城市地下道路V形区段坡度构成对烟气扩散和重点排烟效果的影响研究*

谢 飞，乔雅心，李俊梅，董启伟，刘文博，毕 强,常默宁，齐 兆

(1.北京市市政工程设计研究总院有限公司，北京 100082；2.北京工业大学 绿色建筑环境与节能技术北京市重点实验室，北京 100124；3.北京工业大学 城市建设学部，北京 100124)

0 引言

近年来，修建更多的城市地下道路已成为我国部分大、中城市为缓解城市交通压力所采取的主要措施之一[1]。城市地下道路一般处于中心城区，随着城市地下空间的不断开发，新修建的地下道路往往需要下穿或跨越已建成的地下管廊、地铁等各种地下设施，竖向结构日趋复杂，不再是简单的水平或者单坡隧道，而是呈现出不同形式的V形区段的组合。

V形区段根据变坡点两侧隧道不同的坡度构成可分为对称V形区段(变坡点两侧隧道坡度相同)和非对称V形区段(变坡点两侧隧道存在坡度差)。火灾时，完全对称的V形区段，其内部烟气扩散基本以变坡点为中心向两侧对称扩散，但当变坡点两侧存在坡度差时，变坡点两侧由于坡度的不同，形成的烟囱效应大小也不一样，这将对该区段内的烟气流动产生较大的影响。当两侧坡度差较大时，烟气可能会完全在大坡度侧蔓延，使得在实施烟气控制时，必须考虑V形区段两侧的坡度构成对烟气流动及烟气控制效果的影响。

火灾时采用重点排烟是目前我国多数城市地下道路通常采用的通风排烟方案。关于隧道内重点排烟烟气控制的研究，目前国内外主要以水平和单坡隧道为主[2-8]。针对含有V形区段的隧道，当前的研究主要集中于烟气的自由扩散和纵向通风烟气控制[9-11]，对于重点排烟的相关研究较为缺乏。随着地下空间的持续开发，包含V形区段且坡度多变的城市地下道路的数量会越来越多。当前的设计规范中针对火灾重点排烟特别是特殊结构路段重点排烟的设计条款相对缺乏，对此类隧道内烟气如何实施有效控制急需必要的理论和技术支持。基于此，本文将针对城市地下道路内典型的V形区段不同的坡度构成，通过数值模拟研究不同的坡度构成对对称V形区段和非对称V形区段烟气流动和控制的影响，以期为含有V形区段的坡度多变的城市地下道路重点排烟系统的设计和运行提供指导。

1 数值模拟研究

1.1 隧道模型的建立

本文采用美国NIST开发的火灾模拟专用软件FDS(6.0版)进行相关的模拟研究。鉴于当前城市地下道路多为单向三车道结构，因此，模拟隧道宽13 m，高6.5 m，组成排烟道的顶隔板厚0.2 m，排烟道为弧形，最高点与下部顶隔板的垂直距离为2 m。模拟隧道及隧道断面示意图分别如图1和图2所示，V型区段变坡点两侧隧道模拟长度各为400 m。为讨论变坡点两侧不同的坡度构成对烟气扩散和控制的影响，变坡点两侧的坡度取1%、3%和5%的任意坡度组合。本文以允许大型车辆通行的地下道路为研究对象，依据相关规范[12-13]，火源功率取50 MW。火源假定位于变坡点处，模拟火源为长5 m，宽3 m，离地1 m高的面火源。

图1 V型隧道排烟示意Fig.1 Schematic diagram of smoke exhaust in V-shaped tunnel

图2 模拟隧道断面示意Fig.2 Schematic diagram of simulated tunnel section

根据隧道相关设计规范并参考已有工程，火源功率为50 MW时，隧道重点排烟的设计排烟量取200 m3/s，单个排烟口尺寸为3 m(横向)×2.5 m(纵向)，排烟口间距为60 m，排烟口的布置如图3所示。火灾时排烟口的设定开启策略为：起火时，火源上下游各开启3个排烟口进行排烟。

图3 排烟口布置示意(俯视图)Fig.3 Schematic diagram of smoke exhaust vents layout (top view)

1.2 计算网格设定

FDS用户手册中把火源特征直径D*与计算网格大小δx的比值作为选取网格尺寸大小的标准，即D*/δx。当这个比值的范围在4～16时，模拟计算效果比较好[14]。D*可依据式(1)进行计算：

(1)

式中：Q为火源热释放率，kW；ρ∞为环境空气的密度，kg/m3；CP为定压比热，J/(kg·K)；T∞为环境空气温度，K；g为重力加速度，m/s2。依据上述原则，得50 MW火源功率时的网格尺寸取值范围为 0.28～1.15 m。本文模拟中网格尺寸设定为0.5 m×0.5 m×0.5 m，火源上下游100 m范围采用局部加密，网格尺寸为0.25 m×0.25 m×0.25 m。

