复杂地下空间交通体系连接匝道烟气控制方案研究

姜学鹏,张键鸿,陈玉远

(1.武汉科技大学安全与应急研究院,武汉,430081;2.武汉科技大学消防安全研究中心,武汉,430081;3.中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉,430063)

随着城市的发展,出现了包含市政主隧道、环形通道和连接匝道的新型复杂地下交通体系。其复杂性表现在各个分区段的车速、车型、截面尺寸和功能等均有很大差异。当它们组成一个交通体系时,车流量大、分合流点多且气流组织复杂,火灾时烟气易窜流,人员、车辆疏散困难,救援难度大。

部分学者针对隧道交叉口位置火灾和匝道火灾进行了相关研究。李俊梅等[1]采用 FDS 模拟研究了城市隧道匝道与主隧道不同结构形式对烟气运动的影响,提出了当火源位于合流分岔段上游时,采用主道与匝道联合送风的防烟策略,并分析了不同分岔角对烟气分布规律的影响,以此优化多匝道城市隧道排烟系统。李博[2]以杭州紫之隧道为研究背景,研究分析了火源位于主道、匝道不同位置时的气流组织和人员疏散方案,同时通过网络通风理论计算,确定了不同排烟区段的风机配置方案。徐然等[3]采用数值模拟研究火灾时城市快速通道入口匝道反向通风模式下人员疏散的安全性;结果表明,火源位置距离匝道入口处较近时,直接采用反向通风模式能够保证人员安全疏散,反之则不然。刘琪等[4],夏之彬等[5]将排烟效率作为隧道集中排烟系统的评价指标之一,以此提高隧道集中系统排烟量设计的准确性。

关于匝道火灾的研究少之又少,且主要针对与地面连接的匝道火灾烟气对主道或人员疏散的影响,还没有内部连接匝道烟气控制策略的相关研究。同时关于排烟效率的研究也多是针对长直隧道重点排烟开启多个排烟口的情形下,将其作为其中一项控烟可行性判定指标。本文以杭州某复杂地下空间交通体系连接匝道为研究背景,提出匝道防灾排烟设计方法,再以其中二合一式连接匝道为例,采用FLUENT数值模拟其通风排烟设计方案的有效性并推荐最佳设计方案,为同类型隧道结构合理选择通风排烟方式提供依据。

1.1 分合流流速分配理论模型

1.1.1 分流(水平夹角0°≤α≤90°)

如图1所示,由截面1-1,2-2,3-3,列出连续性方程、能量守恒方程和动量方程如下：

图1 分流交汇处局部示意图Fig.1 Partial diagram of the diversion intersection

v3A3=v1A1+v2A2

(1)

(2)

P3A3cosα+R2S2sinα-R1S1sinα-R3S3sinα-

P2A2=ρA2v2(v2-v3cosα)

(3)

联立式(1)、式(2)、式(3)解得：

(4)

由式(4)可知,当 Ⅰ送风时,夹角α越大,流入Ⅱ内的风速越小,若考虑烟气的影响,则流入Ⅱ的烟气量随着水平夹角的增大而减少,此时控制烟气侵入Ⅱ所需临界风速越小。

1.1.2 合流(水平夹角90°<α≤180°)

如图2所示,由截面1-1,2-2,3-3,列出连续性方程、能量守恒方程和动量方程如下：

图2 合流交汇处局部示意图Fig.2 Partial diagram of the confluence intersection

v1A1=v2A2+v3A3

(5)

(6)

P2A2+R1S1sinβ-R3S3sinβ-R2S2sinβ-

P1A1cosβ=ρA2v2(v1cosβ-v2)

(7)

联立式(5)、式(6)、式(7)解得：

(8)

当Ⅰ送风、Ⅱ不送风时,在Ⅰ、Ⅱ 交汇处形成一定的负压,从而导致Ⅱ内形成自然风速。若考虑烟气的影响,由式(8)可知：流入Ⅱ的烟气量随着Ⅰ风速的增大而减小,此时控制烟气侵入Ⅱ所需临界风速变小。

1.2 匝道通风排烟组织策略

根据匝道的位置关系可将其通风排烟组织策略归纳为以下三类：

(1)上游区段联合补风+重点排烟,如图3(a)所示：沿车行方向,匝道上下游分别连接两个不同区段,火灾时开启下游与区段Ⅱ交接的排烟口和轴流风机排烟,上游区段Ⅰ联合送风控制,开启射流风机纵向通风以保持风力平衡,必要时区段Ⅱ射流风机可反转协同控制。

图3 匝道火灾通风排烟组织策略Fig.3 Ventilation and smoke exhaust organization strategy of fire of ramp

(2)补风口补风+重点排烟,如图3(b)所示：沿车行方向,匝道上下游分别连接两个不同区段,火灾时开启下游与区段Ⅱ交接的排烟口和轴流风机排烟,开启上游与区段Ⅰ交接的补风口轴流风机进行补风,同时射流风机纵向通风以保持风力平衡,必要时区段Ⅱ射流风机可反转协同控制。

