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摘要：本文以西藏某特长公路隧道为模型，主要研究火灾位置和诱导风速对排烟效果的影响，并从该隧道的合理纵向诱导风速、排烟阀数量、排烟阀间距及风机数量方面，对该隧道的排烟方案进行优化。使用Pyrosim软件进行隧道火灾物理模型的建立，并用FDS软件进行气体动力学仿真计算，模拟不同条件下不同因素对排烟效果的影响规律。设计建立西藏林芝某特长隧道的数学模型，计算并得到不同因素对排烟效果的影响，根据温度，烟层高度等参数比较不同方案的排烟效果，从而确定西藏林芝某特长公路隧道最优化的排烟方案。
关键词：公路隧道；数值模拟；排烟规律；排烟方案
近年来，由于交通规模的不断扩大，我国国民经济快速稳定发展，我国的公路建设，特别是特长公路建设迅猛发展。特长公路隧道带来了很大的交通便利，但是长大化的特性也导致了防排烟设计和施工技术等方面的问题，极易引发安全隐患。隧道防排烟系统设计的重要组成部分在于当发生火灾事故，在最短的时段内将烟气排出隧道或控制蔓延范围，以此来降低烟气对事故人员造成的伤害，确保其人身安全。要想合理有效的控制隧道火灾烟雾，首先要研究获得火灾中烟雾的蔓延特性及扩散规律。并以此为根据，使预防工作的开展能够更为有效的且有针对的进行。但是在国内外的研究中没有针对高海拔大坡度隧道烟气排放方面的研究，由于隧道倾斜造成的烟气排放的不同对烟气的排放会造成影响，烟气上浮到隧道顶部时，具有一定坡度的隧道会影响烟气的蔓延，上升的气流遇到有坡度的隧道壁会沿壁面斜向上运动，但不同外界情况会对这一现象产生的影响其具体规律需要进行研究。结合高原公路隧道具有大坡度和高原缺氧等特点，来研究隧道火灾的烟气蔓延规律，同时为隧道火灾的排烟设计与合理控制给出自己的见解与改进建议。
一、不同火源位置对排烟效果的影响
西藏林芝某特长公路隧道，采用独立排烟道系统，在隧道的两端设置与排烟道相通的排烟竖井。由于公路隧道火灾发生的位置是随机的，火灾位置的不同致使和风机位置的距离也不大相同，所以为了更好的保护受灾群众及救援群众、更好的引导烟气排离行车道，将对不同的火源位置进行计算。
（一）模拟计算组别设计
当隧道火灾发生之后，其排烟阀的开启策略与隧道中的火源位置关系密切，所以把隧道分成5段，主要表示在如图1中。主要包括排烟阀外区域下段与上段（K1、K5段）、排烟阀所在区域上段与下段（K2、K4段）以及排烟道中间段火灾（K3段）等5段。
圖1为火灾发生在K1-K5段的烟气控制示意图。如图所示，两侧的排烟风机保持开启状态，火灾发生的位置即排烟阀所处位置的中间部分。在诱导风速、诱导风风向、排烟阀数量、排烟阀间距及风机数量不变的情况下，分别对K1-K5不同火源位置对排烟效果产生的影响做模拟。在模拟过程中，需要建立一段300m的模型隧道，该隧道的行车高度与宽度方面分别要求是6.9m和8.6m。该风机的出口流量是24m3/s，火源产生的热释放率是5MW，时间是300s。
在实验模拟的开展进程中，先假设火源参数保持不变，将隧道中烟气层的高度、温度场分布以及能见度等相关参数指标做详细的对比分析，得到其在排烟阀数量、排烟阀间距、诱导风速及风向相同情况下不同的烟气蔓延规律。
（二）火源位置对烟气分布的影响
收集整理分析上述数值模拟计算结果。例如K3，可用来对烟气的扩散与排烟等过程做相应的描述。如下图3所示，主要体现的内容是火源位置处于K3位置时部分时刻的烟气模拟图。如图3（a）所示，观察图像可以看出，在纵向诱导风的作用下，烟气大多蔓延在火源的下风向隧道内，直至火灾发生30s之后烟气将充满整个隧道，此时，其排烟管道中所含烟气较少，可以看出排烟功能没有发挥其作用。当火灾发生60s时烟气蔓延更加广泛，但从图3（b）中可以观察到排烟管道内有大量烟气存在，说明排烟系统正在产生作用。比较图3（c）和图3（d）其烟气分布并未有明显变化，烟气分布达到稳定状态。
