1?模型建立

南京城東干道隧道是貫穿南京市區(qū)南北的一條城市公路隧道，全長(zhǎng)?2660 m。該隧道包含白下路和軍區(qū)隧道兩段，其中白下路隧道全長(zhǎng)890 m，軍區(qū)隧道全長(zhǎng)1770 m。每段隧道均含3?種結(jié)構(gòu)形式：位于隧道進(jìn)出口的敞開(kāi)段、頂部開(kāi)口的半敞開(kāi)段和頂部封閉的暗埋段。其中白下路隧道寬12.35 m，高5.55 m；軍區(qū)隧道一部分隧道橫截面尺寸與白下路隧道相同，另一部分隧道寬?12.85 m，高?5.75 m。各段隧道開(kāi)口橫截面均為7.2 m×2.6 m，兩開(kāi)口之間相距?8.8 m，在每個(gè)開(kāi)口內(nèi)靠近隧道頂部，均有一個(gè)寬?0.8 m、高?2.0 m?的梁。為了防止雨水進(jìn)入隧道，各開(kāi)口內(nèi)均設(shè)置遮雨板。

1.1?數(shù)學(xué)模型

1）流動(dòng)模型

火災(zāi)過(guò)程中各狀態(tài)參數(shù)如密度、速度、壓力及溫度遵循自然界普遍成立的質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒、能量守恒及化學(xué)反應(yīng)的定律。火災(zāi)釋放出大量的熱，空氣的浮升運(yùn)動(dòng)十分強(qiáng)烈，此時(shí)空氣密度的變化已不可忽視，必須考慮浮升力的影響。由于火災(zāi)引起隧道內(nèi)的空氣流速較低，空氣的壓縮性可以忽略，因此火災(zāi)時(shí)的流場(chǎng)為具有浮升力作用的典型的三維、瞬態(tài)、粘性、不可壓縮湍流流場(chǎng)。如果采用k-ε兩方程湍流模型，并根據(jù)?Bousinnesq?假設(shè)，則流場(chǎng)控制方程如下：

式中：xi，xj，xk為空間坐標(biāo)的分量（m）；ui,uj為風(fēng)速的分量（m / s?）；t?為時(shí)間（s?）；P?為壓強(qiáng)（Pa）；g?為重力加速度(m2/ s)；T?為煙氣溫度（℃）；T0為煙氣基準(zhǔn)溫度（℃）；為空氣密度（kg/m3）；為空氣的體積膨脹率（1/℃）；k?為湍流動(dòng)能（m2/ s2）；ε為湍流動(dòng)能的耗散率（m2/s3）；μ為空氣的黏性系數(shù)（kg/(m?s)；μt為渦黏性系數(shù)（kg/(m?s))；模型常數(shù)：Cμ= 0 . 0 9?，C1=1.44，C2=1.92，σκ=1.0，σε=1.3；Φ表示焓或組分濃度，Τ和SΦ分別表示廣義擴(kuò)散系數(shù)和廣義源項(xiàng)。

2）燃燒模型

在CFD?火災(zāi)模擬過(guò)程中主要包含?3?種燃燒模型，分別是：VHS（Volumetric Heat source Model）模型、EBU（Eddy Break-up Model）模型和PPDF（Presumed Probability Density Function）模型。在上述3種燃燒模型中，VHS是最簡(jiǎn)單易行的，它不僅能夠使計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)化，而且計(jì)算量小，并能夠滿(mǎn)足火災(zāi)危險(xiǎn)分析的要求。本文選擇?VHS?燃燒模型。

3）物理模型

隧道火災(zāi)的安全設(shè)計(jì)，應(yīng)滿(mǎn)足最不利的火災(zāi)情況，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生在暗埋段時(shí)，火區(qū)的高溫?zé)煔庋厮淼理敳苛鲃?dòng)，直至敞開(kāi)或半敞開(kāi)段處排出，這是最不利的火災(zāi)情況。因此，選擇最長(zhǎng)的暗埋段及與之相連的半敞開(kāi)段作為計(jì)算的物理模型來(lái)進(jìn)行火災(zāi)CFD?模擬分析。

