復雜地下空間交通體系連接匝道煙氣控制方案研究

姜學鵬,張鍵鴻,陳玉遠

(1.武漢科技大學安全與應急研究院,武漢,430081;2.武漢科技大學消防安全研究中心,武漢,430081;3.中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢,430063)

0 引言

隨著城市的發展,出現了包含市政主隧道、環形通道和連接匝道的新型復雜地下交通體系。其復雜性表現在各個分區段的車速、車型、截面尺寸和功能等均有很大差異。當它們組成一個交通體系時,車流量大、分合流點多且氣流組織復雜,火災時煙氣易竄流,人員、車輛疏散困難,救援難度大。

部分學者針對隧道交叉口位置火災和匝道火災進行了相關研究。李俊梅等[1]采用 FDS 模擬研究了城市隧道匝道與主隧道不同結構形式對煙氣運動的影響,提出了當火源位于合流分岔段上游時,采用主道與匝道聯合送風的防煙策略,并分析了不同分岔角對煙氣分布規律的影響,以此優化多匝道城市隧道排煙系統。李博[2]以杭州紫之隧道為研究背景,研究分析了火源位于主道、匝道不同位置時的氣流組織和人員疏散方案,同時通過網絡通風理論計算,確定了不同排煙區段的風機配置方案。徐然等[3]采用數值模擬研究火災時城市快速通道入口匝道反向通風模式下人員疏散的安全性;結果表明,火源位置距離匝道入口處較近時,直接采用反向通風模式能夠保證人員安全疏散,反之則不然。劉琪等[4],夏之彬等[5]將排煙效率作為隧道集中排煙系統的評價指標之一,以此提高隧道集中系統排煙量設計的準確性。

關于匝道火災的研究少之又少,且主要針對與地面連接的匝道火災煙氣對主道或人員疏散的影響,還沒有內部連接匝道煙氣控制策略的相關研究。同時關于排煙效率的研究也多是針對長直隧道重點排煙開啟多個排煙口的情形下,將其作為其中一項控煙可行性判定指標。本文以杭州某復雜地下空間交通體系連接匝道為研究背景,提出匝道防災排煙設計方法,再以其中二合一式連接匝道為例,采用FLUENT數值模擬其通風排煙設計方案的有效性并推薦最佳設計方案,為同類型隧道結構合理選擇通風排煙方式提供依據。

1 匝道防災排煙設計方法

1.1 分合流流速分配理論模型

1.1.1 分流(水平夾角0°≤α≤90°)

如圖1所示,由截面1-1,2-2,3-3,列出連續性方程、能量守恒方程和動量方程如下：

圖1 分流交匯處局部示意圖Fig.1 Partial diagram of the diversion intersection

v3A3=v1A1+v2A2

(1)

(2)

P3A3cosα+R2S2sinα-R1S1sinα-R3S3sinα-

P2A2=ρA2v2(v2-v3cosα)

(3)

聯立式(1)、式(2)、式(3)解得：

(4)

由式(4)可知,當 Ⅰ送風時,夾角α越大,流入Ⅱ內的風速越小,若考慮煙氣的影響,則流入Ⅱ的煙氣量隨著水平夾角的增大而減少,此時控制煙氣侵入Ⅱ所需臨界風速越小。

1.1.2 合流(水平夾角90°<α≤180°)

如圖2所示,由截面1-1,2-2,3-3,列出連續性方程、能量守恒方程和動量方程如下：

圖2 合流交匯處局部示意圖Fig.2 Partial diagram of the confluence intersection

v1A1=v2A2+v3A3

(5)

(6)

P2A2+R1S1sinβ-R3S3sinβ-R2S2sinβ-

P1A1cosβ=ρA2v2(v1cosβ-v2)

(7)

聯立式(5)、式(6)、式(7)解得：

(8)