通过图3的比较得出120s后烟气分布达到较为稳定的状态，因此选择时刻30s、60s和120s三个不同时刻，针对不同火源位置中烟气的分布情况做分析对比。如图4所示为30s时不同火源位置烟气分布图的对比，由图中可以看出火源发生位置的不同导致烟气范围的不同，其共同点是火源上风向的范围内并无烟气分布。该现象产生的主要原因是其纵向通风的风速达到了2.0m/s，由于受到纵向诱导风的作用，烟气的流动空间主要分布在火源的下风向。
（三）火源位置对烟气高度的影响
本节中，在不同火源位置情况下，对不同火源位置的烟气高度进行了数值模拟并进行对比分析，通过5种不同火源位置火源上风向50m、下风向50m处及下风向100m处部分烟气高度随时间的变化曲线，可以得出，火源上风向50m处没有烟气存在，人员及车辆在这一位置非常安全。而在火源位置下风向的50m～100m处时烟气较为严重，其烟气层高度在2m高度附近。与下风向50m处相比，100m处的烟气高度略有下降，且扰动较小，烟气层相对平稳。
（四）火源位置对能见度的影响
火灾发生附近区域的能见度，对人员的疏散及救援人员的工作尤为重要。能见度过低会导致人员流动的混乱，在慌乱的过程中容易发生踩踏等二次伤害，混乱的人流也会对救援人员的救援效率造成影响。通过不同火源位置火灾发生30s时可视距离分布可以看出，火灾的发生能够对可视距离产生的影响的范围主要是在火源前后的10m内。距离火源超过10m其可视距离基本不受火灾影响。
二、西藏林芝某特长公路隧道烟控方案优化
（一）排烟阀间距离设计优化
从行车道内烟雾高度和其内温度两个方面对不同阀间距离进行效果的对比分析。在表2中列出了不同排烟阀距离下烟气高度的平均值，可以看到当排烟阀间距为25m时，其在50m和100m处的平均高度相对较高。 表3中展示的是在距离火源50m和100m时在高度2m高度时的平均温度，根据整理的数据得知，间距在25m时，平均温度相对较高。
平均温度与烟气高度二者的规律相同，通过这两个参数的对比可以得出：排烟阀间距离为25m时，排烟效果最佳。因此在建设成本相同的情况下，排烟阀间最佳距离为25m时，其排烟效果较好，有利于受灾人员的疏散和救援人员的扑救工作。
（二）风机数量设计优化
将风机数量设置为0个、1个、2个，对这三种不同的情况下的烟气高度和平均温度进行记录对比。在表4中可以看出无排烟风机情况下50m和100m处烟气的平均高度均比有风机时小，这个现象说明排烟风机与排烟系统的排烟效果密切相关。
表5列出了不同排煙风机数量平均温度表，对比同距离下的温度其规律与烟气高度的规律一样，可见风机在排烟系统中有着重要作用。为了防止纵向诱导风向的变化，在排烟阀所在区域两端加装排烟风机，以达到无论风向怎样变化都可以对隧道内的烟气顺利排出的作用。
（三）排烟阀尺寸的设计优化
本节讨论排烟阀尺寸对排烟效果的影响，对不同排烟阀尺寸下进行模拟计算。排烟阀的形状为矩形，其尺寸分别设置为3m2、6m2、10m2，对这三种不同的情况下的烟气高度和平均温度进行记录对比。在表6中可以看出排烟阀尺寸为6m2时，烟气层高度相对于排烟阀尺寸为3m2、10m2时，烟气层的高度更高，更加有利于人员的安全疏散，对烟气控制的效果明显更好。
表7列出了不同排烟阀大小尺寸下的平均温度表，对比同距离下的2m高度处温度，其规律与烟气高度的规律一样，可见排烟阀的大小尺寸对排烟效果有着较为重要的影响，排烟阀尺寸为6m2时，隧道内能见度相对于排烟阀尺寸为3m2、10m2时，能见度更高，对烟气控制的效果明显更好，更加有利于人员的安全疏散。
三、结语
以西藏林芝某特长公路隧道为原型自主建立坡度隧道烟气计算模型，并对火源位置、诱导风、排烟阀个数及间距、风机数量、隧道坡度等对排烟效果的影响因素进行模拟分析。通过对烟气分布、烟气层高度、特定点温度、能见度等参数的监测记录，研究不同因素对公路隧道排烟效果的影响，从而增强对高海拔大坡度公路隧道的烟气蔓延规律的认识，进而为西藏林芝某特长公路隧道防排烟系统设计提供实际价值的改进建议。
参考文献：
周旭，赵明华，刘义虎.长大隧道火灾与防治设计研究[J].中南公路工程，2002，（04）：87-90.
薛保勇，郑晅，高一然，等.公路隧道不同风速条件下火灾烟气层数值模拟及分析[J].公路交通科技（应用技术版），2014，（11）：135-137+162.
