王豫港 赵江平
（西安建筑科技大学资源工程学院，陕西 西安 710055）
近年来，我国隧道建设发展迅速，新型隧道结构逐渐发展起来。长度大于3 km的特长公路隧道通常会将施工过程中留下的斜井用于隧道通风，现有某特长公路隧道设计“L”型排风斜井，以达到其无动力通风的目的，由于排风斜井断面较大，在发生火灾时，排风斜井作为排烟通道对隧道内烟气蔓延特性和机械排烟将造成很大的影响。因此，研究“L”型排风斜井对隧道火灾烟气蔓延特性及排烟效率影响非常必要。
学者们在烟气蔓延特性和排烟效率方面做了较多研究，KURIOKA H等［1］通过缩尺实验，得出隧道火源上方顶棚最高温度理论预测模型。LI YZ等［2］通过缩尺实验，并结合火羽流理论，建立纵向通风条件下隧道顶棚下方最高温升预测模型。HUL H等［3-4］结合全尺寸公路隧道火灾实验数据，并与理论方程进行了比较，得出烟温的衰减速度远远快于CO浓度衰减速度，CO沿隧道纵向呈指数分布。LUH等［5］分析了热释放速率及排烟速度对机械排烟口附近夹带现象的影响，建立了下游烟气温度的简化预测模型，并考虑了空气卷吸对烟气温度变化的影响。胡嘉伟等［6］基于隧道火灾不同横向火源位置的非对称卷吸影响，通过模拟计算分析了中心火源和偏置火源产生的烟气沿纵向最大温升变化规律，提出偏置火源纵向空间最大顶棚温升公式。陶亮亮等［7］研究了火源高度对隧道内温度分布及烟气质量流量的影响，火源高度对拱顶温度分布有着明显的影响，火源高度越高，火源附近温度衰减越慢。HARISHR等［8］对浮力诱导隧道顶部通风排烟系统下火源位置、通风口间距、尺寸等对隧道内温度场的影响进行了研究，分析了单个和多个通风口下火灾烟气蔓延特性。VAUQUELI O等［9］运用低密度的混合气体模拟火源，通过小尺寸试验研究了排烟口布置、形状及火源功率对机械排烟系统排烟效率的影响。以上学者研究了大量的隧道火灾温度场、烟气蔓延、排烟效率的影响因素及规律，但对“L”型排风斜井的研究较少，本文采用PyroSim数值模拟，研究在不同火源热释放速率和不同火源位置，排风斜井对烟气蔓延特性、排烟效率的影响规律。
1.1 建立模型
本文采用PyroSim模拟隧道火灾，建立模型如图1所示，隧道长3 650 m，宽10.5 m，高7.3 m，排风斜井宽9.5 m，高6.7 m，隧道坡度1.8%。在隧道右侧与隧道连接，隧道和排风斜井截面均为拱形。火源位置设置在距离排风斜井入口右侧25 m处，为边长1 m×1 m的正方形正庚烷火，设置机械排烟口，位于排风斜井入口左侧22 m处。隧道壁面材料设置为辐射率为0.9的混凝土导热材料。
图1 隧道模型（单位：m）
1.2 工况设置
火源功率设置5、15、30 MW，分别对应两辆小汽车、面包车、重型卡车的最大火源功率。火源燃烧模型采用t2模型来反映燃烧时间和火源热释放速率的关系。火源功率达到最大的时间分别为163、286、400 s。
根据GB 50016—2014《建筑设计防火规范》（2018版）12.3.2条规定，机械排烟的排烟量选取100 m3/s，机械排烟口设置在排风斜井入口左侧22 m处。设置9种工况进行模拟研究（见表1），关闭状态对应无排风斜井隧道。
表1 工况设计
1.3 网格划分
网格尺寸可由无量纲表达式D*/x进行估算，D*/x取值在4~16之间较为准确。其中D*为网格尺寸，x为火源特征直径。
式中，D*为火源特征直径，m；
Q为热释放速率，kW；
T∞为环境温度，K，取T∞=293 K；
∞为空气密度，kg/m3，取∞=1.205 kg/m3；
