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2010年12月洁净与空调技术C C &A C 第4期
解放军理工大学茅靳丰*
马晓光周俊
绍兴越秀外国语职业学院
摘要运用FDS （Fire Dynamic Simulation ）火灾模拟软件对不同自然风速风向条件下的某竖井型自然通风隧
道火灾进行了数值模拟，并对模拟的结果进行了对比分析，得到了隧道外自然风风速风向的不同对隧道内火灾时烟气浓度场的影响规律。
关键词自然通风；城市隧道；火灾；烟气浓度场；数值模拟
An Ana lys is o f the Na tural V e ntila tion City Tun ne l th at Air V e lo city
an d Dire c tion fro m the Environm e nt ha s th e Im pa c tion s
on the Conc e ntration Fie ld o f the Fire Sm oke
Mao Jinfeng,Ma Xiaoguang and Zhou Jun
Abstract This paper adopts FDS (Fire Dynamic Simulation)which is a software to conduct a numerical simulation when a fire happens in the natural ventilation city tunnel with vertical shafts.The paper has got the variation of the concentration field of the fire smoke and then analyzed the result that the air velocity and direction from the environment has the impac-tions on the concentration field of the fire smoke.
Keywords Natural ventilation;City tunnel;Fire;Concentration field of the fire smoke;Numerical simulation
茅靳丰，男，1962年生，教授，博士生导师210007南京解放军理工大学E-mail:zheli86@sina 收稿日期：2010-9-7
0引言
城市地下空间的综合开发是解决城市人口、资
源、环境三大难题的重大措施，合理的开发和利用地下空间对于缓解城市人口拥挤、城市用地紧张、节约耕地保护自然环境起到了积极的作用，而城市交通系统的地下化，是良好利用地下空间的一个重要内容。所以近年来，随着经济的飞速发展，城市公路隧道的建设也在随着城市日新月异的变化中发展起来，城市隧道的开发利用，消防安全问题是绝对不能不考虑的。由于其地下建筑结构的特殊性，相比于地面火灾，城市公路隧道发生火灾时具有温度高、火灾烟气量大、人员逃生困难和灭火救援困难的特点，所以其潜在的危险远远大于地上的公路，一旦发生火灾，由于避难和扑救的难度远大于地面火灾，隧道火灾造成的人员伤亡远大于地面火灾，在隧道火灾的特点中，其中烟气的危害最严重，据统计[1]，火灾中85%以上的死亡者是由于烟气的危害，其中大部分是吸入了烟尘及有害气体昏迷后而致死的。
所以研究城市公路隧道火灾时烟气流动扩散规律，从而开展对防火防排烟的设计，指导人员在火灾发生时安全疏散逃生显得很有必要。对于采用自然通风的城市竖井型公路隧道，当隧道外存在自然风时，自然风将通过隧道和竖井的口部对隧道内气体产生作用，影响隧道内的气体产生流动，这将对自然通风隧道火灾时的烟气扩散规律产生一定影响，从而影响自然通风隧道火灾时人员的逃生与消防人员开展救援工作。因此研究隧道外界的自然风对火灾烟气扩散规律的影响具有现实意义。
本文将用FDS 模拟软件，对不同风速风向的外界自然风条件下的隧道火灾进行模拟，并对模拟结果进行分析，从而得到风速风向对火灾烟气扩散的影响规律。在FDS 软件的使用中，Sung Ryong Lee 和
