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竖井型城市隧道火灾烟气流动模拟分析
1 模型建立
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 2660 m。该隧道包含白下路和军区隧道两段，其中白下路隧道全长890 m，军区隧道全长1770 m。每段隧道均含3 种结构形式：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。其中白下路隧道宽12.35 m，高5.55 m；军区隧道一部分隧道横截面尺寸与白下路隧道相同，另一部分隧道宽 12.85 m，高 5.75 m。各段隧道开口横截面均为7.2 m×2.6 m，两开口之间相距 8.8 m，在每个开口内靠近隧道顶部，均有一个宽 0.8 m、高 2.0 m 的梁。为了防止雨水进入隧道，各开口内均设置遮雨板。
1.1 数学模型
1）流动模型
火灾过程中各状态参数如密度、速度、压力及温度遵循自然界普遍成立的质量守恒、动量守恒、能量守恒及化学反应的定律。火灾释放出大量的热，空气的浮升运动十分强烈，此时空气密度的变化已不可忽视，必须考虑浮升力的影响。由于火灾引起隧道内的空气流速较低，空气的压缩性可以忽略，因此火灾时的流场为具有浮升力作用的典型的三维、瞬态、粘性、不可压缩湍流流场。如果采用k-ε两方程湍流模型，并根据 Bousinnesq 假设，则流场控制方程如下：
式中：xi，xj，xk为空间坐标的分量（m）；ui,uj为风速的分量（m / s ）；t 为时间（s ）；P 为压强（Pa）；g 为重力加速度(m2/ s)；T 为烟气温度（℃）；T0为烟气基准温度（℃）；为空气密度（kg/m3）；为空气的体积膨胀率（1/℃）；k 为湍流动能（m2/ s2）；ε为湍流动能的耗散率（m2/s3）；μ为空气的黏性系数（kg/(m?s)；μt为涡黏性系数（kg/(m?s))；模型常数：Cμ= 0 . 0 9 ，C1=1.44，C2=1.92，σκ=1.0，σε=1.3；Φ表示焓或组分浓度，Τ和SΦ分别表示广义扩散系数和广义源项。
2）燃烧模型
在CFD 火灾模拟过程中主要包含 3 种燃烧模型，分别是：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种燃烧模型中，VHS是最简单易行的，它不仅能够使计算过程简化，而且计算量小，并能够满足火灾危险分析的要求。本文选择 VHS 燃烧模型。
3）物理模型
隧道火灾的安全设计，应满足最不利的火灾情况，当火灾发生在暗埋段时，火区的高温烟气沿隧道顶部流动，直至敞开或半敞开段处排出，这是最不利的火灾情况。因此，选择最长的暗埋段及与之相连的半敞开段作为计算的物理模型来进行火灾CFD 模拟分析。
经比较，军区隧道中具有一段由“半敞开（144 m）－暗埋（230 m）－半敞开（311 m）－暗埋（249 m）－敞开段（170 m）”约1104m 的隧道段，这段隧道中的暗埋段是隧道中最长的。当火灾发生在230 m暗埋段时，由于两端均为半敞开段，火区两端的流动阻力相当，高温烟气只能从半敞开段的开口排出，因此，选取230 m暗埋段中点位置为最不利的火灾工况。在不考虑沿隧道方向坡度影响的情况下，为减小计算量，利用对称性，选取一半的隧道长度进行计算。考虑到最长的暗埋段将近 250 m，为安全计，计算中将暗埋段加长，因此最终的隧道计算长度为“144 m 敞开段＋130 m 暗埋段”，共计 274 m。（www.iwuchen.com）
1.2 数值方法及边界条件
1）数值方法
本文应用大型流体力学计算软件 STAR-CD 对隧道内火灾的烟气流动进行计算分析，该软件采用的数值计算方法为有限容积法。计算中压力与速度的耦合采用 PISO 算法，时间差分采用全隐式差分格式，计算时间步长为 0.2 s，空间差分格式选取QUICK 格式。
