冯 霄，李炎锋，李俊梅，许 鹏

（北京工业大学建筑工程学院，北京 100124）

纵向通风地下道路火区风压损失分析及应用

冯 霄，李炎锋，李俊梅，许 鹏

（北京工业大学建筑工程学院，北京 100124）

为了解决地下道路纵向通风系统设计中计算火灾工况下的火区风压损失问题，基于热力学平衡关系建立了火区风压损失模型，并得到了半经验计算公式，利用模型实验和数值模拟对公式的有效性做了初步验证，并以工程实例展示了火区风压损失对隧道内压力与风速分布的影响.结果表明：在临界风速下，火区的风压损失与对流热释放速率成正比，与上游风速和隧道断面积成反比；提出的计算公式与隧道火灾实验拟合公式得出的规律一致且结果接近，具有明确的理论基础和风速取值；为使地下道路通风系统阻力计算准确可靠，进而制定有效的应急通风运行方案，有必要考虑火区的风压损失，提出的风压损失公式经深入验证后可用于设计计算.

地下道路；火灾；风压损失；临界风速；热压力

采用纵向通风方式的城市地下道路，设计要求通风系统在隧道内发生火灾时能够产生与隧道行车方向一致的最小风速（即临界风速），推动烟气向隧道下游流动.Wu等［1］提出了成熟的临界风速计算公式.临界风速确定以后，还要进行通风系统阻力分析与计算，以便进行通风系统配置和运行方案制定.正常运营时，隧道内通风压力损失主要源于隧道壁面摩擦产生的沿程阻力损失和隧道断面面积改变引起的局部阻力损失.隧道发生火灾时，火源燃烧释放热量，风流受热体积膨胀和黏性扩散导致额外的通风压力损失（亦称火区阻力），类似于热流体学中气流通过加热区的静压降［2］.当火区下游的隧道具有一定坡度时，还会出现火风压.国内现行设计规范是针对公路隧道（以山岭隧道为主）制定的，火灾工况下的通风阻力计算考虑了火风压，忽略了火区通风压力损失［3］.城市地下道路与山岭公路隧道相比，隧道结构形式和外界风环境都有所差异.地下道路的纵平面线形一般呈凹形，以平直段为主，自然风和火风压的影响都没有公路隧道那么大.此时火区风压损失就成为一个重要因素，在通风系统阻力计算时应给予合理考虑.

火区风压损失分析最早源于井巷火灾研究. Lee等［4］在井巷模型中测试了火区前后的压差变化幅度.周延［5］和程小虎等［6］借鉴井巷火灾的研究思路，分别提出了水平隧道火区阻力计算公式.周延的火区阻力概念包含了火区的加速阻力和火区下游的摩擦阻力，并指出在火区长度较小时，加速阻力成为火区阻力的主要部分.周延的分析没有恰当地考虑火区的热力学平衡关系，火源下游气流加速源于火源燃烧热量和质量的加入，不能直接从风流在火区前后的动压能变化计算静压能损失.程小虎的火区阻力概念由可燃物的绕流阻力、绕流阻力在火灾时的增大部分以及火源产生的热阻力3部分组成，火区阻力与火灾规模成线性关系，与火区入口风速存在二次曲线关系，在风速不影响热释放速率的条件下，附加通风阻力与火区入口风速成正比.这与王明年等［7］所做的公路隧道模型试验得到的测试结果并不一致，试验中同等火灾规模情况下，随风速的增加火区上下游间的全压差逐渐减小.这说明程小虎假设火区前后为均匀管流进行分析得出的结论存在问题.Dutrieue等［8］采用Fluent软件以体积热源表示火源，进行大量数值模拟后拟合得到一个隧道火灾风压损失公式，将火区阻力和火区后的隧道沿程阻力合并考虑，体积热源也不能准确地反映复杂的燃烧过程.法国隧道研究中心［9］给出了一个实验拟合公式，但是没有提供实验数据来源，也缺乏相应的理论分析.

综上所述，可以看出目前还没有既具备理论基础又能满足工程需要的火区风压损失计算公式.首先，本研究将在分析火区热力学平衡关系基础上提出一个临界风速下的火区风压损失公式，该公式只计算单纯的火区阻力，不包括下游的摩擦阻力.然后，通过模型实验和数值模拟给予验证.最后，以工程案例的方式说明其应用价值.

1　火区风压损失理论分析

1.1理论公式推导

在采用纵向通风方式的地下道路中，火灾烟气的流动形态随上游风速v的增大而转变，如图1所示.当隧道内风速较小时，火羽流呈现为向两侧扩散的顶棚射流，见图1（a）；上游风速增大过程中，火羽流逐渐向下游一侧偏斜，见图1（b）.当隧道内风速达到或高于临界风速vc时，火羽流形态发生彻底转变，完全偏向下游一侧，见图1（c）.

