侧向集中排烟隧道火灾烟气控制优化

８３７
学参数梯度变 化 较 大 ，通 常 在 火 源 附 近 区 域 选 取 较 小 尺 寸的网格，使湍 流 能 够 被 准 确 模 拟。 在 火 源 远 场 区 域 可 以采用较粗的 网 格 尺 寸 ，以 便 在 满 足 计 算 进 度 的 前 提 下 节约计算时间。火 源 区 域 附 近 纵 向 （ｘ 轴，±２０ ｍ）采 用 的网格尺寸为０．２５ｍ，火源 远 场 区 域 纵 向 网 格 尺 寸 分 别 为０．５ｍ（ｘ 轴，±１６０ｍ）与１ｍ（ｘ 轴，其他区域），隧道横 向 选 用 的 网 格 尺 寸 均 为 ０．５ ｍ×０．５ ｍ。
图 ２ 隧 道 排 烟 系 统 示 意 图
２ 模 拟 结 果 分 析 鉴于不同坡度隧道火灾时合理烟控方案的选择思路
相同，笔者仅对－３％坡度隧道合理 烟 控 方 案 的 选 择 进 行 详细阐述。 ２．１ 温 度 场 分 析
在－３％坡度 隧 道 中，进 行 “纵 向 通 风 ＋ 上 游 端 单 向 排烟”时，不同排烟口开启方案及不 同 纵 向 诱 导 风 速 的 温
排烟方式
诱导风速 ／ｍ／ｓ
排烟口开启情况
上游 下游
１ －３％ １组
４组
纵向 通 风 ＋ 上 游 端单向排烟
２ －３％ １组
４组
纵向 通 风 ＋ 上 游 端单向排烟
３ －３％ ２组
３组
纵向 通 风 ＋ 上 游 端单向排烟
４ －３％ ２组
３组
纵向 通 风 ＋ 上 游 端单向排烟
５
０
１组
４组
纵向 通 风 ＋ 两 端 排烟
建筑防火设计
侧向集中排烟隧道火灾烟气控制优化
刘 拓１ ，姜 学 鹏２ （１．东莞市消防支队，广东 东莞 ５２３０００；２．中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 ４１００７５）
摘 要：针对某特长沉管公路隧道 采 用 侧 向 集 中 排 烟 系 统 的实际，采用 ＦＤＳ对隧道内温度场分布、２ｍ 高处能见 度 分 布、 烟气蔓延范围、排烟 效 率 等 指 标 进 行 定 量 分 析，获 得 合 理 的 烟 气 控 制 方 案 。 结 果 表 明 ：火 源 位 于 －３％ 坡 度 段 内 ，火 源 功 率 ５０ ＭＷ 的合理纵向诱导风速为２．５ ｍ／ｓ，合 理 排 烟 口 开 启 方 案 为 上 游 开 启 １ 组／下 游 开 启 ４ 组 排 烟 口 ；０ 坡 度 段 合 理 的 烟 控 方 案 为两端排烟，上 游 开 启 ２ 组／下 游 开 启 ３ 组 排 烟 口，并 配 合 １．５ ｍ／ｓ的纵向诱导 风 速；３％ 坡 度 段 合 理 的 烟 控 方 案 为 下 游 端 排 烟，上游开启２组／下 游 开 启 ３ 组 排 烟 口，并 配 合 １ ｍ／ｓ的 纵 向 诱导风速。
作 者 简 介 ：曾 岳 梅 （１９８８－ ），女 ，中 国 石 油 大 学 （华 东 ）安 全 工 程 专 业 硕 士 研 究 生 ，主 要 从 事 化 工 安 全 技 术 与评价方面的研 究，山 东 省 青 岛 市 延 安 三 路 ２１８ 号 中 国 石 化 青 岛 安 全 工 程 研 究 院 评 价 室 ，２６６０７１。
系统多为盾构隧道利用拱顶富余空间设置顶部排烟道、 沉管隧道设 置 侧 部 排 烟 道 。 在 公 路 隧 道 通 风 模 式 下，设 置独立排烟道系 统 的 新 型 通 风 排 烟 系 统 ，在 公 路 隧 道 正
隧道模型长度为１ ０００ｍ（ｘ 方向）。 １．２ 网 格 尺 寸 确 定
考虑到采用 ＦＤＳ ５．３．０建模时，火源附近相关热力
１２ ３％
２组
３组
纵向 通 风 ＋ 下 游 端单向排烟
１．５ ２．５ １．５ ２．５ １．５ ２．０ １．５ ２．０ １．０ １．５ １．０ １．５
间 距 ６７．５ ｍ，面 积 ２ ｍ２×３ 个 间 距 ６７．５ ｍ，面 积 ２ ｍ２×３ 个 间 距 ６７．５ ｍ，面 积 ２ ｍ２×３ 个 间 距 ６７．５ ｍ，面 积 ２ ｍ２×３ 个 间 距 ６７．５ ｍ，面 积 ２ ｍ２×３ 个 间 距 ６７．５ ｍ，面 积 ２ ｍ２×３ 个 间 距 ６７．５ ｍ，面 积 ２ ｍ２×３ 个 间 距 ６７．５ ｍ，面 积 ２ ｍ２×３ 个 间 距 ６７．５ ｍ，面 积 ２ ｍ２×３ 个 间 距 ６７．５ ｍ，面 积 ２ ｍ２×３ 个 间 距 ６７．５ ｍ，面 积 ２ ｍ２×３ 个 间 距 ６７．５ ｍ，面 积 ２ ｍ２×３ 个
６
０
１组
４组
பைடு நூலகம்
纵向 通 风 ＋ 两 端 排烟
７
０
２组
３组
纵向 通 风 ＋ 两 端 排烟
８
０
２组
３组
纵向 通 风 ＋ 两 端 排烟
９ ３％
１组
４组
纵向 通 风 ＋ 下 游 端单向排烟
１０ ３％
１组
４组
纵向 通 风 ＋ 下 游 端单向排烟
１１ ３％
２组
３组
纵向 通 风 ＋ 下 游 端单向排烟
