特长公路隧道火灾排烟数值模拟
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排烟口
1
工程概况
岳西至武汉高速公路安徽段位于大别山腹地， 是连接中西部
地区与东南沿海的交通大通道 。 明堂山隧道是本段的关键性工 程， 为上下行分离式特长公路隧道， 长度为 2 × 7 568． 5 m。 隧道 右洞采用竖井送排 + 射流风机纵向式通风； 隧道左洞采用全射流 风机 + 集中排烟通风。
收稿日期： 2012-09-02 作者简介： 吴 华（ 1985- ） ， 男， 硕士， 助理工程师
第 38 卷 第 33 期 2012 年11 月
· 192·
第 38 卷 第 33 期 2012 年11 月来自山西建
筑
SHANXI
ARCHITECTURE
Vol． 38 No． 33 Nov． 2012
文章编号： 1009-6825 （ 2012 ） 33-0192-02
特长公路隧道火灾排烟数值模拟
吴
摘
华
（ 安徽省交通规划设计研究院有限公司， 安徽 合肥 230088 ）
图1
隧道整体模型图
考虑火灾工况下不同的风机控制模式， 模拟了仅开启射流风 仅开启排烟通道和射流风机 、 排烟通道均开启三种主要工况 。 机、 2． 5 m / s， 3． 0 m / s， 4． 0 m / s 射流风机提供的纵向风速按 1． 0 m / s， 取值， 对应的排烟通道排风量按送排流量比 φ 考虑， 送排流量比 φ （ 送风量与排风量的比值） 取值分别为 2． 0 ， 1． 25 ， 1． 0 ， 0． 75 。
3． 2
模拟结果与分析
隧道发生火灾后， 洞内温度有一个急剧增长的过程， 一般在 起火后 3 min ～ 8 min 内， 温度即可达到最高。这就要求隧道内具 对火灾进行及时快速的响应 。 在火灾尚 备完善的监控监测系统， 未充分发展时， 通过控制通风模式， 将火灾对遇险人员及隧道的 损害降至最低。下面分三种通风控制模式对火灾的控制效果进 行数值模拟。 1 ） 仅开启射流风机模拟结果 。在火灾发生后， 若着火点距排 烟口较远时， 可考虑优先开启射流风机排烟 。 射流风机提供的洞 2． 5 m / s， 3． 0 m / s， 4． 0 m / s 四种工况进行 内风速分别按 1． 0 m / s， 数值模拟（ 见图 2 ） 。观察 6 min 之后隧道洞内的烟流扩散情况 。 由图 2 可知， 当射流风机提供的风速 v = 1． 0 m / s 时， 通风量 烟流向上游扩散， 产生了较为明显的回流现象， 消防人员难 不足， 以从上游接近火点， 不利于消防救援； 而当风速为 4． 0 m / s 时， 风 破坏了烟流在下游的分层扩散， 致使烟雾过早的充满隧 速过大， 。 道， 不利于人员的快速逃生 因此， 根据不同的火灾规模， 合理控制纵向风速， 避免产生回 流现象， 同时， 尽可能的延长烟雾在隧道拱部的贴附时间， 为人员 逃生争取时间， 对救援防灾具有非常重要的意义 。 2 ） 仅开启排烟通道模拟结果 。在火灾发生后， 若着火点距离 射流风机较远， 而距离排烟口较近时， 可考虑优先开启排烟通道 。
3
数值模拟与分析
本文运用计算流体动力学软件 PHOENICS， 着重对明堂山隧 PHOENICS 作为世界上最早 道左线集中排烟系统进行数值模拟， 的计算流体与计算传热学软件， 内置多种湍流模型， 同时最大限 便于用户修改程序和函数， 可以对稳态和非稳态的 度开放程序， 可压缩或不可压缩流模拟流体流动 、 传热、 化学反应及相关现象。
2
基本理论
280 m
随着我国特长公路隧道的不断增多， 隧道火灾的防灾救援问 题也随之显得越来越重要 。火灾研究的模拟方法主要分为物理模 型试验和计算机数值模拟。数值模拟结合流体动力学理论， 研究隧 道火灾的发展规律， 模拟工况灵活多变， 周期短， 节约试验成本。 本文以流体动力学、 传热学为通风理论基础， 将通风流体的 运动简化为一维理想流体连续运动 。 假定隧道洞内流体为连续 介质、 无粘性且不可压缩， 同时在火灾发生时， 内部流体除遵守三 还应遵守组分守恒定律 。 通过计算流体软 大基本守恒定律之外， 件， 采用 k—ε 湍流模型和 Boussinesq 假设， 研究在各种通风控制 工况下温度场的分布扩散及控制效果 。 4 ） 分析工况。