2011山东理综Hong Sun Ryou [2]用FDS3.0模拟了不同宽高比的条件下纵向通风时隧道内烟气流动规律；中国科学技术大学胡隆华[3]等人在全尺寸隧道上做了实验研究，并用FD S 进行了模拟研究，发现实验结果同Kurioak 提出的经验公式一致，说明了FDS 模拟火灾有着很好的准确性。
1模型建立
1.1隧道简介
工具性与人文性的统一南京城东干道隧道是贯穿南京市区南北的一条城市公路隧道，全长2660m 。该隧道由两个部分组成，即白下路段和龙蟠中路段，其中白下路段长890m ，龙蟠中路段长1410m 。每段隧道包含3种形式：位于隧道进出口的敞开段、顶部开口的半敞开段和顶部封闭的暗埋段[4]。其中龙蟠中路段是本文研究重点。隧道的通风竖井布置情况如图1所示。
图1
隧道总剖示意图
1.2物理模型建立及测点布置
模型隧道宽12m ，高5.75m ，竖井的高度为6m ，其中每个竖井的结构相同（12.8m ×2.6m ）
单个竖井被均分为4个竖井，中间用0.2m 厚的混凝土板分割，每个竖井尺寸为2.6m ×3.05m 。隧道模型的测点布置如图2所示。
图2
隧道模型的测点布置
1.3火源设定
将隧道火灾时设定火源尺寸为1.8m ×1.8m ，热释放率（HRR ）为10MW （3086.4kW/m 2），火源类型选取2型火源，即：
，Q
为
火灾的热释放率，k W ；为火灾的增长系数，好爱情就是要算计
kW/s 2，本文取0.1878；t 为火灾的增长持续时间，s ；t 0为火灾开始有效燃烧时间，s 。
本文将火灾增长系数选为超快型，火灾开始有效燃烧时间取为0s ，则由上式计算出火灾增长时间为231s ，模拟时间总长设为1200s ，从人员安全疏散的角度考虑，将火源位置位于暗埋段中点处。1.4
边界条件设定
1.4.1隧道壁面边界条件
将壁面材料选为钢筋混凝土（Concre te ），密度为2100kg/m 3，比热为0.88kJ/(kg K)，导热系数为1W/(m K)，表面发射率为0.9，壁面温度设为与环境温度相同。
1.4.2隧道口部和竖井口部边界条件
因为竖井口和隧道的进出口部都与自然环境大气相通，所以隧道内外空气的初始温度相同，本文取为10℃。根据工况不同，考虑南京地区的气象条件（夏季平均风速2.62m/s ，冬季2.2m/s ，最 大风速为8m/s ），本文选取9种工况进行模拟，如表2所列。风速风向如图3所示。
表2
模拟计算工况表
图3
风速风向在隧道内表示图
1.5其他条件设定
将火源区段网格大小划为0.25
m ×0.4m ×0.25m ，隧道区段划为0.5m ×0.4m ×0.25m ，竖井区段划为0.5m ×0.4m ×0.4m 。模型的初始时间步长设为0.2s ，因为本文采用大涡模拟（LES ），所以在计算过程中时间步长将自动调整为满足CFL
条件的时间步长。
第4期自然风对城市自然通风隧道火灾烟气浓度场的影响分析.27.
t
2模拟结果
2.1烟气浓度随时间变化
图4和图5为各种工况下火区下游（60m 和136
m ）的隧道顶部烟气浓度随时间变化曲线，从图中可以看出，隧道外存在的x 方向和xy 方向上的自然
风与无风工况相比，火区下游的烟气浓度较早出现上升，并且工况2和工况3的烟气上升时间比工况1早，工况5和工况6的上升时间比工况4要早，这是自然风压作用的结果，在自然风的作用下，烟气
（a ）x 方向
（b ）x y 方向（c ）y 方向图4火区下游距离火源60m
处隧道顶部烟气浓度随时间变化
（a ）x 方向
（b ）x y 方向
（c ）y 方向
图5火区下游距离火源136m
处隧道顶部烟气浓度随时间变化
向下游移动速度增大，而在y 方向的工况与无风工况的烟气扩散规律基本相同。在x 和xy 方向上有自然风作用时火区下游隧道顶部烟气浓度上升梯度比无风工况小，在火灾刚进入稳定阶段时，其隧道顶
部烟气浓度较无风工况时低，而且风速为5m/s ，工况2和工况5的烟气浓度最低，而随着时间的推移，无风工况隧道顶部烟气浓度逐渐降低，而有x 方向和xy 方向的自然风的各工况隧道顶部烟气浓度逐渐升高。
（a ）x 方向（b ）x y 方向
（c ）y 方向
（a ）x 方向（b ）x y 方向
（c ）y 方向图6火区上游距离火源60m 处隧道顶部烟气浓度随时间变化
图7火区上游距离火源136m
处隧道顶部烟气浓度随时间变化
.28.洁净与空调技术CC&A C 2010年