(3)纵向通风+洞口排烟,匝道与地面连接,如图3(c)所示：沿车行方向,无论是入口还是出口匝道,火灾时朝洞口方向开启射流风机,同时其他区段联合送风控制,烟气通过洞口排出。

1.3 烟气控制有效性判定准则

匝道火灾通风排烟有效性可总结为以下三个准则：

(1)火源上游处抑制烟气逆流,提供安全的疏散环境,即火源上游通风风速应大于/等于临界风速;

(2)排烟口处限制烟气外溢,将高温烟气控制在火源和排烟口范围内,即烟气蔓延距离LC60≤火源与排烟口距离L[6];

(3)系统排烟效率η应不小于95%[4]。

2.1 模型构建

以杭州某复杂地下空间交通体系二合一式双连接匝道为研究对象,较为特殊的是两个合流匝道都有曲率且其中一个匝道有坡度,气流组织更为复杂,采用FLUENT18.0数值模拟验证分析,其示意图与全尺寸模型如图4。

图4 复杂地下空间交通体系示意图Fig.4 Schematic diagram of complex underground space traffic system

2.2 参数设置

模拟烟气流动采用带浮力修正的k-ε双方程湍流模型,辐射采用DO辐射模型,并采用分离式解法中的SIMPLE算法来求解离散方程。火源模型尺寸参照小汽车尺寸设置为4.6 m×1.7 m×1.5 m[7]。鉴于计算模型结构较复杂,可采用非结构网格的方法对其进行网格划分,网格尺寸决定了模型网格数量,理论上网格尺寸越小,计算模拟结果越精确,网格尺寸太大容易造成计算结果不准确。为排除网格数量对计算结果的影响,进行了网格无关性验证,通过分析得出,当网格尺寸小于0.5 m时,对计算结果的影响较小,综合考虑计算的准确度和计算时间,对火源、轴流风机及射流风机等关键位置附近采用0.25 m的网格加密,其他区域采用0.5 m网格尺寸。

此区段匝道与环形通道连接,只允许轿车通行,参考PIARC[8],考虑2辆小汽车碰撞起火,设定其火灾热释放速率Q为8 MW,烟气释放速率[9]为42.2 kg/s。火灾燃烧产物成分主要为CO2和CO,其分别占总质量的95%和5%[10]。通常汽油等易燃液体的火灾选用超快速t2稳态火,即Q=at2[11],a为火灾等级常数,取值为0.187,则火源在206.8 s内从0 MW增加到8 MW。

火灾烟气生成量主要取决于火源上方烟气羽流的质量流量。通过《Handbook of Fire Protection Engineering》[12]推荐的轴对称型羽流模型来计算获得：

(9)

(10)

(11)

式中：Mp为羽流质量流量,kg/s;火源的对流热释放速率Qc一般取0.7Q,kW;Z1为火焰极限高度,m;Z为燃料面到烟气层底部的高度,m;Vp为烟气生成量(m3/s);环境温度下气体的密度ρ0为1.2 kg/m3;T为羽流的平均温度(K);环境温度T0取293 K;空气的定压比热容cp取1.012 kJ/(kg·K)。经计算可得烟羽流的平均温度T为485.85 K,羽流体积流量Vpmax为75 m3/s。

环境温度设为293 K,空气密度设为1.22 kg/m3。隧道壁的粗糙度设为0.025 m,壁面设为绝热。排烟口轴流风机排烟量设置应不小于烟气生成量,其边界条件为velocity-inlet,速度方向取负。

根据Danziger和Kennedy[13]临界风速公式计算得匝道临界风速vc为1.73 m/s,由射流风机提供,其截面设置为FLUENT自带的模型Fan,并合理设置升压值ΔP。其余隧道出入口设为压力出口pressure-outlet边界条件。

2.3 设计方案与工况设置

当连接匝道A或B发生火灾时,其中一种方案是在合流点左侧各设置一个排烟口,如图5(a)所示。考虑到此方案需开启两个排烟口,会增加施工成本,根据分合流流速分配理论,当其中一个匝道纵向通风时,交汇处形成一定的负压,另一个匝道会形成自然防烟风速,其次,随着纵向风速增大,烟气侵入非事故匝道所需临界风速变小,因此提出合流点开启一个排烟口的优化方案,如图5(b)所示,探究此方案可行性。

图5 连接匝道A/B设计方案构造形式Fig.5 Design scheme structural form of ramp A/B

上游纵向通风将烟气全部吹向火源下游,将火灾烟气控制在火源与下游排烟口打开段内,下游重点排烟量设定需大于限制烟气逆流通风量且不小于烟气生成量,如式(12);由此可确定最小排烟量为130 m3/s。具体工况设置如表1所示。

表1 工况设置表Table 1 Working condition setting

Ve≥A×vcr且Ve≥Vp

(12)

式中,Ve为重点排烟量(m3/s),Vp为火灾烟气生成量(m3/s),vc为临界风速(m/s),A为隧道横断面积(m2)。

3.1 断面风速分析

截取稳定时刻连接匝道A/B火源前后断面风速图,如图6、图7所示。

图6 连接匝道A火源前后断面风速图Fig.6 Wind speed diagram of front and back sections of fire location of ramp A

