“L”型排风斜井对隧道烟气...延特性及排烟效率的影响研究_王豫港.pdf

36“L”型排风斜井对隧道烟气蔓延特性及排烟效率的影响研究王豫港赵江平（西安建筑科技大学 资源工程学院，陕西 西安 710055）摘要为研究“L”型排风斜井对隧道烟气蔓延特性及排烟效率的影响，以某特长隧道为原型，使用PyroSim 建立了特长公路隧道模型，采用数值模拟方法分析“L”型排风斜井在不同工况下对隧道内温度场、烟气场、排烟效率的影响。结果表明：排风斜井可有效降低隧道顶棚最高温升，顶棚最高温升与有效隧道高度的5/3次方呈负相关；斜井关闭时温度衰减速率大于开启时衰减速率，火源功率和衰减速率差值呈负相关；排风斜井开启，顶棚 CO 浓度未超过设计标准，有效降低人眼特征高度 CO 浓度，火源功率和 CO 纵向衰减速率呈正相关；“L”型排风斜井使隧道排烟效率显著提高。关键词“L”型排风斜井PyroSim烟气蔓延特性排烟效率Study on the influence of“L”exhaust inclined shaft on tunnel smoke spreading characteristics and smoke ex-haust efficiencyWANG Yugang ZHAO Jiangping（College of Resources Engineering，Xian University of Architecture and Technology，Xian Shaanxi 710055，China）AbstractIn order to study the influence of L type exhaust inclined shaft on tunnel smoke spread characteristics andsmoke exhaust efficiency，a super long highway tunnel model is established by using PyroSim，and the influence of L type exhaust inclined shaft on temperature field，smoke field and smoke exhaust efficiency in the tunnel under dif-ferent working conditions is analyzed by numerical simulation method.The results show that：the exhaust ramp caneffectively reduce the maximum temperature rise of the roof of the tunnel，the maximum temperature rise of the roofisnegatively correlatedwith theeffectivetunnelheightof5/3 times;the temperaturedecayratewhentherampisclosedis greater than the decay rate when it is opened，and the difference between the fire power and decay rate is negativelycorrelated;the exhaust ramp is opened，the roof CO concentration does not exceed the design standard，effectively re-ducing the CO concentration of the characteristic height of the human eye，and the fire power and CO longitudinal de-cay rate are positively correlated;the L type exhaust ramp makes the tunnel smoke exhaust efficiency significantlyimproved.Key words“L”exhaust inclined shaftPyroSimsmoke spreading characteristicssmoke exhaust efficiency0引言近年来，我国隧道建设发展迅速，新型隧道结构逐渐发展起来。长度大于 3km 的特长公路隧道通常会将施工过程中留下的斜井用于隧道通风，现有某特长公路隧道设计“L”型排风斜井，以达到其无动力通风的目的，由于排风斜井断面较大，在发生火灾时，排风斜井作为排烟通道对隧道内烟气蔓延特性和机械排烟将造成很大的影响。因此，研究“L”型排风斜井对隧道火灾烟气蔓延特性及排烟效率影响非常必要。学者们在烟气蔓延特性和排烟效率方面做了较多研究，KURIOKA H 等1通过缩尺实验，得出隧道火源上方顶棚最高温度理论预测模型。LI Y Z 等2通过缩尺实验，并结合火羽流理论，建立纵向通风条件下隧道顶棚下方最高温升预测模型。HULH 等3-4结合全尺寸公路隧道火灾实验数据，并与理论方程进行了比较，得出烟温的衰减速度远远快于CO浓度衰减速度，CO 沿隧道纵向呈指数分布。LUH 等5分析了热释放速率及排烟速度对机械排烟口附近夹带现象的影响，建立了下游烟气温度的简化预测模型，并考虑了空气卷吸对烟气温度变化的影响。胡嘉伟等6基于隧道火灾不同横向火源位置的非对称卷吸2023 年第 49 卷第 2 期February 202337影响，通过模拟计算分析了中心火源和偏置火源产生的烟气沿纵向最大温升变化规律，提出偏置火源纵向空间最大顶棚温升公式。陶亮亮等7研究了火源高度对隧道内温度分布及烟气质量流量的影响，火源高度对拱顶温度分布有着明显的影响，火源高度越高，火源附近温度衰减越慢。