旁通管道尺寸对逃生隧道中防火门开启压力的影响

《TUNNELLING AND UNDERGROUND SPACE TECHNOLOGY》：Effect of bypass duct size on the opening pressure of fire doors in an escape tunnel

本研究通过数值模拟探究隧道逃生通道中供气压力与旁通风道尺寸对静压差（SPFD）的影响，发现压力阈值50Pa和风道面积2.6m2为关键参数，优化设计可平衡压力稳定与成本效益。

　　随着城市地下交通网络的不断发展，紧急逃生隧道已成为保障隧道火灾中人员安全撤离的重要设施。这些隧道不仅有助于缓解交通拥堵，还能在突发事故时为公众提供快速疏散通道。然而，在实际应用中，如何有效控制逃生隧道内的压力变化，防止烟雾进入，是确保安全撤离的关键所在。本文通过对不同供风压力和旁通通风管道尺寸的数值模拟分析，探讨了这些因素对逃生隧道内空气流动速率、旁通通风管道出口压力以及防火门两侧的静压差（SPFD）的影响，旨在为隧道逃生系统的优化设计提供科学依据。

在现代城市交通体系中，隧道数量的增加意味着火灾风险的上升。尤其是在中国，由于高速公路隧道建设规模庞大，其总长度和复杂性在全球范围内处于领先地位。这种规模和复杂性使得隧道火灾的后果更加严重，不仅可能导致人员伤亡，还可能对基础设施造成重大破坏。因此，如何在火灾发生时快速有效地引导人员撤离，成为工程设计和安全规划中的核心议题。紧急逃生隧道的设计，不仅要考虑其结构的坚固性和疏散效率，还需要在通风系统中实现精准的压力控制，以确保在火灾发生初期，人员能够安全地进入逃生通道。

当前，许多国家和地区已制定相应的隧道建设与运营标准，强调紧急逃生隧道应具备有效的通风系统，以维持通道内的正压环境，从而防止烟雾和有毒气体的侵入。在这些标准中，防火门两侧的静压差（SPFD）被认为是保障逃生通道安全的关键指标之一。SPFD不仅影响空气流动的方向和速率，还决定了防火门在紧急情况下的开启效率。然而，由于隧道内部复杂的空气流动环境以及火灾过程中防火门两侧的动态压力变化，维持稳定的SPFD变得尤为困难。因此，旁通通风管道作为一种压力调节装置，被广泛应用于逃生隧道中，以实现合理的压力分布。

研究表明，旁通通风管道的尺寸和设计对SPFD的控制具有重要影响。一方面，管道的尺寸决定了其在火灾条件下的通风能力；另一方面，管道的布置方式和连接结构也会影响整体压力调节效果。例如，某些研究指出，当供风压力超过一定阈值（如50帕）时，不同尺寸的旁通通风管道在出口压力上的差异会变得明显。这意味着，在设计通风系统时，需要综合考虑供风压力和管道尺寸之间的关系，以确保在火灾发生时能够维持足够的压力差，防止烟雾进入逃生通道。

此外，供风速度对SPFD的影响同样不容忽视。在较高的供风速度下，如7米/秒，旁通通风管道的尺寸和布局将直接影响空气流动的均匀性和压力稳定性。某些研究发现，当旁通通风管道的面积达到一定阈值（如2.6平方米）后，进一步增加其尺寸对压力稳定性的影响趋于平缓。这表明，在优化逃生隧道通风系统时，需要在管道尺寸与供风速度之间找到一个平衡点，以确保在不增加过多成本的前提下，实现最佳的气流控制效果。

本文的研究对象是一个长度为1000米的地下隧道逃生通道，通过数值模拟的方法，对不同供风压力和旁通通风管道尺寸的影响进行了系统分析。研究结果表明，供风压力的增加会导致供风速度的提升，从而在逃生通道内形成更强的气流，有助于驱散烟雾并维持SPFD。然而，当供风压力超过一定阈值时，其对SPFD的影响可能不再显著，甚至可能因气流过强而导致压力波动，影响逃生通道的稳定性。因此，在实际工程中，供风压力的设定需要结合逃生通道的具体条件和通风系统的设计参数，以实现最佳的气流控制效果。

同时，旁通通风管道的尺寸也被证明对SPFD的控制具有显著影响。研究发现，较大的旁通通风管道能够提供更好的压力调节能力，有助于维持SPFD在安全范围内。然而，管道尺寸的增加也会带来一定的成本和空间占用问题。因此，在设计逃生隧道通风系统时，需要综合考虑管道尺寸与压力调节需求之间的关系，以实现经济性和安全性的最佳平衡。此外，研究还指出，在高供风速度下，旁通通风管道的尺寸对SPFD的影响呈现出非线性特征，即在某个临界尺寸之前，管道尺寸的增加能够显著提升压力稳定性，而超过该临界值后，效果则趋于平缓。

为了确保模拟结果的可靠性，本文采用了结构化网格进行建模，并对关键区域如防火门、供风口和旁通通风管道进行了局部网格细化，以提高计算精度。同时，通过控制Y+值在合理范围内，确保了壁面边界层的准确计算。研究还通过根均方误差（RMSE）小于2%的标准对模型进行了验证，以确保数值模拟结果的科学性和实用性。

尽管本文的研究成果为逃生隧道的通风系统设计提供了重要的理论支持，但研究也存在一定的局限性。例如，本文主要关注在防火门关闭情况下的供风系统性能，而实际火灾中防火门的开启可能会对旁通通风管道的气流分布和压力变化产生重要影响。因此，未来的研究可以进一步探讨防火门开启对系统性能的具体影响，以提供更全面的设计建议。

总的来说，本文的研究表明，供风压力和旁通通风管道尺寸是影响逃生隧道压力控制的关键因素。通过合理优化这些参数，可以有效提升隧道火灾时的逃生安全性和通风系统的稳定性。这些研究成果不仅有助于提高现有隧道逃生通道的安全性，也为未来复杂隧道系统的应急设计和优化提供了科学依据。在实际工程应用中，设计人员应充分考虑这些因素，结合具体场景和需求，制定合理的通风系统方案，以确保在火灾等紧急情况下，逃生通道能够发挥应有的作用，保障人员生命安全。