當Ⅰ送風、Ⅱ不送風時,在Ⅰ、Ⅱ 交匯處形成一定的負壓,從而導致Ⅱ內形成自然風速。若考慮煙氣的影響,由式(8)可知：流入Ⅱ的煙氣量隨著Ⅰ風速的增大而減小,此時控制煙氣侵入Ⅱ所需臨界風速變小。

1.2 匝道通風排煙組織策略

根據匝道的位置關系可將其通風排煙組織策略歸納為以下三類：

(1)上游區段聯合補風+重點排煙,如圖3(a)所示：沿車行方向,匝道上下游分別連接兩個不同區段,火災時開啟下游與區段Ⅱ交接的排煙口和軸流風機排煙,上游區段Ⅰ聯合送風控制,開啟射流風機縱向通風以保持風力平衡,必要時區段Ⅱ射流風機可反轉協同控制。

圖3 匝道火災通風排煙組織策略Fig.3 Ventilation and smoke exhaust organization strategy of fire of ramp

(2)補風口補風+重點排煙,如圖3(b)所示：沿車行方向,匝道上下游分別連接兩個不同區段,火災時開啟下游與區段Ⅱ交接的排煙口和軸流風機排煙,開啟上游與區段Ⅰ交接的補風口軸流風機進行補風,同時射流風機縱向通風以保持風力平衡,必要時區段Ⅱ射流風機可反轉協同控制。

(3)縱向通風+洞口排煙,匝道與地面連接,如圖3(c)所示：沿車行方向,無論是入口還是出口匝道,火災時朝洞口方向開啟射流風機,同時其他區段聯合送風控制,煙氣通過洞口排出。

1.3 煙氣控制有效性判定準則

匝道火災通風排煙有效性可總結為以下三個準則：

(1)火源上游處抑制煙氣逆流,提供安全的疏散環境,即火源上游通風風速應大于/等于臨界風速;

(2)排煙口處限制煙氣外溢,將高溫煙氣控制在火源和排煙口范圍內,即煙氣蔓延距離LC60≤火源與排煙口距離L[6];

(3)系統排煙效率η應不小于95%[4]。

2 數值模擬

2.1 模型構建

以杭州某復雜地下空間交通體系二合一式雙連接匝道為研究對象,較為特殊的是兩個合流匝道都有曲率且其中一個匝道有坡度,氣流組織更為復雜,采用FLUENT18.0數值模擬驗證分析,其示意圖與全尺寸模型如圖4。

圖4 復雜地下空間交通體系示意圖Fig.4 Schematic diagram of complex underground space traffic system

2.2 參數設置

模擬煙氣流動采用帶浮力修正的k-ε雙方程湍流模型,輻射采用DO輻射模型,并采用分離式解法中的SIMPLE算法來求解離散方程?；鹪茨Ｐ统叽鐓⒄招∑嚦叽缭O置為4.6 m×1.7 m×1.5 m[7]。鑒于計算模型結構較復雜,可采用非結構網格的方法對其進行網格劃分,網格尺寸決定了模型網格數量,理論上網格尺寸越小,計算模擬結果越精確,網格尺寸太大容易造成計算結果不準確。為排除網格數量對計算結果的影響,進行了網格無關性驗證,通過分析得出,當網格尺寸小于0.5 m時,對計算結果的影響較小,綜合考慮計算的準確度和計算時間,對火源、軸流風機及射流風機等關鍵位置附近采用0.25 m的網格加密,其他區域采用0.5 m網格尺寸。

此區段匝道與環形通道連接,只允許轎車通行,參考PIARC[8],考慮2輛小汽車碰撞起火,設定其火災熱釋放速率Q為8 MW,煙氣釋放速率[9]為42.2 kg/s?；馂娜紵a物成分主要為CO2和CO,其分別占總質量的95%和5%[10]。通常汽油等易燃液體的火災選用超快速t2穩態火,即Q=at2[11],a為火災等級常數,取值為0.187,則火源在206.8 s內從0 MW增加到8 MW。