关 键 词 ：公 路 隧 道 ；侧 向 集 中 排 烟 ；烟 气 控 制 ；数 值 模 拟 中 图 分 类 号 ：Ｘ９１３．４，ＴＵ８３４．２，Ｕ４５９．２ 文 献 标 志 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１００９－００２９（２０１３）０８－０８３７－０５
隧道火灾产生的烟气是导致人员死亡的主要原因， 烟气控制不 当 将 产 生 严 重 后 果 。 火 灾 工 况 下，隧 道 应 提 供足够的新鲜空 气 供 人 员 逃 生 及 车 辆 疏 散 ，并 使 救 援 人 员能快速到 达 火 灾 地 点 实 施 救 援 。 目 前，隧 道 集 中 排 烟
櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒
［６］张玉若．特殊工况下可燃蒸气云爆炸传播的动力学过程模拟及其 事 故 后 果 分 析 ［Ｄ］．太 原 ：中 北 大 学 ，２００７．
ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｏｆ ｉｇｎｉｔｉｎｇ ａｔ ｃｅｎｔｅｒ ｏｒ ｓｉｄｅ ｏｆ ｔｈｅ ｖａｐｏｒ ｃｌｏｕｄ．Ｔｈｅ ｍｏｒｅ ｓｔｏｐｐａｇｅ，ｂａｄ ｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｌｏｎｇ ｆｌａｍｅ ｐｒｏｐ－
为了获得侧向集中排烟隧道中火灾发生时合理的烟 气控制方 案，研 究 火 源 功 率 ５０ ＭＷ，火 源 位 于 －３％、０、 ３％坡度段，排烟 量 为 ２４０ ｍ３／ｓ，分 别 采 用 排 烟 道 背 离 行 车方向的一端 排 烟 风 机 开 启 时 上 游 端 单 向 排 烟 、排 烟 道 两端排烟风机同时开启时双向排烟以及排烟道顺着行车 方向的一端排烟风机开启时下游端单向排烟的排烟组织 方式时，采用的 排 烟 口 开 启 方 案 （上 游 开 启 １ 组／下 游 开 启４组，上游开启２组／下游开 启 ３ 组），以 及 相 应 的 纵 向 诱导风速。隧道排 烟 系 统 示 意 图 如 图 ２ 所 示，设 计 工 况 如表１所示。
度场分布，如图３～ 图 ６ 所 示。 所 有 工 况 中，隧 道 内 最 高 温度均位于 火 源 附 近 顶 板 高 度 处 ，顶 板 下 方 及 距 地 面 ２ ｍ 高处温度最高值均出现在中间车道（火 源 所 在 车 道）火 源附近。
表 １ 模 拟 工 况 设 计
火源上下游
工 况
开启排烟口 坡度 组数
８３８
对比工况 １ 和 ２、工 况 ３ 和 ４ 可 知，当 坡 度 为 －３％ 时，采用“纵向 诱 导 通 风 ＋ 上 游 端 单 向 排 烟”且 排 烟 口 开 启方案相同 情 况 下，当 纵 向 诱 导 风 速 较 大 （２．５ ｍ／ｓ）时， 隧道内２ｍ 高处最高温度低于纵向诱导风速１．５ｍ／ｓ时
常营运时，排烟 口 关 闭，利 用 纵 向 通 风 模 式 通 风，火 灾 工 况条件下利用专用排烟道 ，采用“排烟轴 流 风 机 集 中 排 烟 ＋射流风机纵向诱导”相结合的通风模 式 ，把 烟 气 控 制 在 行车道一定范围 内，解 决 了 纵 向 通 风 火 灾 烟 雾 沿 纵 向 蔓 延带来的危害，使通风既节能又安全 。
Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｖａｐｏｒ ｃｌｏｕｄ
ａｇａｔｉｏｎ ｌｅａｄ ｔｏ ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｏｖｅｒｐｒｅｓｓｕｒｅ ｕｎｄｅｒ ｎｏｒｍａｌ ｃｏｎｄｉ－ ｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｂｉｇｇｅｓｔ ｏｖｅｒｐｒｅｓｓｕｒｅ ｈａｐｐｅｎｓ ａｔ ｔｈｅ ｆａｒｔｈｅｓｔ ｌｏｃａｔｉｏｎ
ｔｕｒｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ａｎｄ ｏｖｅｒｐｒｅｓｓｕｒｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｗｅｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ
ｒｅｃｅｉｖｉｎｇ ｔｅｒｍｉｎａｌ ｌａｙｏｕｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＬＮＧ ｔｅｒｍｉｎａｌ；ｖａｐｏｒ ｃｌｏｕｄ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ；ＣＦＤ；ｎｕｍｅｒ－ ｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