Cp为空气的定压热容，取1.004 kJ/（kg·K）；
g为重力加速度，取g=9.81 m/s2。
经过网格无关性检验，5~30 MW的正庚烷火的网格尺寸加密设置范围为0.182 5~0.932 5。根据网格计算准则，合理划分网格可节省计算时间且不影响模拟结果的准确性，故对近火源网格尺寸加密设置为0.5 m，其余网格为1 m。
2.1 温度分布
2.1.1 最高温升预测模型
顶棚最高温升是判断隧道火灾情况下结构损坏的重要依据。前人的研究提出了不同的经验公式，其中广泛应用的是LI Y Z等［2］提出的经验公式，结合工况1—9的模拟数据，得出顶棚最高温升修正拟合公式见式（2）：
如图2所示，模拟结果与修正公式拟合良好，火源功率较小时，数据低于LI YZ的模型计算结果，原因是部分热量通过火源下游排风斜井排出，且隧道侧壁对高温烟气的限制作用较小，高温烟气沿隧道纵向蔓延，使顶棚最高温升降低。随着火源功率增大，火源产生大量高温烟气，隧道侧壁对高温烟气的限制作用增强，排风斜井无法及时排出，使高温烟气回流至隧道顶棚，造成烟气积聚，故顶棚最高温升高于LI Y Z的计算结果。
图2 顶棚最高温升模拟值与经验公式预测值对比
2.1.2 纵向温度分布
由图3可知，排风斜井状态对隧道顶棚最高温度具有显著影响，成为影响隧道纵向温度分布状态的主要因素。排风斜井开启，火源下游烟气分流至排风斜井内，火源下游大量烟气和热量通过排风斜井排出，隧道纵向温度相较关闭状态时显著降低。
图3 隧道顶棚温度分布
排风斜井开启状态下，高温烟气在排风斜井入口处分流，一部分烟气通过排风斜井排出，一部分通过机械排烟排出。图4是火源功率为15 MW时的温度云图，当烟气蔓延至排烟口处时温度迅速衰减，温度云图上呈倒“V”型分布，火源上游高温区域长度长于火源下游。火源功率较低时，排烟口处温度中心火源要略高于右侧火源，火源功率增大至30 MW时，大量高温烟气迅速充满隧道顶棚，中心火源与右侧火源几乎无差异。
图4 火源功率15 MW工况的隧道温度分布云图
图5为工况1—9的排烟口温度，排风斜井开启状态下，高温烟气沿隧道顶棚向隧道两端蔓延，相较于关闭状态下，高温烟气经过分流，排烟口温度比关闭状态下低10~60℃。随着火源功率的增大，烟气量增多，高温烟气在排烟口处聚集，排烟口温度超过300℃，超出规范中规定的最高工作温度250℃。
图5 工况1—9排烟口温度
2.1.3 温度纵向衰减
根据HUL H等［3］实验数据及所列公式，结合本文模拟数据确定顶棚温度纵向衰减呈幂指数分布，公式如式（3）所示：
式中，Tx为距参考点x（m）处顶棚温度，℃；
Tmax为顶棚最高温度，℃；
T0为环境温度，℃。
如图6所示，排风斜井位于火源下游，当排风斜井处于开启状态时，火源上游和下游温度分布存在差异，火源下游烟气和热量从排风斜井排出，下游顶棚温度低于上游顶棚温度，火源下游温度衰减速率高于火源上游，火源功率和衰减速率差值呈正相关。
图6 排风斜井开启状态火源上下游温度纵向衰减
排风斜井处于关闭状态时，无排风斜井的“分流作用”排出热量，顶棚最高温度高出开启状态下的25.73%~38.42%，导致排风斜井关闭状态下的顶棚纵向温度衰减速率高于开启状态下的衰减速率。
图7排风斜井不同状态、不同火源功率火源下游温度纵向衰减
图7为排风斜井不同状态、不同火源功率火源下游温度纵向衰减图，火源功率和排风斜井不同状态顶棚最高温度衰减速率差值呈负相关，随着火源功率的增大，排风斜井的“分流作用”对顶棚最高温度的影响逐渐减小，排风斜井两种状态下的温度衰减速率差值减小。