HARISHR 等8对浮力诱导隧道顶部通风排烟系统下火源位置、通风口间距、尺寸等对隧道内温度场的影响进行了研究，分析了单个和多个通风口下火灾烟气蔓延特性。VA-UQUELIO等9运用低密度的混合气体模拟火源，通过小尺寸试验研究了排烟口布置、形状及火源功率对机械排烟系统排烟效率的影响。以上学者研究了大量的隧道火灾温度场、烟气蔓延、排烟效率的影响因素及规律，但对“L”型排风斜井的研究较少，本文采用 PyroSim 数值模拟，研究在不同火源热释放速率和不同火源位置，排风斜井对烟气蔓延特性、排烟效率的影响规律。1数值模拟模型1.1建立模型本文采用 PyroSim 模拟隧道火灾，建立模型如图 1 所示，隧道长 3 650 m，宽 10.5 m，高 7.3 m，排风斜井宽 9.5m，高 6.7m，隧道坡度 1.8%。在隧道右侧与隧道连接，隧道和排风斜井截面均为拱形。火源位置设置在距离排风斜井入口右侧 25m 处，为边长1 m1 m 的正方形正庚烷火，设置机械排烟口，位于排风斜井入口左侧 22 m 处。隧道壁面材料设置为辐射率为 0.9 的混凝土导热材料。（a）隧道整体结构（b）排风斜井局部图 1隧道模型（单位：m）1.2工况设置火源功率设置5、15、30MW，分别对应两辆小汽车、面包车、重型卡车的最大火源功率。火源燃烧模型采用t2模型来反映燃烧时间和火源热释放速率的关系。火源功率达到最大的时间分别为 163、286、400 s。根据GB500162014 建筑设计防火规范（2018版）12.3.2 条规定，机械排烟的排烟量选取 100 m3/s，机械排烟口设置在排风斜井入口左侧 22 m 处。设置 9 种工况进行模拟研究（见表 1），关闭状态对应无排风斜井隧道。表 1工况设计工况火源功率/MW火源位置排烟量/（m3 s-1）排风斜井15中心100开启215中心100开启330中心100开启45右侧100开启515右侧100开启630右侧100开启75中心100关闭815中心100关闭930中心100关闭1.3网格划分网格尺寸可由无量纲表达式D*/x进行估算，D*/x取值在 416 之间较为准确。其中 D*为网格尺寸，x为火源特征直径。D*=（QCpTg）2/5（1）式中，D*为火源特征直径，m；Q 为热释放速率，kW；T为环境温度，K，取 T=293 K；为空气密度，kg/m3，取=1.205 kg/m3；Cp为空气的定压热容，取1.004kJ/（kgK）；g 为重力加速度，取g=9.81m/s2。经过网格无关性检验，530 MW 的正庚烷火的网格尺寸加密设置范围为 0.182 50.932 5。根据网格计算准则，合理划分网格可节省计算时间且不影响模拟结果的准确性，故对近火源网格尺寸加密设置为 0.5 m，其余网格为 1 m。2结果分析2.1温度分布2.1.1最高温升预测模型顶棚最高温升是判断隧道火灾情况下结构损坏的重要依据。前人的研究提出了不同的经验公式，其中广泛应用的是 LI Y Z 等2提出的经验公式，结合工况 19 的模拟数据，得出顶棚最高温升修正拟合公式见式（2）：Tm=18.19Q2/3H5/3ef，V0.19（2）式中，Tm为顶棚下最高温度，K；Q 为火源功率，W；38Hef为有效隧道高度，m；V为无量纲通风速率。如图 2 所示，模拟结果与修正公式拟合良好，火源功率较小时，数据低于LIYZ的模型计算结果，原因是部分热量通过火源下游排风斜井排出，且隧道侧壁对高温烟气的限制作用较小，高温烟气沿隧道纵向蔓延，使顶棚最高温升降低。随着火源功率增大，火源产生大量高温烟气，隧道侧壁对高温烟气的限制作用增强，排风斜井无法及时排出，使高温烟气回流至隧道顶棚，造成烟气积聚，故顶棚最高温升高于 LI Y Z 的计算结果。图 2顶棚最高温升模拟值与经验公式预测值对比2.1.2纵向温度分布由图 3 可知，排风斜井状态对隧道顶棚最高温度具有显著影响，成为影响隧道纵向温度分布状态的主要因素。排风斜井开启，火源下游烟气分流至排风斜井内，火源下游大量烟气和热量通过排风斜井排出，隧道纵向温度相较关闭状态时显著降低。图 3隧道顶棚温度分布排风斜井开启状态下，高温烟气在排风斜井入口处分流，一部分烟气通过排风斜井排出，一部分通过机械排烟排出。图 4 是火源功率为 15 MW 时的温度云图，当烟气蔓延至排烟口处时温度迅速衰减，温度云图上呈倒“V”型分布，火源上游高温区域长度长于火源下游。火源功率较低时，排烟口处温度中心火源要略高于右侧火源，火源功率增大至 30 MW时，大量高温烟气迅速充满隧道顶棚，中心火源与右侧火源几乎无差异。中心关闭 15 MW中心开启 15 MW右侧开启 15 MW图 4火源功率 15 MW 工况的隧道温度分布云图图 5 为工况 19 的排烟口温度，排风斜井开启状态下，高温烟气沿隧道顶棚向隧道两端蔓延，相较于关闭状态下，高温烟气经过分流，排烟口温度比关闭状态下低 1060。随着火源功率的增大，烟气量增多，高温烟气在排烟口处聚集，排烟口温度超过300，超出规范中规定的最高工作温度 250。（a）工况 16（b）工况 13、79图 5工况 19 排烟口温度2.1.3温度纵向衰减根据 HULH 等3实验数据及所列公式，结合本文模拟数据确定顶棚温度纵向衰减呈幂指数分布，公式如式（3）所示：TxTmax=TxT0TmaxT0=y0+Aexp（R0 x）（3）式中，Tx为距参考点 x（m）处顶棚温度，；Tmax为顶棚最高温度，；T0为环境温度，。39如图 6 所示，排风斜井位于火源下游，当排风斜井处于开启状态时，火源上游和下游温度分布存在差异，火源下游烟气和热量从排风斜井排出，下游顶棚温度低于上游顶棚温度，火源下游温度衰减速率高于火源上游，火源功率和衰减速率差值呈正相关。（a）HRR=5 MW（b）HRR=15 MWx/m（c）HRR=30 MW图 6排风斜井开启状态火源上下游温度纵向衰减排风斜井处于关闭状态时，无排风斜井的“分流作用”排出热量，顶棚最高