經(jīng)比較，軍區(qū)隧道中具有一段由“半敞開(kāi)（144 m）－暗埋（230 m）－半敞開(kāi)（311 m）－暗埋（249 m）－敞開(kāi)段（170 m）”約1104m?的隧道段，這段隧道中的暗埋段是隧道中最長(zhǎng)的。當(dāng)火災(zāi)發(fā)生在230 m暗埋段時(shí)，由于兩端均為半敞開(kāi)段，火區(qū)兩端的流動(dòng)阻力相當(dāng)，高溫?zé)煔庵荒軓陌氤ㄩ_(kāi)段的開(kāi)口排出，因此，選取230 m暗埋段中點(diǎn)位置為最不利的火災(zāi)工況。在不考慮沿隧道方向坡度影響的情況下，為減小計(jì)算量，利用對(duì)稱(chēng)性，選取一半的隧道長(zhǎng)度進(jìn)行計(jì)算?？紤]到最長(zhǎng)的暗埋段將近?250 m，為安全計(jì)，計(jì)算中將暗埋段加長(zhǎng)，因此最終的隧道計(jì)算長(zhǎng)度為“144 m?敞開(kāi)段＋130 m?暗埋段”，共計(jì)?274 m。（m.gxshunjiang.com）

1.2?數(shù)值方法及邊界條件

1）數(shù)值方法

本文應(yīng)用大型流體力學(xué)計(jì)算軟件?STAR-CD?對(duì)隧道內(nèi)火災(zāi)的煙氣流動(dòng)進(jìn)行計(jì)算分析，該軟件采用的數(shù)值計(jì)算方法為有限容積法。計(jì)算中壓力與速度的耦合采用?PISO?算法，時(shí)間差分采用全隱式差分格式，計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)為?0.2 s，空間差分格式選取QUICK?格式。

2）網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分結(jié)果見(jiàn)圖1，考慮浮升力的影響，火區(qū)附近及隧道高度方向的網(wǎng)格劃分較密，整個(gè)計(jì)算域?yàn)榱骟w結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，共計(jì)約100×104?個(gè)單元。

3）邊界條件

由于利用對(duì)稱(chēng)性，因此在計(jì)算域火區(qū)一端設(shè)定對(duì)稱(chēng)邊界條件；隧道壁面給定考慮傳熱的墻體邊界條件，墻體溫度給定隧道所在地區(qū)的夏季室外通風(fēng)干球溫度?32℃，換熱系數(shù)為考慮煙氣輻射和對(duì)流的綜合換熱系數(shù)，隧道壁面摩擦阻力系數(shù)取0.02；在隧道半敞開(kāi)段的開(kāi)口及遠(yuǎn)離火區(qū)的計(jì)算域的另一段，給定壓力邊界，壓力大小為環(huán)境壓力。

4）火災(zāi)發(fā)熱率

根據(jù)公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范（JTJ 026.1-1999），按一般隧道火災(zāi)選取發(fā)熱量為?20 MW，這相當(dāng)于一輛公共汽車(chē)或卡車(chē)著火時(shí)的發(fā)熱量。

2?穩(wěn)態(tài)條件下隧道煙氣流動(dòng)特性計(jì)算

2.1?隧道原始設(shè)計(jì)方案

在南京城東干道隧道的初始設(shè)計(jì)方案中，半敞開(kāi)段均由大小為?3.6 m×2.6 m?的連續(xù)開(kāi)口組成，兩開(kāi)口之間由寬?0.8 m、高?2.0 m?的梁間隔，如圖2所示。在僅僅?144 m?長(zhǎng)的半敞開(kāi)段中，共計(jì)有35個(gè)開(kāi)口。

2.2?穩(wěn)態(tài)煙氣流動(dòng)計(jì)算分析

由于南京城東干道隧道采用的是隧道頂部開(kāi)口的自然通風(fēng)排煙方式，因此首先需對(duì)該種設(shè)計(jì)通風(fēng)方式進(jìn)行計(jì)算，一方面檢驗(yàn)其能否滿(mǎn)足通風(fēng)排煙要求，另一方面也可以根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)原始設(shè)計(jì)方案特別是開(kāi)口設(shè)計(jì)方案進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。

