集中排烟隧道烟气温度衰减特性CFD模拟研究

集中排烟隧道烟气温度衰减特性CFD模拟研究摘要：结合集中排烟隧道系统设计，针对50MW大尺度火灾，考虑2种火源位置，研究不同纵向风速、排烟组合工况下隧道内烟气温度水平、垂直衰减规律。结果表明：v1不变（v2不变），v2增大（v1增大）时，顶板下方最高烟气温度增大；v1、v2相同时，B位置顶板下方烟气最大温升明显高于A位置的情况；进一步分析得到火源上下游风口处烟气温度水平衰减及垂直衰减变化规律。在模拟研究的基础上，回归整理得到顶板下方烟气最大温升及火源上下游风口处烟气最大温度水平、垂直衰减幅度随纵向风速、排烟组合变化的无量纲准则关系式，为进一步研究隧道火灾提供依据。关键词：集中排烟隧道；火源位置；水平衰减；垂直衰减；CFD模拟0引言集中排烟模式兼顾纵向通风和局部排烟的优点，具有广阔的应用前景。已有成果针对3个风口非对称布置火源两侧情况，以温度为例，分析热烟气水平扩散范围及优化的控制风速与排烟量组合[1]，但未涉及温度的水平、垂直衰减及相应速率关系。此外，火源位置影响不容忽视，研究表明火源位置对临界风速有较大影响[2]。为此，本文针对50MW大尺度火灾，考虑两种不同火源位置，通过CFD模拟，研究不同纵向风速、排烟组合工况下隧道烟气温度水平、垂直衰减规律。1研究工况分析1.1隧道概况图1集中排烟隧道通风系统及火源位置如图所示，拱形隧道分成上部排烟道、下部行车通道两层空间，一旦发生火灾，就近开启火源周围大尺度排风口，可将烟气迅速排出行车空间，取其中300m长水平通风段为研究对象，3个风口非对称布置在火源两侧，相关位置及尺寸见图1。1.2火源参数模拟考虑50MW大尺度火灾强度（相当于油罐车火灾），火源尺寸4m╳6m，距隧道入口150m。以甲烷为燃料，甲烷/空气质量比为1/7.76。考虑隧道横断面上火源居中（A位置）、近壁位置（B位置）两种情况。1.2送风及排烟工况确定在射流风机送风、烟道排烟耦合作用下，火源下游自然补风。为了便于分析，定义其为诱导风速v2。考虑到隧道上下游非对称烟气控制策略，设计工况时射流风机送风速度v1大于诱导风速v2。考虑v1取0.5、1、1.5、2、2.5m/s，v2取0.5、0.75、1、1.25、1.5m/s等风速组合共38种研究工况。2控制方程的建立及边界条件的确定2.1控制方程的建立422221.520.5CHOCOHOCOOCO（1）模拟计算考虑甲烷两步燃烧反应，见式（1）。模拟过程还涉及紊流、传热影响，本文采用浮力修正κ-ε模型，DTRM辐射模型，控制方程组见式（2），模型基本参数见表1[3-5]。()0()()()rr()()()iiijijiuijijitjhjjjtjjiitijjtjjjjkutxuuupStxxxuhhpphuStxtxxPPxuYYYώtxxScScxkupktxx2132()1kbjjkbjjjkGGxupCGCGCtxxxkkRpTM（2）其中，μt=(ρCμk2)/ε；Sui为质量力i向分量；Sh为热量产生项；τi,j为粘性应力张量；ώ为化学反应物质生成量，kg/s·m3；Gk、Gb分别为剪切应力产生项、浮力产生项。表1模型基本参数C1C2C3εCμσkσε1.441.921.00.091.01.32.2边界条件的确定模拟考虑周围环境温度T0=303K,壁面采用Launder和Spalding推荐标准壁面函数[6]，不计与外界换热。隧道入口速度边界，烟道出口考虑自由出流边界，火源考虑质量入口边界。2.3计算模型网格划分计算区域采用非均匀网格划分，近火源温度梯度变化大的区域布置密集网格，远离火源温度梯度变化小的区域布置稀疏网格，首次网格划分后依次增加x、y、z轴网格数目50%，在保证火源位置、上游送风、排烟量相同的情况下，观察顶板下方最高温度、浓度变化。