2.2 CO分布
2.2.1 CO纵向分布
图8（a）为各工况隧道顶棚CO体积分数分布，与温度分布相似，火源上方CO浓度最高，沿隧道纵向逐渐降低，火源位于隧道右侧时，CO浓度分布比中心火源低，随着火源功率增大，浓度差值越大。烟气蔓延一段距离后，烟气层逐渐达到稳态，达到稳态之后的浓度平均比火源上游低17.42%。图中标注为标准中规定长度大于3 km的隧道的最大CO设计浓度线，火源功率不超过30 MW，排风斜井开启时工况1—6最大值未超过设计浓度最大值。
图8 CO体积分数分布
图8（b）为工况1—9人眼特征高度CO体积分数分布图，考虑到隧道疏散平台高度，选取2 m高度为人眼特征高度［10］。火灾发生10 min时，工况1—9人眼特征高度处CO浓度未超过安全标准，排风斜井开启，3种火源功率对应的人眼特征高度CO浓度相较于斜井关闭时显著降低。
2.2.2 CO纵向衰减
火源产生的烟气羽流首先自由向上发展，羽流撞击隧道顶棚后开始沿隧道顶棚横向扩散到达隧道两边侧壁，然后沿隧道纵向往火源两侧的上下游蔓延，随着蔓延距离的增加，烟气的运动逐渐过渡到一维水平蔓延阶段［11］。
本文通过 表示CO纵向衰减速率，见式（4）：
式中，为CO纵向衰减系数；
Cx为参考点x处顶棚CO体积分数，10-6；
C0为火源处顶棚CO体积分数，10-6。
火源下游CO衰减见图9（a），近火源区CO衰减速率最快，烟气进入一维蔓延状态，CO衰减速率明显降低并保持稳定。在火源下游22~32 m处烟气经过排风斜井分流之后，CO浓度降低，衰减速率小幅度加快，之后逐渐稳定。火源上游CO衰减见图9（b），排风斜井关闭状态下，CO衰减速率大体与火源下游类似，排风斜井开启状态下，下游衰减速率明显快于上游衰减速率。
图9 工况1—9 CO衰减
2.3 排烟效率
排烟效率体现了隧道的烟气排出情况，是衡量隧道排烟效果的重要参数。本文排烟系统在火源下游，将火源下游CO质量流率与排烟系统排出质量流率比值作为隧道的排烟效率，可得式（5）：
式中，为排烟效率；
qcod为排出烟气中CO质量流率，kg/s；
qcog为火源下游烟气中CO质量流率，kg/s。
图10（a）为3种情况下机械排烟效率，火源功率和火源位置对机械排烟效率几乎无影响，排风斜井处于开启状态时的机械排烟效率平均低于关闭状态下机械排烟效率的15.1%。主要原因是排风斜井的“分流作用”将火源下游一部分烟气通过排风斜井排出，降低了机械排烟口烟气层厚度，使机械排烟效率降低。但隧道整体排烟效率显著提升，如图10（b）所示，排风斜井开启状态下，隧道的整体排烟效率相较于关闭状态下提高了22.76%。
图10 不同工况排烟效率对比
1）通过数值模拟，提出了顶棚最高温升修正公式，在较大火源功率条件下，排风斜井的“分流作用”有效降低隧道整体温度，使机械排烟口温度处于250℃以下，可有效降低隧道结构损坏、设备失效风险。
2）隧道顶棚温度衰减呈幂指数分布；
斜井开启时，火源下游温度纵向衰减速率大于上游衰减速率，火源功率和火源上下游衰减速率差值呈正相关；
斜井关闭状态下温度纵向衰减速率大于开启状态下衰减速率，火源功率和衰减速率差值呈负相关。
3）隧道顶棚CO分布与温度分布类似，排风斜井开启，隧道CO浓度未超过设计标准，有效降低人眼特征高度处CO浓度，降低人员疏散及救援风险。排风斜井对CO衰减速率影响较大，火源功率和CO纵向衰减速率呈正相关。
4）火源位置和火源功率对机械排烟效率几乎无影响；
排风斜井开启状态下，机械排烟效率相较于关闭状态时降低，但隧道整体排烟效率显著提高。