火災煙氣生成量主要取決于火源上方煙氣羽流的質量流量。通過《Handbook of Fire Protection Engineering》[12]推薦的軸對稱型羽流模型來計算獲得：

(9)

(10)

(11)

式中：Mp為羽流質量流量,kg/s;火源的對流熱釋放速率Qc一般取0.7Q,kW;Z1為火焰極限高度,m;Z為燃料面到煙氣層底部的高度,m;Vp為煙氣生成量(m3/s);環境溫度下氣體的密度ρ0為1.2 kg/m3;T為羽流的平均溫度(K);環境溫度T0取293 K;空氣的定壓比熱容cp取1.012 kJ/(kg·K)。經計算可得煙羽流的平均溫度T為485.85 K,羽流體積流量Vpmax為75 m3/s。

環境溫度設為293 K,空氣密度設為1.22 kg/m3。隧道壁的粗糙度設為0.025 m,壁面設為絕熱。排煙口軸流風機排煙量設置應不小于煙氣生成量,其邊界條件為velocity-inlet,速度方向取負。

根據Danziger和Kennedy[13]臨界風速公式計算得匝道臨界風速vc為1.73 m/s,由射流風機提供,其截面設置為FLUENT自帶的模型Fan,并合理設置升壓值ΔP。其余隧道出入口設為壓力出口pressure-outlet邊界條件。

2.3 設計方案與工況設置

當連接匝道A或B發生火災時,其中一種方案是在合流點左側各設置一個排煙口,如圖5(a)所示?？紤]到此方案需開啟兩個排煙口,會增加施工成本,根據分合流流速分配理論,當其中一個匝道縱向通風時,交匯處形成一定的負壓,另一個匝道會形成自然防煙風速,其次,隨著縱向風速增大,煙氣侵入非事故匝道所需臨界風速變小,因此提出合流點開啟一個排煙口的優化方案,如圖5(b)所示,探究此方案可行性。

圖5 連接匝道A/B設計方案構造形式Fig.5 Design scheme structural form of ramp A/B

上游縱向通風將煙氣全部吹向火源下游,將火災煙氣控制在火源與下游排煙口打開段內,下游重點排煙量設定需大于限制煙氣逆流通風量且不小于煙氣生成量,如式(12);由此可確定最小排煙量為130 m3/s。具體工況設置如表1所示。

表1 工況設置表Table 1 Working condition setting

Ve≥A×vcr且Ve≥Vp

(12)

式中,Ve為重點排煙量(m3/s),Vp為火災煙氣生成量(m3/s),vc為臨界風速(m/s),A為隧道橫斷面積(m2)。

3 結果與討論

3.1 斷面風速分析

截取穩定時刻連接匝道A/B火源前后斷面風速圖,如圖6、圖7所示。

圖6 連接匝道A火源前后斷面風速圖Fig.6 Wind speed diagram of front and back sections of fire location of ramp A

圖7 連接匝道B火源前后斷面風速圖Fig.7 Wind speed diagram of front and back sections of fire location of ramp B

由圖6、圖7可知,通過設置射流風機參數,截取穩定時刻火源前后斷面風速圖,結果表明斷面平均送風風速vs≥臨界風速vc=1.73 m/s,能有效限制火源處煙氣逆流,保證火源上游人員安全的疏散環境。