2）网格划分
网格划分结果见图1，考虑浮升力的影响，火区附近及隧道高度方向的网格划分较密，整个计算域为六面体结构化网格，共计约100×104 个单元。
3）边界条件
由于利用对称性，因此在计算域火区一端设定对称边界条件；隧道壁面给定考虑传热的墙体边界条件，墙体温度给定隧道所在地区的夏季室外通风干球温度 32℃，换热系数为考虑烟气辐射和对流的综合换热系数，隧道壁面摩擦阻力系数取0.02；在隧道半敞开段的开口及远离火区的计算域的另一段，给定压力边界，压力大小为环境压力。
4）火灾发热率
根据公路隧道通风照明设计规范（JTJ 026.1-1999），按一般隧道火灾选取发热量为 20 MW，这相当于一辆公共汽车或卡车着火时的发热量。
2 稳态条件下隧道烟气流动特性计算
2.1 隧道原始设计方案
在南京城东干道隧道的初始设计方案中，半敞开段均由大小为 3.6 m×2.6 m 的连续开口组成，两开口之间由宽 0.8 m、高 2.0 m 的梁间隔，如图2所示。在仅仅 144 m 长的半敞开段中，共计有35个开口。
2.2 稳态烟气流动计算分析
由于南京城东干道隧道采用的是隧道顶部开口的自然通风排烟方式，因此首先需对该种设计通风方式进行计算，一方面检验其能否满足通风排烟要求，另一方面也可以根据计算结果对原始设计方案特别是开口设计方案进行改进和优化。
为此，对原始设计方案进行了火灾计算分析。计算的网格划分见图3。计算在稳态条件下进行，火灾发热量为 20 MW，边界条件的设置亦如前所述。
在稳态条件下，隧道内有开口一侧的速度及温度分布计算结果见图4。从图中可以看出，虽然在半敞开段共计设置了 35 个开口，但高温烟气仅仅扩散到第 9 个开口（距暗埋段约 45 m）就已基本全部排出隧道外，也就是说，只有与暗埋段相连的约9个开口真正起到了排出高温烟气的作用，而其余开口均几乎起不到排烟作用。
为了更清楚给出各开口排出烟气的情况，图5给出了半敞开段各开口的排风量及排风温度的分布情况。从图中可以明显看到，到达半敞开段的第9个开口以后，排风量已经很小，接近于 0，排风温度也已降至 50℃以下（环境温度为 32℃）。由此可以看出，在现有的隧道横截面及开口条件下，高温烟气在半敞开段的扩散距离仅为45 m，在45 m 以外的地方开口从火灾防排烟的角度讲已经没有多大的意义。为了进一步验证这一结论，将图3 中位于半敞开段中间的第 16-25（共计 10 个）开口封闭，只保留开始的 15 个和另一端的10 个（共计25 个）开口，此时各开口的排风量及排风温度计算结果见图6。图 6 的计算结果进一步表明了中间部分开口封闭对高温烟气的扩散影响很小，同样只有半敞开段的前面45 m内的开口真正起到了排风作用。
由此可以得出这样的结论，对于南京城东干道隧道现有的设计横断面形式，在20MW的火灾发热强度下，高温烟气在半敞开段的扩散距离仅为45m。
2.3 对原有开口设计方案的改进
通过上述计算，除了确定高温烟气在半敞开段的扩散距离外，还对半敞开段的原始开口设计方案进行了改进。改进的基本原则是尽可能在半敞开段的起始段尽可能多开口，以利于高温烟气的排出。
3 结论
根据CFD 模拟可知隧道内高温烟气流动规律，因此可以得出如下结论：在竖井型城市隧道具有连续开口的半敞开段中，高温烟气的扩散距离是一定的，亦即只有与暗埋段相连的几个开口能真正起到排烟作用，远离暗埋段的开口并不能起到真正意义上的排烟作用，高温烟气在半敞开段的扩散距离为45 m。
因此，竖井型城市隧道在建设过程中，为了保证自然排烟能满足隧道火灾工况下的排烟要求，必须在隧道半敞开段的起始段尽可能多开口，这样既有利于高温烟气的排出，又有利于隧道内人员的逃生。
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