徐琳.长大公路隧道火灾热烟气控制理论分析与实验研究[D].同济大学，2007.
赵凯强，刘万福，王国卓，等.异形结构隧道火灾安全疏散研究[J].消防科学与技术，2016，（03）：336-341.
关键词：公路隧道；数值模拟；排烟规律；排烟方案
近年来，由于交通规模的不断扩大，我国国民经济快速稳定发展，我国的公路建设，特别是特长公路建设迅猛发展。特长公路隧道带来了很大的交通便利，但是长大化的特性也导致了防排烟设计和施工技术等方面的问题，极易引发安全隐患。隧道防排烟系统设计的重要组成部分在于当发生火灾事故，在最短的时段内将烟气排出隧道或控制蔓延范围，以此来降低烟气对事故人员造成的伤害，确保其人身安全。要想合理有效的控制隧道火灾烟雾，首先要研究获得火灾中烟雾的蔓延特性及扩散规律。并以此为根据，使预防工作的开展能够更为有效的且有针对的进行。但是在国内外的研究中没有针对高海拔大坡度隧道烟气排放方面的研究，由于隧道倾斜造成的烟气排放的不同对烟气的排放会造成影响，烟气上浮到隧道顶部时，具有一定坡度的隧道会影响烟气的蔓延，上升的气流遇到有坡度的隧道壁会沿壁面斜向上运动，但不同外界情况会对这一现象产生的影响其具体规律需要进行研究。结合高原公路隧道具有大坡度和高原缺氧等特点，来研究隧道火灾的烟气蔓延规律，同时为隧道火灾的排烟设计与合理控制给出自己的见解与改进建议。
一、不同火源位置对排烟效果的影响
西藏林芝某特长公路隧道，采用独立排烟道系统，在隧道的两端设置与排烟道相通的排烟竖井。由于公路隧道火灾发生的位置是随机的，火灾位置的不同致使和风机位置的距离也不大相同，所以为了更好的保护受灾群众及救援群众、更好的引导烟气排离行车道，将对不同的火源位置进行计算。
（一）模拟计算组别设计
当隧道火灾发生之后，其排烟阀的开启策略与隧道中的火源位置关系密切，所以把隧道分成5段，主要表示在如图1中。主要包括排烟阀外区域下段与上段（K1、K5段）、排烟阀所在区域上段与下段（K2、K4段）以及排烟道中间段火灾（K3段）等5段。
圖1为火灾发生在K1-K5段的烟气控制示意图。如图所示，两侧的排烟风机保持开启状态，火灾发生的位置即排烟阀所处位置的中间部分。在诱导风速、诱导风风向、排烟阀数量、排烟阀间距及风机数量不变的情况下，分别对K1-K5不同火源位置对排烟效果产生的影响做模拟。在模拟过程中，需要建立一段300m的模型隧道，该隧道的行车高度与宽度方面分别要求是6.9m和8.6m。该风机的出口流量是24m3/s，火源产生的热释放率是5MW，时间是300s。
在实验模拟的开展进程中，先假设火源参数保持不变，将隧道中烟气层的高度、温度场分布以及能见度等相关参数指标做详细的对比分析，得到其在排烟阀数量、排烟阀间距、诱导风速及风向相同情况下不同的烟气蔓延规律。
（二）火源位置对烟气分布的影响
收集整理分析上述数值模拟计算结果。例如K3，可用来对烟气的扩散与排烟等过程做相应的描述。如下图3所示，主要体现的内容是火源位置处于K3位置时部分时刻的烟气模拟图。如图3（a）所示，观察图像可以看出，在纵向诱导风的作用下，烟气大多蔓延在火源的下风向隧道内，直至火灾发生30s之后烟气将充满整个隧道，此时，其排烟管道中所含烟气较少，可以看出排烟功能没有发挥其作用。当火灾发生60s时烟气蔓延更加广泛，但从图3（b）中可以观察到排烟管道内有大量烟气存在，说明排烟系统正在产生作用。比较图3（c）和图3（d）其烟气分布并未有明显变化，烟气分布达到稳定状态。
通过图3的比较得出120s后烟气分布达到较为稳定的状态，因此选择时刻30s、60s和120s三个不同时刻，针对不同火源位置中烟气的分布情况做分析对比。如图4所示为30s时不同火源位置烟气分布图的对比，由图中可以看出火源发生位置的不同导致烟气范围的不同，其共同点是火源上风向的范围内并无烟气分布。该现象产生的主要原因是其纵向通风的风速达到了2.0m/s，由于受到纵向诱导风的作用，烟气的流动空间主要分布在火源的下风向。
（三）火源位置对烟气高度的影响