（１．Ｃｅｎｔｒｅ ｆｏｒ Ｏｆｆｓｈｏｒｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｓａｆｅｔｙ Ｔｅｃｈｎｏｌｏ－ ｇｙ，Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ Ｑｉｎｇｄａｏ ２６６５５５， Ｃｈｉｎａ；２．ＳＩＮＯＰＥＣ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｓａｆｅｔｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｓｈａｎｄｏｎｇ Ｑｉｎｇｄａｏ ２６６０７１，Ｃｈｉｎａ；３．Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｓａｆｅｔｙ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｆｏｒ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ Ｑｉｎｇｄａｏ ２６６０７１， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ＬＮＧ ｒｅｃｅｉｖｉｎｇ ｔｅｒｍｉｎａｌ ｗａｓ ｅｓ－ ｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｂｙ ＣＦＤ ｓｏｆｔｗａｒｅ ＦＬＡＣＳ，ｖａｐｏｒ ｃｌｏｕｄ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ ｕｎ－ ｄｅｒ ｔｈｅ ＬＮＧ ｔａｎｋ ｗａｓ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ．Ｔｈｅ ｆｌａｍｅ ｓｈａｐｅ，ｔｅｍｐｅｒａ－
笔者针对某特长沉管公路隧道采用侧向独立排烟道 的实际，通过数值模拟，研究侧向排烟道 集 中 排 烟 系 统 火 灾烟气蔓延规律 ，以实现火灾烟气的优化控制 。 １ 计 算 模 型 及 火 灾 场 景 设 置 １．１ 几 何 模 型 的 建 立
隧道空间包含行车道 、排烟口和排 烟 道，隧 道 坡 度 分 别为－３％、０、３％。结合某特长沉管 公 路 隧 道 工 程 实 际 ， 以隧道断面尺寸 和 排 烟 道 断 面 尺 寸 为 依 据 ，行 车 道 模 型 横断面宽１４．２５ｍ（ｙ 方向），高７．５ｍ（ｚ 方向），两行车道 中间管廊上部设置排 烟 道 ，排 烟 道 面 积 为 １６ ｍ２，隧 道 横 断面示意图如图１所示。为了减小边界条件对隧道内气 体 流 动 的 影 响 ，兼 顾 计 算 耗 时 经 济 性 ，数 值 模 拟 建 立 的
收 稿 日 期 ：２０１３－０４－１２
基金项目：湖南省科技计划项目“公路隧道火灾点式排烟系统关键技术研究”（２０１２ＧＫ３１６９）；北京市博士后工作经费资助项目（２０１３ＺＺ－０２）；灭 火 救 援 技 术 公 安 部 重 点 实 验 室 开 放 课 题 （ＫＦ２０１１００３）
消 防 科 学 与 技 术 ２０１３ 年 ８ 月 第 ３２ 卷 第 ８ 期
图 １ 模 拟 隧 道 横 断 面 图
１．３ 火 源 参 数 设 置 为了实现模拟火灾场景的真实性 ，采用ｔ２ 稳态火，最
大火源功率设定 为 ５０ ＭＷ，并 设 定 起 火 ５ ｍｉｎ时 达 到 最 大火源功率，火源达 到 ５０ ＭＷ 后 保 持 稳 定，忽 略 火 灾 衰 退阶段。起火后一段时间火源功率达到最大值并保持不 变，是模 拟 最 不 利 情 况 并 保 证 火 灾 场 景 真 实 性 的 保 守 方法。 １．４ 工 况 设 计
ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ ｉｎ ＬＮＧ ｒｅｃｅｉｖｉｎｇ ｔｅｒｍｉｎａｌ
ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｉｇｎｉｔｉｏｎ ｓｐｏｔ ｉｎｓｉｄｅ ｔｈｅ ｖａｐｏｒ ｃｌｏｕｄ．Ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｏ－
ＺＥＮＧ Ｙｕｅ－ｍｅｉ １，ＬＩＮＧ Ｘｉａｏ－ｄｏｎｇ２，３
ｖｅｒｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｎｄ ｉｔｓ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｆａｃｔｏｒｓ ｏｆ ｖａｐｏｒ ｃｌｏｕｄ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ ｗｅｒｅ ｆｏｕｎｄ ｔｏ ｐｒｏｖｉｄｅ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｂａｓｉｓ ｆｏｒ ｒｉｓｋ ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ ａｎｄ