1.3 模拟场景设定

为对排烟效果进行对比分析，模拟场景分为自由扩散模拟及重点排烟效果模拟。编号KS01～KS06为烟气自由扩散场景，模拟中排烟阀关闭。隧道两端出口采用开口边界，环境温度设为20 ℃。编号PY01～PY11为重点排烟场景模拟。对于非对称V形区段，由于烟气扩散的不对称性，火源上、下游不同的排烟口开启方式可能会对最终的排烟效果产生影响。因此，本文对非对称V形区段，设定了火源上、下游不同的排烟口开启个数的排烟模拟场景。模拟场景的详细设定见表1。

表1 模拟场景设定Table 1 Setting of simulation scenes

2 模拟结果分析

2.1 对称V形区段烟气自由扩散及重点排烟的模拟结果分析

图4给出了对称V形区段不同的坡度组合、烟气自由扩散和采用重点排烟后，烟气沿隧道纵向扩散距离L随时间的变化。由于烟气在变坡点两侧对称扩散，图中只选取了单侧的烟气蔓延结果。从图4可以看出，采用重点排烟后，对称V形区段内烟气的纵向蔓延可以很明显地得到控制，烟气的单侧蔓延范围可控制在220 m范围内。坡度对对称V形区段烟气扩散的影响较小。自由扩散和重点排烟工况中烟气在隧道内随时间的扩散情况也可以从图5中看出。从图5中可以看出，火源位于变坡点时，烟气在变坡点两侧对称扩散，排烟可以有效地控制烟气的扩散范围。

图4 对称V形区段单侧烟气蔓延距离随时间的变化Fig.4 Variation of smoke spreading distance along one side of symmetrical V-shaped section with time

图5 不同工况中烟气的扩散情况(坡度组成5%-5%)Fig.5 Smoke diffusion in different conditions (slope composition 5%-5%)

为讨论排烟系统的排烟效果，本文定义排烟口的排烟效率η1为单位时间内某排烟口的排烟量占烟气生成总量的比，一般选取燃烧的主要产物CO2的排放量占总生成量的比为代表，其计算如式(2)：

(2)

表2给出了对称V形区段重点排烟系统开启后，变坡点右侧各排烟口的排烟效率。从表2可以看出，各排烟口的排烟效率并不相等，距离火源最近的排烟口，其排烟效率最高；随着离火源距离的增大，排烟效率逐渐降低。变坡点两侧的坡度越大，排烟口的排烟效率越低。这是因为，随着坡度的增大，烟囱效应增大，烟气沿隧道上坡方向的流速加快，导致排烟口的排烟效率降低。

表2 对称V形区段右侧各排烟口及系统的排烟效率Table 2 Smoke exhaust efficiencies of each exhaust vent on right side of symmetric V-shaped section and system %

表3给出了对称V形区段内自由扩散和排烟系统开启后，排烟道下方顶棚的最高温度值。隧道的顶棚最高温度随两侧坡度的增大而降低，这可能是因为随着两侧隧道坡度的增大，烟囱效应逐渐增加，烟气可以更多更快地向两侧蔓延，使得顶棚最高温度降低。另外，重点排烟系统的开启对顶隔板下方最高温度的降低作用有限。因此，采用重点排烟系统时需关注顶隔板的耐火及耐高温性能。

表3 对称V形区段排烟道下方顶棚的最高温度Table 3 Maximum ceiling temperature under smoke exhaust duct in symmetric V-shaped section ℃

图6给出了排烟道下方顶棚温度沿隧道的纵向分布情况，图中x为距离火源中心的距离，m；H为隧道高度，m；Tx为x处的顶棚温度，K；T0为周围环境温度，K。

图6 排烟道下方顶棚温度沿隧道的纵向分布Fig.6 Longitudinal distribution of ceiling temperature under smoke exhaust duct along tunnel

从图6中可以看出，顶棚温度沿隧道纵向呈指数规律衰减。经分析拟合，得x处顶棚温度Tx沿隧道长度方向的变化规律为式(3)：

ΔTx/T0=-7.2+57.13Q*0.6(x/H)(-0.56+20.14i1.93)

(3)

式中：i为坡度，%；Q*为无量纲热释放率，其定义式如式(4)所示：

Q*=Q/(ρ0CpT0g1/2H5/2)

(4)

式中：ρ0为周围环境空气的密度，kg/m3；Cp为空气的比热，kJ/(kg·K)；g为重力加速度，m/s2。

2.2 非对称V形区段烟气自由扩散及重点排烟的模拟结果分析

图7给出了变坡点两侧坡度组成为1%-3%、1%-5%时，不同时间烟气在隧道内自由蔓延的情况。从图7中可以看出，火灾起初，烟气在变坡点两侧几乎对称蔓延，随着火灾的持续，烟气逐渐向大坡度侧移动，当变坡点两侧坡度差较大，火灾持续一定时间后，下坡度侧基本无烟。隧道内烟气如此蔓延特征，在制定人员疏散策略和排烟系统的开启策略时需重点关注。