图7 连接匝道B火源前后断面风速图Fig.7 Wind speed diagram of front and back sections of fire location of ramp B

由图6、图7可知,通过设置射流风机参数,截取稳定时刻火源前后断面风速图,结果表明断面平均送风风速vs≥临界风速vc=1.73 m/s,能有效限制火源处烟气逆流,保证火源上游人员安全的疏散环境。

3.2 火灾烟气蔓延分析

稳定时刻各工况烟气蔓延情况如图8、图9所示。

图8 T1/T3工况稳定时刻烟气蔓延图Fig.8 Smoke spread at stable time of T1/T3 conditions

图9 T2/T4工况稳定时刻烟气蔓延图Fig.9 Smoke spread at stable time of T2/T4 conditions

由图8、图9可知：① T1/T2工况烟气明显未越过排烟口,烟气很好地控制在排烟区段内,表明匝道末端各设置一个排烟口的方案是合理的;② T3/T4有部分排烟量工况烟气侵入到非事故匝道,但随着排烟量增大,侵入非事故匝道的烟气量减少。是因为事故匝道采用射流风机纵向通风+排烟口排烟模式,当排烟口达到一定排烟量时,交汇处风速较大,根据分合流流速分配理论模型,烟气侵入非事故匝道临界风速较小,加上自然防烟风速,烟气才不会侵入非事故匝道。③ T3/T4不同排烟量工况均有部分烟气越过排烟口,甚至窜流至非事故区段,这是因为合流处设置一个排烟口时,在隧道横向范围内排烟口的占比较小,烟气经过射流风机的纵向作用以及匝道曲率的影响,高速烟气的顶部不能正对着排烟口,烟气热浮力不仅没能促进排烟,且排烟口抽吸力难以抵消烟气的惯性力。随着排烟量增大,排烟口抽吸力对烟气的控制逐步加强,窜流烟气量逐渐减少。

为了判断非事故区段人员临界安全是否满足要求,在越过排烟口的区域设置距隧道地面不同高度的温度测点,对比T3/T4不同排烟量工况排烟口附近温度场,结果如图10、图11所示。

图10 T1/T3工况稳定时刻烟气温度图Fig.10 Smoke temperature at stable time of T1/T3 conditions

图11 T2/T4工况稳定时刻烟气温度图Fig.11 Smoke temperature at stable time of T2/T4 conditions

由图10、图11可知：① 随排烟量增大,不同高度越过排烟口烟气温度呈下降趋势;② 除了排烟量130 m3/s,超过60 ℃的高温烟气大多漂浮在隧道顶部,2 m清晰高度处温度均低于60 ℃,火灾下游段的车辆在发生火灾时继续向前行驶进行逃生,越过排烟口即可到达安全区域,结果表明非事故区段人员临界安全可满足要求,即排烟量大于160 m3/s时,可认为烟气蔓延距离LC60≤火源与排烟口距离L。

3.3 排烟效率

通过生成的CO2量和排出的CO2量表征火源的烟气生成量和烟气的排出量,将排烟口的排烟效率η定义为单位时间内该排烟口排出的CO2量占CO2生成总量的百分数[5]。如下式(13)所示。

(13)

式中me为排烟口单位时间排出的CO2量,kg/s;mp为单位时间内CO2生成总量,kg/s。各工况排烟量与排烟效率关系如图12所示。

图12 T1～T4工况排烟量与排烟效率关系图Fig.12 The relationship of smoke exhaust and smoke exhaust efficiency of T1～T4 working conditions

由图12可知：① T1/T3工况排烟效率分别为99.1%和98.9%,远大于95%的判定标准;② 根据不同排烟量拟合出T2/T4工况排烟量与排烟效率的关系曲线,由此可知当T2工况排烟量大于146 m3/s、T4工况排烟量大于166 m3/s时,排烟效率即可满足95%的判定标准,考虑工程实际,排烟量不应小于170 m3/s。

复杂地下交通体系由多个部分区段组成,通过连接匝道相互连接,内部存在多个分合流点,气流组织复杂。为防止火灾时烟气在各部分间窜流,连接匝道烟气控制方案的有效性起关键作用。

(1)根据连接匝道的构造形式,提出匝道火灾通风排烟设计方法,并应用于工程实例;以抑制烟气逆流临界风速、烟气蔓延范围和排烟口排烟效率作为控烟有效性判定准则,得到匝道末端各设置一个排烟口或合流处仅设置一个排烟口的方案均可有效保证火源下游车辆和火源上游人员的逃生安全;

(2)相比于匝道末端各设置一个排烟口的方案,合流处设置单个排烟口仅需要提高少许排烟量即可同样满足防灾要求,从土建成本考虑,推荐单个排烟口方案;

(3)本文提出的匝道火灾通风排烟设计方法可推广至同类型隧道合流结构,同时可为其排烟口布置提供借鉴。

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