当两者相差很小时，网格划分结束。3顶板下方最高烟气温度0.250.500.751.001.251.501.752.002.252.502.7570080090010001100120013001400火源Av2=0.5m/s火源Av2=0.75m/s火源Av2=1m/s火源Av2=1.25m/s火源Av2=1.5m/sTmax/Kv1/(m/s)火源Bv2=0.5m/s火源Bv2=0.75m/s火源Bv2=1m/s火源Bv2=1.25m/s火源Bv2=1.5m/s图2不同火源位置顶板下方最高烟气温升图中，ΔTmax为顶板下方烟气最高温升，K。如图2所示，当v2不变，v1增大时，来流对火源热烟羽挤压不断增强，加速烟气垂直沉降，造成火源A、B顶板下方烟气温度降低；当v1不变，v2增大时，烟气垂直沉降减弱，火源A、B的顶板下方烟气温度增大。当v1、v2相同时，火源B受拱形壁面影响，顶板下方烟气温度高于A处；v1对顶板下方烟气最高温度影响较大，但随v1增大，火源位置对顶板下方烟气温度影响范围逐渐减小。为进一步预测顶板下方最高烟气温度，定义无量纲温升及风速如下：**0;;maximaxiTvTvTgH（3）式中，T0为环境温度，K；vi为风速，m/s，i=1、2，分别为送风速度、诱导风速；H为隧道高度，m；g为重力加速度，m/s2。火源A、B顶板下方烟气最大温升ΔTmax*随v1*、v2*变化无量纲关系准则式见表3。表3不同火源位置ΔTmax*随v1*、v2*变化的无量纲关系准则式A△T*max=4.68-11.42v1*+4.1v2*+10.82v1*2-5.7v1*v2*+4.29v2*2R2=0.990.06v1*0.31,0.06v2*0.19B△T*max=5.06-10.81v1*-0.51v2*+5.67v1*2+3.03v1*v2*+14.78v2*2R2=10.06v1*0.31,0.06v2*0.194风口位置烟气温度衰减为定性分析衰减幅度，取火源上下游区域的3个风口位置处为参考点分析烟气温度的水平、垂直衰减幅度。4.1烟气温度水平衰减定义烟气温度水平衰减幅度如下：,,,ventiuhTventimaxTT（4）式中，ΔTvent,u为i#风口位置处相对于环境温度的顶板下方最高烟气温升，i=1、2、3。水平衰减幅度值越小，表明烟气温度越低，衰减越快。各风口处温度水平衰减规律类似，1#~3#风口位置处烟气温度水平衰减规律见图3。0.250.500.751.001.251.501.752.002.252.502.750.000.050.100.150.200.250.300.350.40火源Av2=0.5m/s火源Av2=0.75m/s火源Av2=1m/s火源Av2=1.25m/s火源Av2=1.5m/sv1/(m/s)h,T,vent1火源Bv2=0.5m/s火源Bv2=0.75m/s火源Bv2=1m/s火源Bv2=1.25m/s火源Bv2=1.5m/s0.250.500.751.001.251.501.752.002.252.502.750.00.10.20.30.40.50.6火源Bv2=1.25m/s火源Bv2=1.5m/s火源Av2=1.25m/s火源Av2=1.5m/s火源Av2=0.5m/s火源Av2=0.75m/s火源Av2=1m/sv1/(m/s)h,T,vent2火源Bv2=0.5m/s火源Bv2=0.75m/s火源Bv2=1m/s0.250.500.751.001.251.501.752.002.252.502.750.000.050.100.150.200.25h,T,vent3火源Bv2=1m/s火源Av2=1.25m/s火源Av2=1.5m/s火源Av2=0.5m/s火源Av