王 文 孫三祥 石彬彬

火源橫向位置對隧道煙氣分布的影響

王 文1孫三祥2石彬彬3

（1.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 渭南 714000；2.蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院 蘭州 730070；3.甘肅林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 天水 741020）

依托工程實際，采用數(shù)值模擬方法研究隧道火源位于不同車道時，隧道臨界風(fēng)速、溫度、煙霧分布擴散規(guī)律。結(jié)果表明：縱向通風(fēng)速度不大于臨界通風(fēng)速度時，火源下游段隧道棚頂溫度呈e函數(shù)下降，當(dāng)通風(fēng)速度大于臨界通風(fēng)速度時，該規(guī)律不再適用?；鹪次挥趥?cè)壁面時，由于隧道側(cè)壁面的限制作用，其近火源區(qū)煙氣運移呈“之”字形向隧道出口處蔓延，隧道棚頂不同縱向溫度線呈滾動式交替變化。

數(shù)值模擬；臨界風(fēng)速；煙霧分布；滾動式

0 引言

隧道火災(zāi)煙氣運移研究過程中，主要考慮煙氣一維縱向運移，對隧道火源附近煙氣震蕩研究較少。實際公路隧道大都為多車道隧道，車輛一旦在隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)事故，由于火源所處車道的不同，隧道內(nèi)煙氣及溫度擴散過程也存在較大差異。

Colomba Di Blasi等[1]研究了火焰形狀、大小和位置的變化對臨界速度的影響。Soufien Gannouni等[2]模擬研究了車輛障礙物堵塞的隧道內(nèi)的火災(zāi)熱浮力流分層問題。Roh J S等[3]采用弗勞德標(biāo)度法進行了1/20縮尺實驗，研究了縱向通風(fēng)速度對隧道火災(zāi)燃燒速率的影響及煙氣運動規(guī)律。Sina S等[4,5]采用縮尺隧道模型試驗結(jié)合FDS數(shù)值模擬的方法，分析了隧道火災(zāi)燃燒速率、放熱速率和煙氣反分層等因素對隧道火災(zāi)燃燒速率、放熱速率和煙氣反分層的影響。Baochao Xie等[6]采用火災(zāi)動力學(xué)模擬軟件FDS模擬分析了隧道火災(zāi)中豎井橫截面積和長寬比（長寬比）對自然排煙的影響。覃日富[7]基于FDS數(shù)值模擬方法，分析了螺旋隧道中煙浮升力、離心力和浮力之間的關(guān)系以及影響范圍，總結(jié)了螺旋隧道的火災(zāi)煙氣蔓延特性。黃家成等[8]采用FDS數(shù)值模擬軟件，對多匝道公路隧道的煙氣流動規(guī)律進行模擬，分析坡度、彎曲度、匝道對煙氣蔓延的影響。

依托某多車道城市隧道工程實際，建立隧道火災(zāi)數(shù)值模擬分析模型。以恒定熱釋放率、發(fā)煙率為模擬條件，研究火源布置于不同車道式、不同通風(fēng)速度狀況下的隧道縱向溫度分布及煙氣擴散運移規(guī)律。研究主要集中于對近火源區(qū)域煙氣震蕩規(guī)律的分析，可為隧道火災(zāi)通風(fēng)、撲救及人員疏散提供建議。

1 模型建立

1.1 物理模型

依托于某城市隧道工程實際，建立三維隧道模型。原隧道采用通風(fēng)孔將隧道劃分為7段不同的通風(fēng)區(qū)段，為方便研究、減少運算量，只對其中一段隧道內(nèi)的火災(zāi)煙霧、溫度分布擴散做研究分析。起火點隧道縱向位置中部，橫向布置有靠近隧道壁和靠近隧道中線兩種布置方式，火源簡化為4m×2m×1.5m的矩形障礙物，上表面為火源熱釋放面。三維模型如圖1所示。

1.2 數(shù)學(xué)模型

在隧道通風(fēng)問題的研究中，所涉及到的流動方式類似于管內(nèi)湍流流動，其流動方式較為復(fù)雜，要準(zhǔn)確進行隧道火災(zāi)通風(fēng)模擬首先要選擇恰當(dāng)?shù)耐牧髂Ｐ?。研究選用基于大渦模擬（LES）的火災(zāi)模擬軟件FDS對隧道火災(zāi)進行數(shù)值模擬計算。

其連續(xù)方程、動量方程及能量方程如下：

試驗準(zhǔn)備階段，需要采集離線訓(xùn)練所需圖像，并將采集圖像進行BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，最后將離線訓(xùn)練所得權(quán)值陣v、w，閾值陣θ、γ 4組數(shù)據(jù)導(dǎo)入在線檢測程序中。離線訓(xùn)練中，4個位置圖像及所選ROI如圖7所示。4位置圖像在ROI5內(nèi)和6位置圖像在ROI6內(nèi)的特征值始終為0，且其他位置圖像在此區(qū)域特征值顯然不為0，故4、6位置圖像可通過經(jīng)驗值比較直接得出鉚接位置；3、5位置各選擇如圖7所示的2個ROI，共4個ROI。故BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型輸入節(jié)點數(shù)為4，輸出節(jié)點數(shù)為2，根據(jù)式(1)，本文隱層節(jié)點個數(shù)取5個。

