排煙量對隧道溫度場變化特征的影響研究

咸淑英

(青海省交控建設工程集團有限公司,西寧 810000)

隨著我國交通運輸行業的快速發展,跨江跨海隧道的建設數量在逐年增加[1-7],而盾構施工法廣泛應用于相關隧道的工程建設中[8-10]。當隧道內發生火災事故時,熱煙氣沿隧道橫向及縱向蔓延,這會對人員疏散及救援造成較大影響[11-12],因此盾構隧道火災煙氣控制方案是隧道消防設計中的重點內容。

盾構隧道多采用頂部半橫向集中排煙方式,這是由于盾構隧道的斷面近似圓形,結合熱煙氣向上運動的特點,弧頂通常用作排煙通道。

目前,國內外已對隧道半橫向集中排煙方式開展研究。Vauquelin 等[13]通過試驗探究頂部排煙口形狀及位置對隧道火災排煙效率的影響,并研究火災熱釋放速率對排煙效率的影響效果。Ingason等[14]分別針對單點、雙點排煙方式開展相關試驗研究,分析縱向風速、排煙口間距等因素對排煙效率的作用效果,并通過獲得的溫度分布及熱通量數據建立經驗模型。Chaabat 等[15]建立了縮尺寸隧道模型,通過試驗探究擋煙垂壁對煙氣蔓延行為的影響特征。Harish 等[16]通過CFD (computational fluid dynamics,計算流體力學)模擬手段研究了排煙口尺寸及火源位置對排煙效率的影響,并預測隧道上部的煙霧運動規律。王忠等[17]將膠州灣海底隧道作為研究實例,模擬并分析該隧道采用半橫向排煙方式的排煙效果。陳娟娟等[18]采用大渦模擬的手段探究排煙口數量、面積對隧道溫度分布、排煙效率的影響。潘一平等[19]分析排煙閥開啟數量、布置間距等因素對單點、雙點兩種排煙模式下排煙效率的影響。方正等[20]以武漢長江盾構隧道為例,研究頂部排煙閥開啟條件下,火源功率及縱向風速對煙氣流動行為及隧道內溫度分布的影響。夏之彬等[21]通過數值模擬研究盾構隧道頂部集中排煙模式下排煙閥組內的間距,發現使用高密閉排煙閥時,排煙閥組內間距不大于一倍排煙閥寬度。趙家明等[22]通過現場測試和數值模擬研究集中排煙模式下煙氣層化高度和范圍,發現排煙閥間距對煙氣層化高度和范圍影響較大。

目前國內外學者的研究主要集中在頂部和側壁排煙的排煙口數量和位置對排煙效果的影響,而頂部重點排煙量對隧道溫度場變化特征的影響研究較少。

本研究通過CFD 數值模擬方式研究隧道溫度分布和隧道熱煙氣層、冷空氣層的溫度變化情況,并建立熱煙氣層溫度衰減預測模型,以豐富隧道頂部重點排煙理論,從而為隧道頂部集中排煙系統設計提供技術參考。

1 數值模擬

1.1 模型設置及測點布置

為研究頂部重點排煙量對隧道溫度場變化的影響特征,通過CFD 數值模擬軟件建立隧道長800 m,行車道層寬13.2 m、高6 m 的隧道模型。隧道上部為排煙道,下部為行車道。兩端為自然開口,隧道壁面材料設置為混凝土,其彈性模量為30 000 N/mm2、每立方抗壓強度為30 MPa。環境溫度為293 K,火源位于隧道中間段中部車道處,隧道模型如圖1 所示。根據《公路隧道通風設計細則》(JTG/T D70/2-02—2014)[23]、《城市地下道路工程設計規范》(CJJ 221—2015)[24],本研究主要考慮重型貨車在隧道中發生火災的情況,火災熱釋放速率為50 MW?；馂脑鲩L方式為t2快速火[21-22]。

圖1 隧道模型(單位:m)

隧道一般按照最不利火災場景設計排煙量,50 MW 的產煙量理論計算值為180 m3/s[25],因此本研究考慮排煙量范圍為140～240 m3/s,并設置無重點排煙模式的隧道作為對照工況。排煙閥間距為60 m,數量為6 個,開啟方式為火源對稱開啟。排煙閥尺寸為5 m×1.2 m,其長邊垂直于隧道行車方向。此外,為探究集中排煙模式下煙氣運動特性,在隧道內設置間距為1 m 的煙層測點,用于實時記錄煙氣層高度、上層熱煙氣平均溫度以及下層冷空氣平均溫度。

1.2 工況選擇及網格設置

根據FDS(Fire Dynamics Simulator,火災動力學模擬器)用戶使用手冊[26]可知,當網格尺寸d取值介于[D*/16,D*/4]之間時,模擬結果與試驗結果均較為準確,為綜合軟件運算時間并方便計算,排煙閥附近網格尺寸為0.25 m×0.25 m×0.25 m。其中火源特征直徑D*的計算公式如式(1)所示。

