1?模型建立

南京城東干道隧道是貫穿南京市區(qū)南北的一條城市公路隧道，全長?2660 m。該隧道包含白下路和軍區(qū)隧道兩段，其中白下路隧道全長890 m，軍區(qū)隧道全長1770 m。每段隧道均含3?種結(jié)構(gòu)形式：位于隧道進出口的敞開段、頂部開口的半敞開段和頂部封閉的暗埋段。其中白下路隧道寬12.35 m，高5.55 m；軍區(qū)隧道一部分隧道橫截面尺寸與白下路隧道相同，另一部分隧道寬?12.85 m，高?5.75 m。各段隧道開口橫截面均為7.2 m×2.6 m，兩開口之間相距?8.8 m，在每個開口內(nèi)靠近隧道頂部，均有一個寬?0.8 m、高?2.0 m?的梁。為了防止雨水進入隧道，各開口內(nèi)均設(shè)置遮雨板。

1.1?數(shù)學(xué)模型

1）流動模型

火災(zāi)過程中各狀態(tài)參數(shù)如密度、速度、壓力及溫度遵循自然界普遍成立的質(zhì)量守恒、動量守恒、能量守恒及化學(xué)反應(yīng)的定律?；馂?zāi)釋放出大量的熱，空氣的浮升運動十分強烈，此時空氣密度的變化已不可忽視，必須考慮浮升力的影響。由于火災(zāi)引起隧道內(nèi)的空氣流速較低，空氣的壓縮性可以忽略，因此火災(zāi)時的流場為具有浮升力作用的典型的三維、瞬態(tài)、粘性、不可壓縮湍流流場。如果采用k-ε兩方程湍流模型，并根據(jù)?Bousinnesq?假設(shè)，則流場控制方程如下：

式中：xi，xj，xk為空間坐標(biāo)的分量（m）；ui,uj為風(fēng)速的分量（m / s?）；t?為時間（s?）；P?為壓強（Pa）；g?為重力加速度(m2/ s)；T?為煙氣溫度（℃）；T0為煙氣基準(zhǔn)溫度（℃）；為空氣密度（kg/m3）；為空氣的體積膨脹率（1/℃）；k?為湍流動能（m2/ s2）；ε為湍流動能的耗散率（m2/s3）；μ為空氣的黏性系數(shù)（kg/(m?s)；μt為渦黏性系數(shù)（kg/(m?s))；模型常數(shù)：Cμ= 0 . 0 9?，C1=1.44，C2=1.92，σκ=1.0，σε=1.3；Φ表示焓或組分濃度，Τ和SΦ分別表示廣義擴散系數(shù)和廣義源項。

2）燃燒模型

在CFD?火災(zāi)模擬過程中主要包含?3?種燃燒模型，分別是：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種燃燒模型中，VHS是最簡單易行的，它不僅能夠使計算過程簡化，而且計算量小，并能夠滿足火災(zāi)危險分析的要求。本文選擇?VHS?燃燒模型。

3）物理模型

隧道火災(zāi)的安全設(shè)計，應(yīng)滿足最不利的火災(zāi)情況，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生在暗埋段時，火區(qū)的高溫?zé)煔庋厮淼理敳苛鲃?，直至敞開或半敞開段處排出，這是最不利的火災(zāi)情況。因此，選擇最長的暗埋段及與之相連的半敞開段作為計算的物理模型來進行火災(zāi)CFD?模擬分析。

經(jīng)比較，軍區(qū)隧道中具有一段由“半敞開（144 m）－暗埋（230 m）－半敞開（311 m）－暗埋（249 m）－敞開段（170 m）”約1104m?的隧道段，這段隧道中的暗埋段是隧道中最長的。當(dāng)火災(zāi)發(fā)生在230 m暗埋段時，由于兩端均為半敞開段，火區(qū)兩端的流動阻力相當(dāng)，高溫?zé)煔庵荒軓陌氤ㄩ_段的開口排出，因此，選取230 m暗埋段中點位置為最不利的火災(zāi)工況。在不考慮沿隧道方向坡度影響的情況下，為減小計算量，利用對稱性，選取一半的隧道長度進行計算?？紤]到最長的暗埋段將近?250 m，為安全計，計算中將暗埋段加長，因此最終的隧道計算長度為“144 m?敞開段＋130 m?暗埋段”，共計?274 m。（www.gxshunjiang.com）

1.2?數(shù)值方法及邊界條件

1）數(shù)值方法

本文應(yīng)用大型流體力學(xué)計算軟件?STAR-CD?對隧道內(nèi)火災(zāi)的煙氣流動進行計算分析，該軟件采用的數(shù)值計算方法為有限容積法。計算中壓力與速度的耦合采用?PISO?算法，時間差分采用全隱式差分格式，計算時間步長為?0.2 s，空間差分格式選取QUICK?格式。

2）網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分結(jié)果見圖1，考慮浮升力的影響，火區(qū)附近及隧道高度方向的網(wǎng)格劃分較密，整個計算域為六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，共計約100×104?個單元。