要： 针对明堂山特长公路隧道火灾排烟方案， 运用数值模拟对三种通风排烟方式进行分析， 提出了纵向通风与集中排烟组合
从而控制烟流蔓延， 为火灾救援创造条件。 的通风模式， 关键词： 特长隧道， 火灾排烟， 数值模拟 中图分类号： U453． 5 文献标识码： A 模拟时， 假设火源尺寸为 4 m × 2 m × 1． 5 m（ 长 × 宽 × 高） ， 火 忽略燃烧时所发生的化学反应 。 虽然隧 源中心位于 Z = 40 m 处， 道中发生大型火灾的几率较低， 但考虑其造成的危害最为严重， 20 MW（ 相当于一辆载重大卡车着 因此数值模型的火灾规模取为 火的热量功率） 。火灾采用 RABT 温升曲线。
3． 1
模型的建立
1 ） 几何尺寸。
明堂山隧道左线排烟口位于隧道中部， 距附近两侧人行横洞 距离均为 140 m。本文选取该区段（ 280 m ） 作为计算区域。 隧道
2 横断面面积为 65． 18 m 。为简化计算对坡度统一取为平坡， 坡度 。 对于温度场的影响将在重力加速度的取值上加以考虑
2 ） 边界条件。 隧道结构壁面函数采用对数壁面律， 粗糙度取为 0． 022 ， 壁面 同时， 隧道结构壁面假定为绝缘体， 考虑到火灾发 速度为 0 m / s， 生时， 火源高温以热辐射形式将热量传递给隧道壁面衬砌， 根据 将火源能量按 30% 进行折减。 相关资料及计算经验， 火灾上游截面洞口视为通风入口， 即 Z = 0 处平面， 设置为进 口边界条件（ INLET 属性） ， 温度 t = 20 ℃ ； 入口平面沿 Z 轴正方 向延伸 280 m， 取 Z = 280 截面处作为隧道出口， 设置为出口边界 条件（ OUTLET 属性） 。隧道整体模型见图 1 。 3 ） 火源参数。
1
工程概况
岳西至武汉高速公路安徽段位于大别山腹地， 是连接中西部
地区与东南沿海的交通大通道 。 明堂山隧道是本段的关键性工 程， 为上下行分离式特长公路隧道， 长度为 2 × 7 568． 5 m。 隧道 右洞采用竖井送排 + 射流风机纵向式通风； 隧道左洞采用全射流 风机 + 集中排烟通风。
收稿日期： 2012-09-02 作者简介： 吴 华（ 1985- ） ， 男， 硕士， 助理工程师
第 38 卷 第 33 期 2012 年11 月
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第 38 卷 第 33 期 2012 年11 月来自山西建
筑
SHANXI
ARCHITECTURE
Vol． 38 No． 33 Nov． 2012
文章编号： 1009-6825 （ 2012 ） 33-0192-02
特长公路隧道火灾排烟数值模拟
吴
摘
华
（ 安徽省交通规划设计研究院有限公司， 安徽 合肥 230088 ）
图1
隧道整体模型图
考虑火灾工况下不同的风机控制模式， 模拟了仅开启射流风 仅开启排烟通道和射流风机 、 排烟通道均开启三种主要工况 。 机、 2． 5 m / s， 3． 0 m / s， 4． 0 m / s 射流风机提供的纵向风速按 1． 0 m / s， 取值， 对应的排烟通道排风量按送排流量比 φ 考虑， 送排流量比 φ （ 送风量与排风量的比值） 取值分别为 2． 0 ， 1． 25 ， 1． 0 ， 0． 75 。
3． 2
模拟结果与分析