本节中，在不同火源位置情况下，对不同火源位置的烟气高度进行了数值模拟并进行对比分析，通过5种不同火源位置火源上风向50m、下风向50m处及下风向100m处部分烟气高度随时间的变化曲线，可以得出，火源上风向50m处没有烟气存在，人员及车辆在这一位置非常安全。而在火源位置下风向的50m～100m处时烟气较为严重，其烟气层高度在2m高度附近。与下风向50m处相比，100m处的烟气高度略有下降，且扰动较小，烟气层相对平稳。
（四）火源位置对能见度的影响
火灾发生附近区域的能见度，对人员的疏散及救援人员的工作尤为重要。能见度过低会导致人员流动的混乱，在慌乱的过程中容易发生踩踏等二次伤害，混乱的人流也会对救援人员的救援效率造成影响。通过不同火源位置火灾发生30s时可视距离分布可以看出，火灾的发生能够对可视距离产生的影响的范围主要是在火源前后的10m内。距离火源超过10m其可视距离基本不受火灾影响。
二、西藏林芝某特长公路隧道烟控方案优化
（一）排烟阀间距离设计优化
从行车道内烟雾高度和其内温度两个方面对不同阀间距离进行效果的对比分析。在表2中列出了不同排烟阀距离下烟气高度的平均值，可以看到当排烟阀间距为25m时，其在50m和100m处的平均高度相对较高。 表3中展示的是在距离火源50m和100m时在高度2m高度时的平均温度，根据整理的数据得知，间距在25m时，平均温度相对较高。
平均温度与烟气高度二者的规律相同，通过这两个参数的对比可以得出：排烟阀间距离为25m时，排烟效果最佳。因此在建设成本相同的情况下，排烟阀间最佳距离为25m时，其排烟效果较好，有利于受灾人员的疏散和救援人员的扑救工作。
（二）风机数量设计优化
将风机数量设置为0个、1个、2个，对这三种不同的情况下的烟气高度和平均温度进行记录对比。在表4中可以看出无排烟风机情况下50m和100m处烟气的平均高度均比有风机时小，这个现象说明排烟风机与排烟系统的排烟效果密切相关。
表5列出了不同排煙风机数量平均温度表，对比同距离下的温度其规律与烟气高度的规律一样，可见风机在排烟系统中有着重要作用。为了防止纵向诱导风向的变化，在排烟阀所在区域两端加装排烟风机，以达到无论风向怎样变化都可以对隧道内的烟气顺利排出的作用。
（三）排烟阀尺寸的设计优化
本节讨论排烟阀尺寸对排烟效果的影响，对不同排烟阀尺寸下进行模拟计算。排烟阀的形状为矩形，其尺寸分别设置为3m2、6m2、10m2，对这三种不同的情况下的烟气高度和平均温度进行记录对比。在表6中可以看出排烟阀尺寸为6m2时，烟气层高度相对于排烟阀尺寸为3m2、10m2时，烟气层的高度更高，更加有利于人员的安全疏散，对烟气控制的效果明显更好。
表7列出了不同排烟阀大小尺寸下的平均温度表，对比同距离下的2m高度处温度，其规律与烟气高度的规律一样，可见排烟阀的大小尺寸对排烟效果有着较为重要的影响，排烟阀尺寸为6m2时，隧道内能见度相对于排烟阀尺寸为3m2、10m2时，能见度更高，对烟气控制的效果明显更好，更加有利于人员的安全疏散。
三、结语
以西藏林芝某特长公路隧道为原型自主建立坡度隧道烟气计算模型，并对火源位置、诱导风、排烟阀个数及间距、风机数量、隧道坡度等对排烟效果的影响因素进行模拟分析。通过对烟气分布、烟气层高度、特定点温度、能见度等参数的监测记录，研究不同因素对公路隧道排烟效果的影响，从而增强对高海拔大坡度公路隧道的烟气蔓延规律的认识，进而为西藏林芝某特长公路隧道防排烟系统设计提供实际价值的改进建议。
参考文献：
周旭，赵明华，刘义虎.长大隧道火灾与防治设计研究[J].中南公路工程，2002，（04）：87-90.
薛保勇，郑晅，高一然，等.公路隧道不同风速条件下火灾烟气层数值模拟及分析[J].公路交通科技（应用技术版），2014，（11）：135-137+162.
徐琳.长大公路隧道火灾热烟气控制理论分析与实验研究[D].同济大学，2007.
赵凯强，刘万福，王国卓，等.异形结构隧道火灾安全疏散研究[J].消防科学与技术，2016，（03）：336-341.