2=0.75m/s火源Av2=1m/sv1/(m/s)火源Bv2=0.5m/s火源Bv2=1.25m/s火源Bv2=0.75m/s火源Bv2=1.5m/s图3不同火源位置风口处烟气温度水平衰减火源上游区域（1#风口），烟气温度水平衰减受v1影响较大，v2影响较小，当v1不变，v2增大时，火源A、B的温度水平衰减变化较小，但火源B因壁面影响，受v2影响较火源A明显；当v2不变，v1增大时，火源A、B的温度水平衰减均加快；v1、v2相同时，火源B烟气温度水平衰减缓于火源A的情况。火源下游区域（2#、3#风口），烟气温度水平衰减受v1影响较小，v2影响较大，当v1不变，v2增大时，火源A、B的温度水平衰减趋缓；当v2不变，v1增大时，火源A、B的温度水平衰减均加快；v1、v2相同时，火源B烟气温度水平衰减缓于火源A的情况。火源A、B的温度水平衰减幅度随v1*、v2*变化的无量纲准则式见表4。表4温度水平衰减幅度随v1*、v2*变化的无量纲准则式Aξh,T,vent1=0.06-0.06v1*+0.002v2*+0.01v1*2+0.003v1*v2*+0.0005v2*2R2=0.990.06v1*0.31,0.06v2*0.19ξh,T,vent2=0.51-1.36v1*-1.97v2*+3.12v1*2+1.44v1*v2*+3.17v2*2R2=0.970.06v1*0.31,0.06v2*0.19ξh,T,vent3=0.19+0.09v1*-1.85v2*-0.38v1*2+1.11v1*v2*+3.47v2*2R2=10.06v1*0.31,0.06v2*0.19Bξh,T,vent1=0.19-0.07v1*+0.02v2*+0.02v1*2-0.006v1*v2*+0.0007v2*2R2=0.990.06v1*0.31,0.06v2*0.19ξh,T,vent2=0.43+0.04v1*-0.01v2*-0.01v1*2+0.01v1*v2*-0.002v2*2-0.001v1*2v2*+0.003v1*v2*2-0.001v2*3R2=0.990.06v1*0.31,0.06v2*0.19ξh,T,vent3=0.12+0.02v1*-0.04v2*-0.003v1*2+0.001v1*v2*+0.006v2*2R2=0.990.06v1*0.31,0.06v2*0.194.2烟气温度垂直衰减定义烟气温度垂直衰减幅度如下：,,,,,ventiuventilvTventiventiuTTT（5）式中，ΔTvent,l为i#风口处相对于环境温度的地面上方最高烟气温升，取地面上方0.3m处为计算依据。垂直衰减幅度值越大，表明地面上方温度越接近环境温度，即垂直衰减越快。各风口处温度垂直衰减规律类似，1#~3#风口位置处烟气温度垂直衰减规律见图4。0.250.500.751.001.251.501.752.002.252.502.750.700.750.800.850.900.951.00火源Av2=0.5m/s火源Bv2=0.5m/s火源Av2=0.75m/s火源Bv2=0.75m/s火源Av2=1m/s火源Bv2=1m/s火源Av2=1.25m/s火源Bv2=1.25m/s火源Av2=1.5m/s火源Bv2=1.5m/sv1/(m/s)v,T,vent10.250.500.751.001.251.501.752.002.252.502.750.20.30.40.50.60.70.80.9v,T,vent2火源Bv2=0.5m/s火源Bv2=1.25m/s火源Bv2=0.75m/s火源Bv2=1.5m/s火源Bv2=1m/s火源Av2=1m/sv1/(m/s)火源Av2=0.5m/s火源Av2=1.25m/s火源Av2=0.