隧道发生火灾后， 洞内温度有一个急剧增长的过程， 一般在 起火后 3 min ～ 8 min 内， 温度即可达到最高。这就要求隧道内具 对火灾进行及时快速的响应 。 在火灾尚 备完善的监控监测系统， 未充分发展时， 通过控制通风模式， 将火灾对遇险人员及隧道的 损害降至最低。下面分三种通风控制模式对火灾的控制效果进 行数值模拟。 1 ） 仅开启射流风机模拟结果 。在火灾发生后， 若着火点距排 烟口较远时， 可考虑优先开启射流风机排烟 。 射流风机提供的洞 2． 5 m / s， 3． 0 m / s， 4． 0 m / s 四种工况进行 内风速分别按 1． 0 m / s， 数值模拟（ 见图 2 ） 。观察 6 min 之后隧道洞内的烟流扩散情况 。 由图 2 可知， 当射流风机提供的风速 v = 1． 0 m / s 时， 通风量 烟流向上游扩散， 产生了较为明显的回流现象， 消防人员难 不足， 以从上游接近火点， 不利于消防救援； 而当风速为 4． 0 m / s 时， 风 破坏了烟流在下游的分层扩散， 致使烟雾过早的充满隧 速过大， 。 道， 不利于人员的快速逃生 因此， 根据不同的火灾规模， 合理控制纵向风速， 避免产生回 流现象， 同时， 尽可能的延长烟雾在隧道拱部的贴附时间， 为人员 逃生争取时间， 对救援防灾具有非常重要的意义 。 2 ） 仅开启排烟通道模拟结果 。在火灾发生后， 若着火点距离 射流风机较远， 而距离排烟口较近时， 可考虑优先开启排烟通道 。
3
数值模拟与分析
本文运用计算流体动力学软件 PHOENICS， 着重对明堂山隧 PHOENICS 作为世界上最早 道左线集中排烟系统进行数值模拟， 的计算流体与计算传热学软件， 内置多种湍流模型， 同时最大限 便于用户修改程序和函数， 可以对稳态和非稳态的 度开放程序， 可压缩或不可压缩流模拟流体流动 、 传热、 化学反应及相关现象。
2
基本理论
280 m
随着我国特长公路隧道的不断增多， 隧道火灾的防灾救援问 题也随之显得越来越重要 。火灾研究的模拟方法主要分为物理模 型试验和计算机数值模拟。数值模拟结合流体动力学理论， 研究隧 道火灾的发展规律， 模拟工况灵活多变， 周期短， 节约试验成本。 本文以流体动力学、 传热学为通风理论基础， 将通风流体的 运动简化为一维理想流体连续运动 。 假定隧道洞内流体为连续 介质、 无粘性且不可压缩， 同时在火灾发生时， 内部流体除遵守三 还应遵守组分守恒定律 。 通过计算流体软 大基本守恒定律之外， 件， 采用 k—ε 湍流模型和 Boussinesq 假设， 研究在各种通风控制 工况下温度场的分布扩散及控制效果 。 4 ） 分析工况。
要： 针对明堂山特长公路隧道火灾排烟方案， 运用数值模拟对三种通风排烟方式进行分析， 提出了纵向通风与集中排烟组合
从而控制烟流蔓延， 为火灾救援创造条件。 的通风模式， 关键词： 特长隧道， 火灾排烟， 数值模拟 中图分类号： U453． 5 文献标识码： A 模拟时， 假设火源尺寸为 4 m × 2 m × 1． 5 m（ 长 × 宽 × 高） ， 火 忽略燃烧时所发生的化学反应 。 虽然隧 源中心位于 Z = 40 m 处， 道中发生大型火灾的几率较低， 但考虑其造成的危害最为严重， 20 MW（ 相当于一辆载重大卡车着 因此数值模型的火灾规模取为 火的热量功率） 。火灾采用 RABT 温升曲线。
3． 1
模型的建立
1 ） 几何尺寸。
明堂山隧道左线排烟口位于隧道中部， 距附近两侧人行横洞 距离均为 140 m。本文选取该区段（ 280 m ） 作为计算区域。 隧道
2 横断面面积为 65． 18 m 。为简化计算对坡度统一取为平坡， 坡度 。 对于温度场的影响将在重力加速度的取值上加以考虑
2 ） 边界条件。 隧道结构壁面函数采用对数壁面律， 粗糙度取为 0． 022 ， 壁面 同时， 隧道结构壁面假定为绝缘体， 考虑到火灾发 速度为 0 m / s， 生时， 火源高温以热辐射形式将热量传递给隧道壁面衬砌， 根据 将火源能量按 30% 进行折减。 相关资料及计算经验， 火灾上游截面洞口视为通风入口， 即 Z = 0 处平面， 设置为进 口边界条件（ INLET 属性） ， 温度 t = 20 ℃ ； 入口平面沿 Z 轴正方 向延伸 280 m， 取 Z = 280 截面处作为隧道出口， 设置为出口边界 条件（ OUTLET 属性） 。隧道整体模型见图 1 。 3 ） 火源参数。