3）邊界條件

由于利用對稱性，因此在計算域火區(qū)一端設(shè)定對稱邊界條件；隧道壁面給定考慮傳熱的墻體邊界條件，墻體溫度給定隧道所在地區(qū)的夏季室外通風(fēng)干球溫度?32℃，換熱系數(shù)為考慮煙氣輻射和對流的綜合換熱系數(shù)，隧道壁面摩擦阻力系數(shù)取0.02；在隧道半敞開段的開口及遠離火區(qū)的計算域的另一段，給定壓力邊界，壓力大小為環(huán)境壓力。

4）火災(zāi)發(fā)熱率

根據(jù)公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計規(guī)范（JTJ 026.1-1999），按一般隧道火災(zāi)選取發(fā)熱量為?20 MW，這相當(dāng)于一輛公共汽車或卡車著火時的發(fā)熱量。

2?穩(wěn)態(tài)條件下隧道煙氣流動特性計算

2.1?隧道原始設(shè)計方案

在南京城東干道隧道的初始設(shè)計方案中，半敞開段均由大小為?3.6 m×2.6 m?的連續(xù)開口組成，兩開口之間由寬?0.8 m、高?2.0 m?的梁間隔，如圖2所示。在僅僅?144 m?長的半敞開段中，共計有35個開口。

2.2?穩(wěn)態(tài)煙氣流動計算分析

由于南京城東干道隧道采用的是隧道頂部開口的自然通風(fēng)排煙方式，因此首先需對該種設(shè)計通風(fēng)方式進行計算，一方面檢驗其能否滿足通風(fēng)排煙要求，另一方面也可以根據(jù)計算結(jié)果對原始設(shè)計方案特別是開口設(shè)計方案進行改進和優(yōu)化。

為此，對原始設(shè)計方案進行了火災(zāi)計算分析。計算的網(wǎng)格劃分見圖3。計算在穩(wěn)態(tài)條件下進行，火災(zāi)發(fā)熱量為?20 MW，邊界條件的設(shè)置亦如前所述。

在穩(wěn)態(tài)條件下，隧道內(nèi)有開口一側(cè)的速度及溫度分布計算結(jié)果見圖4。從圖中可以看出，雖然在半敞開段共計設(shè)置了?35?個開口，但高溫?zé)煔鈨H僅擴散到第?9?個開口（距暗埋段約?45 m）就已基本全部排出隧道外，也就是說，只有與暗埋段相連的約9個開口真正起到了排出高溫?zé)煔獾淖饔?，而其余開口均幾乎起不到排煙作用。

為了更清楚給出各開口排出煙氣的情況，圖5給出了半敞開段各開口的排風(fēng)量及排風(fēng)溫度的分布情況。從圖中可以明顯看到，到達半敞開段的第9個開口以后，排風(fēng)量已經(jīng)很小，接近于 0，排風(fēng)溫度也已降至 50℃以下（環(huán)境溫度為 32℃）。由此可以看出，在現(xiàn)有的隧道橫截面及開口條件下，高溫?zé)煔庠诎氤ㄩ_段的擴散距離僅為45 m，在45 m 以外的地方開口從火災(zāi)防排煙的角度講已經(jīng)沒有多大的意義。為了進一步驗證這一結(jié)論，將圖3 中位于半敞開段中間的第 16-25（共計 10 個）開口封閉，只保留開始的 15 個和另一端的10 個（共計25 個）開口，此時各開口的排風(fēng)量及排風(fēng)溫度計算結(jié)果見圖6。圖 6 的計算結(jié)果進一步表明了中間部分開口封閉對高溫?zé)煔獾臄U散影響很小，同樣只有半敞開段的前面45 m內(nèi)的開口真正起到了排風(fēng)作用。

由此可以得出這樣的結(jié)論，對于南京城東干道隧道現(xiàn)有的設(shè)計橫斷面形式，在20MW的火災(zāi)發(fā)熱強度下，高溫?zé)煔庠诎氤ㄩ_段的擴散距離僅為45m。

2.3?對原有開口設(shè)計方案的改進

通過上述計算，除了確定高溫?zé)煔庠诎氤ㄩ_段的擴散距離外，還對半敞開段的原始開口設(shè)計方案進行了改進。改進的基本原則是盡可能在半敞開段的起始段盡可能多開口，以利于高溫?zé)煔獾呐懦觥?/p>

3?結(jié)論

根據(jù)CFD?模擬可知隧道內(nèi)高溫?zé)煔饬鲃右?guī)律，因此可以得出如下結(jié)論：在豎井型城市隧道具有連續(xù)開口的半敞開段中，高溫?zé)煔獾臄U散距離是一定的，亦即只有與暗埋段相連的幾個開口能真正起到排煙作用，遠離暗埋段的開口并不能起到真正意義上的排煙作用，高溫?zé)煔庠诎氤ㄩ_段的擴散距離為45 m。

因此，豎井型城市隧道在建設(shè)過程中，為了保證自然排煙能滿足隧道火災(zāi)工況下的排煙要求，必須在隧道半敞開段的起始段盡可能多開口，這樣既有利于高溫?zé)煔獾呐懦?，又有利于隧道?nèi)人員的逃生。