综合考虑火灾规模和隧道结构参数因素计算得到临界风速之后，通风阻力计算关注的是上游风速约等于临界风速时的情形.如图2所示，此时火区上游为均匀流，上游空气流经火区时，一方面卷吸到火羽流中受热膨胀，在上游一侧产生与风流方向相反的局部升压力，另一方面风流在浮力卷吸和湍流掺混过程中黏性扩散，这两方面是形成火区风压损失的主导因素.此外，火区下游一侧为分层流，上层热烟气沿程与下层空气不断掺混，同时以对流和辐射形式向隧道壁面传热.而靠近火区的下层空气受浮升羽流的卷吸作用，抵消了热烟气在下游一侧的膨胀作用.总之，下游侧的分层流对全断面的空气流动没有附加有效的推动力.

把图2中隧道断面1与断面2间的火区作为控制体考虑，p1为风流进入火区前的静压，p2为火区后下层风流的静压，火区的风压损失为

Δp是由燃烧产生的烟气和流入火源处的空气受热膨胀以及黏性扩散产生的.从热力学宏观能量平衡的角度，假设当火羽流流动形态相似时，风流静压能损失等于单位时间内一定比例的火源对流释放热（用α表示，为总热释放速率，为对流热释放速率，≈0.67）对风流所做的负功，此时有

式中ΔV=Va+Vs为单位时间内进入火区的气体体积，大量研究表明，燃烧热解产生的烟气量Vs远小于上游流入和卷吸的空气量Va，故

式中：A为火源处的隧道断面积；v为火区上游隧道断面的平均风速.火区的风压损失为

式（3）表明，在V≈Vc时，火区风压损失与对流热释放速率成正比，与火区上游的风速v和断面积A成反比.当v＜vc或v＞vc时，变化趋势不变，与王明年等［7］所做的公路隧道火灾模型试验得到的结果一致，但火羽流流动形态不再相似，火区风压损失与其影响因素不再保持线性关系.

1.2经验常数α确定

通过分析法国隧道研究中心（CETU）相关实验结果，其中风速范围在1.5～3.5 m/s，拟合得到的近似公式为［9］

参考拟合式（4），并比较表1中典型隧道断面面积与水力直径平方的值，可以得到α≈8×10-5，这也说明在流动形态相似时α约为一常数的假设是合理的.

表1　典型隧道断面面积与水力直径平方的比较Table 1 Comparison of cross-sectional area and hydraulic diameter squared for typical tunnels

2　火区风压损失公式验证

式（4）没有考虑火区风压损失与临界风速的关联性，为了进一步验证式（3）的有效性和准确性，分别进行了模型实验测试和数值模拟.

2.1火区风压损失的模型实验测试

在1∶8缩尺模型（原型为断面8 m×5 m双车道地下道路）内，使用TSI DP-CALC Model 8710微气压计（精度0.01 Pa），测试了不同火灾规模和对应临界风速下火区前后的压差变化.

实验台构造如图3所示，纵向风速由连接在模型左端的柜式离心风机提供，通过调节变频器来改变风速.火源系统由燃气罐、减压阀、流量计和燃烧器组成，采用液化石油气作为燃料，通过调节燃气流量可以模拟不同功率的火源.燃气火源的热释放速率为

当风速较大时，燃烧器会自动熄火，所以只进行了2组低风速下的实验测试.如图3所示，实验模型由8节2 m长的模块拼接而成，实验时，火源设置在自风机端起的第5节模块底面中部，2个压差测点分别设置在第4节模块和第6节模块的中部，竖向上也处于中间位置.处理后的实验数据如表2所示.根据NFPA92B［12］提供的火灾实验中压差和风速的相似关系（Δpm=ΔpF（lm/lF），vm=vF（lm/ lF）1/2），计算得到原型隧道内的火源压力损失值，并用式（3）计算得到2种火灾工况下火源压力损失值.

表2　模型实验测试数据表Table 2 Test data of model experiments

对比表2中2种工况下压差变化数据可以发现，在风速变化不大的情况下，火源功率增大1倍，火源前后的压差也增大了1倍左右，这与式（3）中压差与火源功率的关系是一致的.但是换算到原型隧道，换算值都比公式计算值要低很多，其中5 MW 和10 MW工况时，测试换算值最高分别是公式计算值的47%和68%，这种情况是由于风流与火羽流相互作用时，NFPA92B给出的相似关系不适用于风流参数换算造成的.下面将用原型隧道数值模拟弥补模型实验的不足.