图7 变坡点两侧不同的坡度组成烟气的扩散情况Fig.7 Smoke diffusion beside slope change point with different slope composition

图8给出了非对称V形区段自由扩散和火源两侧不同排烟口开启方式作用下烟气的蔓延距离L随时间的变化。图7所显示的烟气扩散情况，在图8中从烟气的扩散距离随时间的变化可以更直观地看出。自由扩散时，火灾初期，烟气在变坡点两侧对称蔓延，随着火灾的持续，大坡度侧烟囱效应逐渐增大，小坡度侧烟气在扩散到一定距离后，将会向火源侧回流。当大坡度侧坡度较大时，如坡度为5%时，火灾持续400 s后，小坡度侧完全无烟，此时烟气在V形区段的扩散可看作烟气在单坡度隧道内的流动。

图8 非对称V形区段，不同排烟口开启方式作用下烟气蔓延距离随时间的变化Fig.8 Variation of smoke spreading distance under different opening modes of smoke exhaust vents in asymmetric V-shaped section with time

当排烟系统开启后，在大坡度侧，重点排烟对烟气的控制有一定的作用，减缓了烟气的蔓延速度和蔓延距离，但并不能很好地将烟气控制在相对小的范围内，特别是坡度差较大的工况。

排烟口开启方式相同时，变坡点两侧坡度差越大，小坡度侧烟气控制的效果较好，大坡度侧烟气的控制效果较差，如火灾持续300 s时，火源左侧开2个排烟口，右侧开4个排烟口，1%-3%坡度组合大坡度侧的烟气扩散距离为296 m，3%-5%坡度组合大坡度测烟气扩散距离为335 m，而1%-5%坡度组合烟气的蔓延范围已经超过400 m。此时，要将烟气控制在较小的范围，需重点关注大坡度侧烟气的扩散特征。

表4给出了非对称V形区段变坡点两侧不同坡度组成时排烟道下方拱顶的最高温度值。与对称V形区段相比，由于坡度差的存在，烟气向大坡度侧移动，使得非对称V形区段排烟道下方拱顶的最高温度大为降低。

表4 非对称V形区段排烟道下方顶棚最高温度Table 4 Maximum ceiling temperature under smoke exhaust duct in asymmetric V-shaped section

非对称V形区段，火源两侧不同排烟口的开启方式作用下，各排烟口的排烟效率如表5所示。从表5中可以看出，针对非对称V形区段不同的坡度组成的烟气扩散特征，如果仍采用火源两侧对称开启相同数量的排烟的运行模式，则系统的排烟效率较低。大坡度侧开启较多的排烟口，有利于系统排烟效率的提高。

表5 非对称V形区段不同排烟口开启方式作用下的排烟效率Table 5 Smoke exhaust efficiencies in asymmetric V-shaped section under different opening modes of smoke exhaust vents

3 结论

1)在给定火源功率及火源位置的前提下，隧道V形区段变坡点两侧的坡度构成对烟气的自由扩散和重点排烟的控制效果有较大的影响。

2)对于对称V形区段，火源位于变坡点时，烟气沿变坡点两侧隧道对称扩散，排烟道下方顶棚温度沿纵向依指数规律衰减。重点排烟系统的开启可以减缓烟气的扩散速度，缩短烟气的蔓延长度，但排烟系统的开启对降低排烟道下方顶棚最高温度的作用有限，此时应注意对排烟道结构的防护。

3)对于非对称V形区段，火源位于变坡点时，火源两侧的坡度构成和排烟口的开启方式对烟气的扩散和控制有较大的影响。自由扩散时，随着火灾的持续，小坡度侧烟气出现回流，烟气向大坡度侧蔓延。当变坡点两侧坡度差较大，火灾持续一定时间后，小坡度侧基本无烟，V形区段内烟气蔓延可视为单坡度隧道内的烟气蔓延。重点排烟时，火源两侧排烟口数量对称开启，系统排烟效率较低；增加大坡度侧的排烟口数量可以提高系统的总的排烟效率，但坡度差较大时，要将烟气有效地控制在较小的范围内相对困难。实际运行中，应结合V形区段隧道的坡度实际构成和烟气控制的总目标，制定相应的排烟口开启策略，特别是V形区段两侧坡度差较大的工况，沿火源两侧对称的排烟口开启方式会将部分烟气引向小坡度侧，对降低隧道顶棚最高温度不利。

4)由于影响非对称V形区段烟气扩散和控制的因素众多，本文只讨论了火源位于变坡点处，坡度构成和排烟口开启方式的影响，更多因素的影响将在未来的研究中进一步分析研究。