 與35 MW 時，逃生通道內的溫度則從20 ℃隨時間增長逐漸增加，250 s 后溫度值趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定后時均值分別為24.3 ℃，35.6 ℃，62.7 ℃和101.7 ℃。CO 濃度在前150 s 為0，400 s 后趨于穩(wěn)定，這是由于火災剛發(fā)生煙氣上升并水平流動后還未出現(xiàn)反浮射流，而后通道內的CO 濃度逐漸升高，穩(wěn)定后時均值分別為0 ppm，0.04 ppm，2.5 ppm 和6.8 ppm，這里將上限值規(guī)定在10 ppm 以內，也即采用HVES 系統(tǒng)后，其內部空間的CO 均能低于OSHA 標準5 倍的范圍內[11，13]。對于逃生內的能見度變化，只有當HRR超過25 MW 時，才會出現(xiàn)煙氣的脈動進入，穩(wěn)定后能見度時均值為30 m，30 m，29.9 m 和28.4 m，均高于規(guī)范要求的10 m 能見度。因此當火源功率為35 MW時，才會出現(xiàn)少量高溫煙氣脈動性進入。

2.5 排煙與HVES 相結合作用下效果分析

為了選擇出最優(yōu)的煙氣控制效果，本文在HVES個性化通風的基礎上，增加了排風式半橫向通風系統(tǒng)。圖12 給出了基于HVES 情況下，增加排風式半橫向通風逃生通道內的溫度和能見度隨時間的變化曲線以及隧道頂棚邊部（逃生通道側）的CO 濃度曲線。當增加了排風式半橫向通風系統(tǒng)時逃生通道內距離火源最近點的溫度從117 ℃降到60 ℃。能見度由無排煙時的脈動性進入到有排煙時無煙氣進入逃生通道內，始終維持在30 m 的能見度。而且隧道邊部頂棚的CO 濃度也有較大幅度降低，頂棚濃度1300 ppm 下降到800 ppm。因此，在HVES 的基礎上，增加排風式半橫向通風系統(tǒng)后降低隧道內整體高溫煙氣濃度，可減少人員傷亡，這是非常有利于逃生通道內人員疏散。

圖12 有無排煙對比

3 結論

基于HVES 與傳統(tǒng)隧道火災通風方式數(shù)值模擬結果對比，分析了不同噴口風速比、不同火源高度、不同HRR 以及HVES 中有無排煙對HVES 性能的影響，得出如下結論：

1）HVES 能夠營造一個非常明顯的無煙氣的邊部逃生通道。邊部通道內的整體溫度保持在60 ℃以下，僅在近火源點局部小范圍內有升高達到117 ℃。另外CO 濃度保持在10 ppm 以下。能見度保持在29 m 的高度。

2）HVES 逃生通道中的能見度在第一與第二噴口的送風比例V1:V2＞2.33 時，逃生通道內近火源測點能見度均值保持在29 m，CO 濃度均值下降到10 ppm 以下，溫度均值下降到90 ℃以下?；鹪锤叨萙=0～3 m時，HVES 內均能保持清潔干凈的安全的逃生通道。

3）隨著火源功率HRR 的增加，HVES 近火源點的溫度和CO 濃度是逐漸增加的，而能見度有所下降，但是均能滿足人員逃生要求。

4）在HVES 個性化通風的基礎上，當增加了排風式橫向通風系統(tǒng)時逃生通道內距離火源最近點的溫度從117 ℃降到60 ℃。頂棚邊部CO 濃度1300 ppm下降到800 ppm，降低了隧道內的煙氣濃度，這是非常有利于逃生通道內人員疏散的。