2.2火区风压损失的数值模拟

使用经过广泛验证的火灾动力学模拟软件（fire dynamics simulator version 6，FDS6）［13-14］对双车道地下道路（断面为8 m×5 m）在不同火源热释放率（heat release rate，HRR）和相应临界风速下火区前后的压差（Δp）进行了模拟计算，主要模拟参数见表3.计算临界风速采用了Wu等［1］的公式.如图4所示，在城市地下道路的火灾范围内（5～30 MW），式（3）的计算结果与模拟结果非常接近.数值模拟初步验证了式（3）在常规双车道地下道路中的准确性，今后还要考查在较宽隧道及阻塞比（起火车辆截面积与隧道断面积之比）较大时公式的适用性，最终明确其适用范围和系数取值.

表3　FDS6模拟参数Table 3 Input parameters in FDS6

3　火区风压损失公式的工程应用

下面以某城市江底隧道的北线为例，说明火区压力损失公式在实际工程中的应用.该工程北线主隧道全长2 464 m，隧道纵断面坡度曲线如图5中红线所示.隧道中布置了13组射流风机（每组2台，单台功率22 kW）.为突出说明火区风压损失对隧道内压力分布和风速的影响，采取了简化分析，即没有包含与主隧道相连的2条匝道.

设计火源功率取30 MW，起火点设在距隧道入口800 m处.应用隧道通风一维分析软件（IDA-road tunnel ventilation，IDA-RTV），依据隧道设计图纸进行建模并计算，得到无火源时隧道内风机运行形成的压力分布曲线和风速，见图5.再利用之前得到的式（3）计算30 MW火源在此隧道内产生的压力损失，将结果输入IDA-RTV，再次计算得到火灾时隧道内风机全部运行形成的压力分布曲线和风速，如图6所示.对比图5与图6中的结果可以看出，火源的压力损失与1组风机提供的升压力量值相当，对隧道内压力分布和速度有显著影响，在隧道通风系统设计时应该考虑这一损失项.计算结果还显示，火灾时隧道火源上游的风速为3.43 m/s，比无火源时的3.50 m/s要低，这显示了火源烟气热膨胀所导致的节流效应.此外，对比图5和图6中火源下游的静压和全压曲线还能看到烟囱效应对坡度隧道内压力分布的影响，高温烟气在火源下游的上坡隧道内产生的烟囱效应减少了静压和全压损失.考虑火区压力损失才能得到接近设计火灾场景的隧道压力分布情况，这种情况在复杂隧道和对向隧道间有联络通道时更加重要，考虑火区压力损失才能得到准确的网络风流分配参数，是制定火灾应急通风策略的依据.

4　结论

1）以火区下游呈现分层流为前提，应用热力学平衡关系，得到了与临界风速相关联的火区风压损失计算公式.在火区上游风速为临界风速时，火区阻力与对流热释放速率成正比，与火区上游风速和断面积成反比.参照实验拟合公式，确定了火区风压损失公式中的经验常数.

2）模型实验测试数据对比结果符合火区风压损失公式中压差与火源功率的关系，表明火灾实验相似关系不适用于风流压差换算.数值模拟初步验证了火区风压损失公式在双车道地下道路中应用的准确性，在隧道宽度及阻塞比较大时的适用性还有待考查.

3）将火区风压损失公式的计算结果输入隧道通风一维模型，并应用于工程实例，结果表明：火区风压损失对隧道内压力分布和速度有显著影响，在通风阻力计算时考虑火区风压损失，才能获得准确的风流参数.

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（责任编辑 郑筱梅）

Analysis and Application of Pressure Loss Through Fire Zone in Longitudinal Ventilated Underground Road Tunnels

FENG Xiao，LI Yanfeng，LI Junmei，XU Peng
（College of Architecture and Civil Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China）

In order to solve the problem about how to calculate the pressure loss through fire zone （PLTFZ）during fire case in longitudinal ventilation system design for underground road tunnels，a model for the PLTFZ was built based on thermodynamic balance，which yielded a semi-empirical formula. Model experiments and numerical simulations were used to validate the formula preliminarily，while a real project was adopted to illustrate the effect of PLTFZ on the pressure and air velocity distribution in the tunnel.The results show that given the critical air velocity，the PLTFZ is proportional to convective heat release rate and inversely proportional to the air velocity upstream and the tunnel cross-sectional area. And the formula is consistent with the correlation formula obtained from tunnel fire test and achieve close results，while it is better at clear theoretical foundation and air velocity values.It is necessary to consider the PLTFZ to make resistance calculation of ventilation system for underground road tunnels accurate and reliable，thus it develops an effective operation scheme for emergency ventilation，and after thorough verification the proposed PLTFZ formula can be used in the design calculations.

underground road tunnels；fire；pressure loss；critical air velocity；thermal pressure

TU 96+2

A

0254-0037（2016）01-0081-06

10.11936/bjutxb2015040062

2015-04-22

国家自然科学基金资助项目（51278018）

冯 霄（1985—），男，博士研究生，主要从事城市隧道通风与火灾烟气控制方面的研究，E-mail：fengxiao@ emails.bjut.edu.cn