图6和图7为各种工况下火区上游的隧道顶部烟气浓度随时间变化曲线。可以看出，与无风情况相比，在x 和xy 方向自然风的作用下，上游隧道顶部的烟气浓度变化时间较晚，说明，在自然风作用下，烟气向上游扩散速度比无风时要小，而在y 方向自然风的作用下，同无风情况的烟气浓度变化时间基本相同。
（a ）x 方向
（b ）x y 方向（c ）y 方向（a ）x 方向（b ）x y 方向（c ）y 方向
图8火区下游距离火源60m 一人身高处（1.5m ）烟气浓度随时间变化
图9火区下游距离火源136m 一人身高处烟气浓度随时间变化
（a ）x 方向
（b ）x y 方向（c ）y 方向（a ）x 方向（b ）x y 方向
（c ）y 方向图10火区上游距离火源60m 一人身高处烟气浓度随时间变化
图11火区上游距离火源136m
一人身高处烟气浓度随时间变化
dxc了解烟气下降到人体高度（为安全保守的取1.5m ）的时间对于人员合理疏散和安全逃生有着重要的意义。如图8和图9，在火区下游，x 方向和xy 方向自然风的工况在距离火源60m 处初始烟气浓度上升时间较早，在火灾发生60s 后都有烟气浓度的变化，并且风速越大，烟气浓度变化越早，而在y 方向的自然风工况，其烟气浓度在一人高处前期虽然有一些波动，但总体与无风情况相同。
第4期自然风对城市自然通风隧道火灾烟气浓度场的影响分析.29.
（下转第33页）
表4图书馆内空气品质客观指标与人员空气品质不满意率的灰关联度
不甚合理，气流分布不均匀也是主要的原因。因此，要想很好地改善图书馆内空气品质，就要从上述原因出发，进一步地对馆内空调系统的运行情况进行实测调查，从而提出切实可行的改善措施。
参考文献
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[7]刘思峰，谢乃明.灰系统理论及其应用[M].北京：科学
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从和图4对比看出，此时的烟气浓度要比同一处隧道顶部小两个数量级，如工况3在一人高处时的烟气浓度最高稳定在9×10-6mol/mol 上下，而隧道顶部烟气浓度最高稳定在5.5×10-4mol/mol 上下。从这一点可以证明，火区下游各种火灾工况火灾烟气层在距离火源60m 处均未下降至一人高处（1.5m ）。
同火区下游相比，火区上游如图10和图11，可以看到，火区上游存在x 方向和xy 方向自然风的工况在距离火源60m 一人高处烟气浓度初始升高时刻要晚于火区下游，但在纵向风速的影响下略早于无风工况；存在y 方向自然风的工况中，工况9由于外界自然风扰动较大，火区上游比无风工况较早地出现了上升，工况7和工况8火灾烟气的上升时刻与无风工况基本一致。
3结论
本文运用FDS 火灾模拟软件对不同自然风速风
向条件下的10种工况的竖井型自然通风隧道火灾进行了数值模拟，并对模拟的结果进行了对比分析，得到了隧道外自然风风速风向的不同对隧道内火灾时烟气浓度场的影响规律，主要结论如下：
（1）在x 方向和x y 方向的自然风的作用下，火区上游隧道顶部烟气浓度变化时间比无风工况
晚，火区下游则正好相反，而存在y 方向自然风
的各火灾工况火灾上游和下游隧道顶部烟气浓度初始变化时间与无风工况基本相同；存在x 方向和xy 方向自然风的火灾工况在自然风的扰动下，不论是火区上游还是下游，一人身高处烟气浓度都比无风工况先升高，而存在y 方向自然风的火灾工况除工况9的烟气浓度在火区上游和火区下游较无风工况先升高外，其余工况与无风工况基本相同。
（2）从一人身高处和隧道顶部烟气浓度的数值大小中可以看出，各种火灾工况不论是火区上游还是下游烟气层都没有下降至一人身高处。
（3）虽然各工况外界自然风风向和风速不相同，但是火区上游和下游的烟气浓度分布规律也基本相同，在隧道暗埋段，火灾烟气服从指数衰减，浓度下降梯度沿程逐渐减小，在隧道竖井段服从线性衰减，浓度下降梯度较大。
参考文献
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[]城市隧道竖井型自然通风研究[R]南京南京市建委，（上接第29页）
第4期图书馆内空气品质的调查及其灰关联分析
.33
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4.:2009