為此，對(duì)原始設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了火災(zāi)計(jì)算分析。計(jì)算的網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖3。計(jì)算在穩(wěn)態(tài)條件下進(jìn)行，火災(zāi)發(fā)熱量為?20 MW，邊界條件的設(shè)置亦如前所述。

在穩(wěn)態(tài)條件下，隧道內(nèi)有開(kāi)口一側(cè)的速度及溫度分布計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖4。從圖中可以看出，雖然在半敞開(kāi)段共計(jì)設(shè)置了?35?個(gè)開(kāi)口，但高溫?zé)煔鈨H僅擴(kuò)散到第?9?個(gè)開(kāi)口（距暗埋段約?45 m）就已基本全部排出隧道外，也就是說(shuō)，只有與暗埋段相連的約9個(gè)開(kāi)口真正起到了排出高溫?zé)煔獾淖饔?，而其余開(kāi)口均幾乎起不到排煙作用。

為了更清楚給出各開(kāi)口排出煙氣的情況，圖5給出了半敞開(kāi)段各開(kāi)口的排風(fēng)量及排風(fēng)溫度的分布情況。從圖中可以明顯看到，到達(dá)半敞開(kāi)段的第9個(gè)開(kāi)口以后，排風(fēng)量已經(jīng)很小，接近于 0，排風(fēng)溫度也已降至 50℃以下（環(huán)境溫度為 32℃）。由此可以看出，在現(xiàn)有的隧道橫截面及開(kāi)口條件下，高溫?zé)煔庠诎氤ㄩ_(kāi)段的擴(kuò)散距離僅為45 m，在45 m 以外的地方開(kāi)口從火災(zāi)防排煙的角度講已經(jīng)沒(méi)有多大的意義。為了進(jìn)一步驗(yàn)證這一結(jié)論，將圖3 中位于半敞開(kāi)段中間的第 16-25（共計(jì) 10 個(gè)）開(kāi)口封閉，只保留開(kāi)始的 15 個(gè)和另一端的10 個(gè)（共計(jì)25 個(gè)）開(kāi)口，此時(shí)各開(kāi)口的排風(fēng)量及排風(fēng)溫度計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖6。圖 6 的計(jì)算結(jié)果進(jìn)一步表明了中間部分開(kāi)口封閉對(duì)高溫?zé)煔獾臄U(kuò)散影響很小，同樣只有半敞開(kāi)段的前面45 m內(nèi)的開(kāi)口真正起到了排風(fēng)作用。

由此可以得出這樣的結(jié)論，對(duì)于南京城東干道隧道現(xiàn)有的設(shè)計(jì)橫斷面形式，在20MW的火災(zāi)發(fā)熱強(qiáng)度下，高溫?zé)煔庠诎氤ㄩ_(kāi)段的擴(kuò)散距離僅為45m。

2.3?對(duì)原有開(kāi)口設(shè)計(jì)方案的改進(jìn)

通過(guò)上述計(jì)算，除了確定高溫?zé)煔庠诎氤ㄩ_(kāi)段的擴(kuò)散距離外，還對(duì)半敞開(kāi)段的原始開(kāi)口設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了改進(jìn)。改進(jìn)的基本原則是盡可能在半敞開(kāi)段的起始段盡可能多開(kāi)口，以利于高溫?zé)煔獾呐懦觥?/p>

3?結(jié)論

根據(jù)CFD?模擬可知隧道內(nèi)高溫?zé)煔饬鲃?dòng)規(guī)律，因此可以得出如下結(jié)論：在豎井型城市隧道具有連續(xù)開(kāi)口的半敞開(kāi)段中，高溫?zé)煔獾臄U(kuò)散距離是一定的，亦即只有與暗埋段相連的幾個(gè)開(kāi)口能真正起到排煙作用，遠(yuǎn)離暗埋段的開(kāi)口并不能起到真正意義上的排煙作用，高溫?zé)煔庠诎氤ㄩ_(kāi)段的擴(kuò)散距離為45 m。

因此，豎井型城市隧道在建設(shè)過(guò)程中，為了保證自然排煙能滿(mǎn)足隧道火災(zāi)工況下的排煙要求，必須在隧道半敞開(kāi)段的起始段盡可能多開(kāi)口，這樣既有利于高溫?zé)煔獾呐懦?，又有利于隧道?nèi)人員的逃生。