3.2 火災煙氣蔓延分析

穩定時刻各工況煙氣蔓延情況如圖8、圖9所示。

圖8 T1/T3工況穩定時刻煙氣蔓延圖Fig.8 Smoke spread at stable time of T1/T3 conditions

圖9 T2/T4工況穩定時刻煙氣蔓延圖Fig.9 Smoke spread at stable time of T2/T4 conditions

由圖8、圖9可知：① T1/T2工況煙氣明顯未越過排煙口,煙氣很好地控制在排煙區段內,表明匝道末端各設置一個排煙口的方案是合理的;② T3/T4有部分排煙量工況煙氣侵入到非事故匝道,但隨著排煙量增大,侵入非事故匝道的煙氣量減少。是因為事故匝道采用射流風機縱向通風+排煙口排煙模式,當排煙口達到一定排煙量時,交匯處風速較大,根據分合流流速分配理論模型,煙氣侵入非事故匝道臨界風速較小,加上自然防煙風速,煙氣才不會侵入非事故匝道。③ T3/T4不同排煙量工況均有部分煙氣越過排煙口,甚至竄流至非事故區段,這是因為合流處設置一個排煙口時,在隧道橫向范圍內排煙口的占比較小,煙氣經過射流風機的縱向作用以及匝道曲率的影響,高速煙氣的頂部不能正對著排煙口,煙氣熱浮力不僅沒能促進排煙,且排煙口抽吸力難以抵消煙氣的慣性力。隨著排煙量增大,排煙口抽吸力對煙氣的控制逐步加強,竄流煙氣量逐漸減少。

為了判斷非事故區段人員臨界安全是否滿足要求,在越過排煙口的區域設置距隧道地面不同高度的溫度測點,對比T3/T4不同排煙量工況排煙口附近溫度場,結果如圖10、圖11所示。

圖10 T1/T3工況穩定時刻煙氣溫度圖Fig.10 Smoke temperature at stable time of T1/T3 conditions

圖11 T2/T4工況穩定時刻煙氣溫度圖Fig.11 Smoke temperature at stable time of T2/T4 conditions

由圖10、圖11可知：① 隨排煙量增大,不同高度越過排煙口煙氣溫度呈下降趨勢;② 除了排煙量130 m3/s,超過60 ℃的高溫煙氣大多漂浮在隧道頂部,2 m清晰高度處溫度均低于60 ℃,火災下游段的車輛在發生火災時繼續向前行駛進行逃生,越過排煙口即可到達安全區域,結果表明非事故區段人員臨界安全可滿足要求,即排煙量大于160 m3/s時,可認為煙氣蔓延距離LC60≤火源與排煙口距離L。

3.3 排煙效率

通過生成的CO2量和排出的CO2量表征火源的煙氣生成量和煙氣的排出量,將排煙口的排煙效率η定義為單位時間內該排煙口排出的CO2量占CO2生成總量的百分數[5]。如下式(13)所示。

(13)

式中me為排煙口單位時間排出的CO2量,kg/s;mp為單位時間內CO2生成總量,kg/s。各工況排煙量與排煙效率關系如圖12所示。

圖12 T1～T4工況排煙量與排煙效率關系圖Fig.12 The relationship of smoke exhaust and smoke exhaust efficiency of T1～T4 working conditions

由圖12可知：① T1/T3工況排煙效率分別為99.1%和98.9%,遠大于95%的判定標準;② 根據不同排煙量擬合出T2/T4工況排煙量與排煙效率的關系曲線,由此可知當T2工況排煙量大于146 m3/s、T4工況排煙量大于166 m3/s時,排煙效率即可滿足95%的判定標準,考慮工程實際,排煙量不應小于170 m3/s。

4 結論

復雜地下交通體系由多個部分區段組成,通過連接匝道相互連接,內部存在多個分合流點,氣流組織復雜。為防止火災時煙氣在各部分間竄流,連接匝道煙氣控制方案的有效性起關鍵作用。

(1)根據連接匝道的構造形式,提出匝道火災通風排煙設計方法,并應用于工程實例;以抑制煙氣逆流臨界風速、煙氣蔓延范圍和排煙口排煙效率作為控煙有效性判定準則,得到匝道末端各設置一個排煙口或合流處僅設置一個排煙口的方案均可有效保證火源下游車輛和火源上游人員的逃生安全;

(2)相比于匝道末端各設置一個排煙口的方案,合流處設置單個排煙口僅需要提高少許排煙量即可同樣滿足防災要求,從土建成本考慮,推薦單個排煙口方案;

(3)本文提出的匝道火災通風排煙設計方法可推廣至同類型隧道合流結構,同時可為其排煙口布置提供借鑒。