平直隧道火灾纵向排烟临界风速数值模拟研究

许鹏，高岩

摘要：平直隧道火灾纵向排烟，采用临界风速可以有效地控制烟气的流动，为人员的逃生提供足够的时间和较为安全的疏散环境。本文运用数值模拟的方法研究公路隧道发生火灾时，采用纵向排烟时的临界风速。通过控制火源功率及隧道尺寸两个变量，分析隧道尺寸对于临界风速的影响，并对不同火源功率下临界风速模拟值与理论预测值进行对比。

关键词：平直隧道；临界风速；数值模拟；FDS

隧道内发生火灾时，烟气是危害人员生命安全的主要因素，如何有效的控制烟气的流动及烟气量，是隧道火灾领域的一个重要研究课题。隧道采用纵向通风方式时，需要给隧道提供一个纵向风速，引导隧道内的烟气单向流动，能把烟气控制到火源下方方向而不发生回流现象的最小风速，这一最小纵向风速被称为“临界风速”。采用临界风速控制烟气的流动，既能防止上游回流的烟雾危害阻塞的车辆和行人，又能延长烟雾在隧道顶壁的贴附时间，避免烟雾在下游扩散太长的距离，从而增加人员逃逸时间和安全性。因此，研究隧道火灾的临界通风风速具有重要的意义。

1 临界风速基础理论

（1）临界风速理论计算

目前常用的临界风速公式有Kennedy的经验公式和Wu&Bakar 的无量纲计算公式。NFPA、PIARC报告、《道路隧道设计规范》（DG/TJ08-2033-2008）中计算临界风速给出的公式是Heselden和Kennedy[1]提出的半经验公式：

其中，Vc为临界风速，m/s；为火灾释放热量，KW；g为重力加速度，取9.8m/s2;H为隧道截面净高，m；A为隧道断面面积，m2；T是烟气温度，K；T0为环境空气温度，K；Kg为坡度修正；为无量纲系数，值为0.606；Cp为空气比热，kJ/kg.k；ρ0为流向火灾区的空气密度，kg/m3。

（2）临界风速规范取值

我国行业标准《公路隧道通风设计细则》（JTG/T D70/2-02-2014）中规定，当火源功率为20MW时，临界风速按2.0m/s~3.0m/s取值；当火源功率为30MW时，临界风速按3.0m/s~4.0m/s取值。

2 临界风速模拟计算

2.1物理模型的建立

本章的研究对象为典型的单向矩形隧道，通过多条国内已经运营的城市地下道路的调研，得出现在正在使用的道路形式多为两车道和三车道，通过计算，两车道模型宽度为8.75m，三车道模型宽度为12.25m。模型高度选择典型高度为5m。根据以上规范及调研，最终得到模型尺寸为：两车道模型为200m×8.75m×5m（长×宽×高）；三车道模型为200m×12.25m×5m（长×宽×高）。

2.2火源形式的选取

国内的《公路隧道通风设计细则》（JTG/T D70/2-02-2014）对火灾的热释放率做出了相关规定，如表2-1。

表2-1 隧道火灾最大热释放率（MW）

通行方式	隧道长度	公路等级
		高速公路	一级公路	二、三、四级公路
单向交通	L＞5000m	30	30	—
	1000m＜L≤5000m	20	20	—
双向交通	L＞4000m	—	—	20
	2000m＜L≤4000m	—	—	20

为了研究不同火源功率下平直隧道临界风速，并结合公路隧道规范中对于火源最大热释放率的规定值，本模型将采用的火源功率分别是20MW、30MW。

2.3 计算工况

隧道模型的火源功率为20MW、30MW，车道宽度为两车道和三车道，模拟的工况如表2-2所示，共4种工况。

表2-2 数值模拟工况表

组别	隧道宽度 (m)	火源功率 (MW)	组别	隧道宽度 (m)	火源功率 (MW)
第1组	8.75	30	第3组	8.75	20
第2组	12.25	30	第4组	8.75	30

2.4 模拟结果分析

本文是通过烟气的回流距离来判断临界风速。采用FDS进行模拟时，在不同火源功率下，赋予不同的吹风风速，直到模拟烟气流动图中烟气没有回流，此时的吹风风速即为临界风速。

（1）隧道尺寸对临界风速影响分析

火源功率为30MW，吹风风速为3.2m/s，模型为两车道隧道。

图2-1 两车道3.2m/s风速下不同时间的烟气流动图

由以上烟气图可以看出时间在470s～600s这段时间内，烟气回流长度在20m左右波动，则可以得出两车道吹风为3.2m/s时烟气回流长度为20m；若要把烟气完全控制在下游，则需要加大风速，通过不同风速下的模拟，最终得到平直隧道为两车道，火源为30MW时的临界风速为3.6m/s。

火源功率为30MW，吹风风速为3.2m/s，模型为三车道隧道。

图2-2 三车道3.2m/s风速下不同时间的烟气流动图

由以上烟气图可以看出时间在480s～600s这段时间内，烟气回流长度在19m左右波动，则可以得出三车道吹风为3.2m/s时烟气回流长度为19m；若要把烟气完全控制在下游，则需要加大风速，通过不同风速下的模拟，最终得到直隧道为三车道，火源为30MW时的临界风速为3.6m/s。

（2）火源功率大小对于临界风速影响分析

数值模拟模型为两车道隧道，火源功率分别为20 MW 和30MW时，如图2-3所示得出以下模拟结果：火源功率为20MW时，临界风速模拟值为3.4m/s；火源功率为30MW时，临界风速模拟值为3.6m/s。

图2-3 平直隧道不同火源功率下的临界风速

通过数值模拟得出了在两车道隧道模型中，不同火源功率下的临界风速值。以下对理论预测临界风速值与模拟值进行对比：

	20MW	30MW
PIARC理论值（m/s）	2.06	2.2
规范推荐取值（m/s）	2.0~3.0	3.0~4.0
模拟值（m/s）	3.4	3.6

从对比表格可以看出，PIARC计算的理论值偏小，与模拟结果相差较大；而模拟结果与规范推荐值比较接近。

3、结论

3.1 从模拟结果可以看出，两车道隧道和三车道隧道的断面积不同，但是同一火源功率下，临界风速的模拟值相同，说明隧道尺寸的变化对于纵向排烟临界风速大小的影响不大。.

3.2从以上模拟数据和理论计算值对比的结果可以看出，对于不同隧道的火灾纵向排烟临界风速的取值需要根据实际情况进行模拟计算。

参考文献

[1] 陈海峰. 公路隧道火灾通风数值模拟研究[D].中国科学技术大学,2009.

作者简介 许鹏（1989—），男，硕士，工程师，工作单位：天津市政工程设计研究总院有限公司，从事城市轨道交通、隧道通风空调及防排烟设计工作