式中,D*為火源特征直徑,m;為火源熱釋放速率,kW;ρ∞為空氣密度,取1.29 kg/m3;cp為空氣定壓比熱容,取1.02 kJ/(kg·K);T∞為空氣溫度,取293.0 K;g為重力加速度,取9.8 m/s2。

2 結果與分析

2.1 隧道溫度分布云圖分析

不同排煙量條件下隧道內溫度分布如圖2 所示。當隧道中未開啟重點排煙模式時,隧道內充滿煙氣,溫度隨著與火源距離的增加而降低。開啟重點排煙模式后,隧道內的煙氣得到控制,由于距離火源較近,第一個排煙閥附近的排煙道溫度較高。隨著排煙量的增加,隧道內煙氣蔓延范圍逐漸收縮,煙氣影響到的溫度范圍也逐漸收縮。當排煙量增長至220 m3/s 以后,繼續增加排煙量,隧道內整體溫度分布范圍變化不大。此外,當排煙量分別為140 m3/s、160 m3/s、180 m3/s、200 m3/s、220 m3/s、240 m3/s 時,其對應的煙氣長度分別為303 m、278 m、250 m、220 m、184 m、176 m?？梢园l現,當排煙量范圍在140 m3/s～220 m3/s 之間時,排煙量越大,隧道內煙氣長度越小,且縮短幅度逐漸增加;而當排煙量進一步增大至240 m3/s 時,其與排煙量為220 m3/s 時對應的煙氣長度相差不大,因此從節約工程成本的角度出發,220 m3/s 為本研究的最佳排煙量。

圖2 不同排煙量條件下隧道內溫度分布

2.2 隧道冷空氣層溫度變化分析

不同排煙量工況下冷空氣層溫度分布規律如圖3 所示,發現當隧道開啟重點排煙模式后,冷空氣層的溫度低于無排煙的工況。不同排煙量工況,冷空氣層的溫度區別不明顯。

圖3 不同排煙量工況下冷空氣層溫度分布規律

2.3 隧道熱煙氣層溫度變化分析

不同排煙量工況下熱煙氣層溫度分布規律如圖4 所示,當隧道開啟重點排煙模式后,熱煙氣層溫度低于無排煙的工況。針對不同排煙量工況,第一個排煙閥范圍內溫度變化不大,溫度主要從第一個排煙閥之后開始有明顯差異。

為量化分析不同排煙量工況下熱煙氣層溫度分布規律,進一步分析無量綱溫升隨距離的變化關系,建立無量綱溫升與距離的函數模型,模型計算公式如式(2)所示。

式中,ΔT為隨距離變化的溫升,K;ΔT0為測得的最大溫升,K;V*為排煙閥系數;x為與火源的距離,m;A、B均為擬合系數。

由于排煙閥尺寸固定,引入排煙閥系數V*,其計算公式如式(3)所示。

式中,V為排煙量,m3/s;S為排煙閥面積,m2;g 為重力加速度,m/s2;H為隧道高度,m。

不同排煙量工況溫度衰減規律擬合如圖5 所示,數據具有良好的相關性,不同排煙量下無量綱溫度擬合結果如表1 所示。

表1 不同排煙量下無量綱溫度擬合結果

圖5 不同排煙量工況溫度衰減規律擬合

通過無量綱排煙量與系數A和系數B的相關擬合發現,無量綱排煙量與系數A和系數B呈線性關系,系數A和系數B與排煙閥系數的關系擬合如圖6 所示。

圖6 系數A 和系數B 與排煙閥系數的關系擬合

系數A與排煙閥系數V*的關系如式(4)所示,系數B與排煙閥系數V*的關系如式(5)所示。

最終建立不同排煙量條件下煙氣蔓延范圍的溫度衰減預測模型,模型表達式如式(6)所示。

3 結論

研究盾構隧道重點排煙模式對火災熱煙氣層與冷空氣層的溫度變化影響,并采用數值模擬方法研究隧道溫度分布云圖以及隧道熱煙氣層和冷空氣層的溫度變化情況,得到如下結論。

(1) 排煙量從140 m3/s 增加至220 m3/s,隧道內整體溫度分布范圍收縮明顯,排煙量為220 m3/s和240 m3/s 的工況下,隧道內整體溫度分布范圍變化差異較小。

(2) 開啟重點排煙模式后,隧道內熱煙氣層和冷空氣層的溫度均低于無排煙工況的溫度。

(3) 不同排煙量工況,熱煙氣層溫度衰減規律從第一組排煙閥開始有區別?？紤]無量綱排煙量為系數,最終建立熱煙氣層溫度衰減預測模型。