式中，為氣體密度；`為濾波后的速度矢量；為重力加速度；F為外部力；`τ為亞格子應(yīng)力（SGS）；`為顯焓；為壓力；為導(dǎo)熱系數(shù)；`為溫度；S為耗散函數(shù)。

1.3 網(wǎng)格設(shè)置

在采用火災(zāi)動力學(xué)軟件FDS模擬的過程中，網(wǎng)格尺寸的大小是影響計算結(jié)果精度的一個重要因素。*/標(biāo)準(zhǔn)廣泛的被用來估算網(wǎng)格尺寸結(jié)果，其中網(wǎng)格尺寸和火源特征長度*可由式（5）估算：

McGrattan等[9]推薦，當(dāng)*/在4～16的范圍內(nèi)取值時可確保計算的精確度，即該模型中網(wǎng)格大小介于0.16～0.67m之間。為確保計算精度、縮短數(shù)值時間、提升運算效率，在火源遠場區(qū)域可以采用較大的網(wǎng)格尺寸，對火源附近部分進行加密，火源上下游10m范圍內(nèi)加密網(wǎng)格尺寸為0.125m，隧道其他區(qū)段為非加密部分，網(wǎng)格尺寸為0.25m。有文獻研究表明，近火源區(qū)域網(wǎng)格尺寸小于0.13m，遠火源區(qū)域不大于0.4m時，在FDS隧道火災(zāi)模擬中能夠獲得較好的模擬計算值[10]。

1.4 邊界條件

數(shù)值計算中，相關(guān)參數(shù)設(shè)定如下：

環(huán)境初始溫度取20℃，環(huán)境初始相對濕度設(shè)為40%；環(huán)境大氣壓力取101.3kPa；隧道壁面設(shè)為絕熱、無滑移壁面；隧道出口設(shè)置為開口（open），入口設(shè)置為速度入口。車體上表面為熱釋放面，火源功率分別設(shè)為5MW、10MW、20MW的穩(wěn)態(tài)火源；火災(zāi)模擬運行時間設(shè)為120s。

模擬工況設(shè)置如表1所示。

表1 5MW火源模擬工況

2 模擬驗證

Lee等[11]利用小尺寸實驗（見圖2）研究了隧道縱向通風(fēng)條件下火災(zāi)煙氣溫度沿隧道縱向方向的衰減特性，其結(jié)果可用于本文數(shù)值模型驗證。數(shù)值模型中隧道幾何尺度及物理參量與實驗條件相同。

圖2 實驗?zāi)Ｐ褪疽鈭D

隧道模型長度為10.4m，斷面面積為0.4m×0.4m，壁面為1cm厚的石膏板，其導(dǎo)熱系數(shù)為0.16W/(m·K)，密度為90kg/m3，比熱為900J/(kg·K)。距火源中心點1～6m內(nèi)每隔1m布置溫度測點，熱電偶設(shè)置在距隧道頂棚0.02m處。油盤尺寸0.08m×0.08m，放置在距隧道入口3m處，熱釋放率2.47kW。隧道兩端為開口條件，初始溫度環(huán)境為20℃。

圖3 模擬值與實驗結(jié)果的比較

本文模擬結(jié)果與文獻模擬結(jié)果吻合較好；實驗中溫度沿程衰減較快，其原因可能由于火源燃燒不穩(wěn)定造成。但與模擬結(jié)果比較，溫差在10℃以內(nèi)，可認(rèn)為本文采用的模擬模型及方法可用于隧道火災(zāi)煙氣模擬。

分別在隧道橫向位置=3、9、13.5m布置溫度探測器，用以監(jiān)測隧道頂部溫度在不同位置的縱向分布。從火源上部開始，向隧道兩端對稱布置，間隔為1m，測點距隧道頂距離為0.2m。布置測點如圖4所示。

圖4 監(jiān)測點設(shè)置

3 模擬結(jié)果分析

為研究隧道煙氣鋒面的運移擴散規(guī)律，以火源功率=5MW為例，分析不同通風(fēng)速度下，火源靠近隧道側(cè)壁面位置時，隧道頂面煙氣鋒面分布規(guī)律，結(jié)果如圖5所示。

圖5 隧道橫斷面煙霧分布

由圖5可以看出，當(dāng)通風(fēng)速度為=2m/s時，隧道逆流煙氣前沿呈不對稱分布，隧道中部煙氣前沿偏后，火源側(cè)略低于遠火源側(cè)壁面處。當(dāng)通風(fēng)速度=3m/s時，煙氣上游鋒面呈階梯狀分布，且在火源側(cè)約20m的區(qū)域煙霧變薄。主要是由于煙氣沖擊隧道頂棚，以火源點為中心向周邊擴散，當(dāng)遇到隧道壁面阻礙時會在沖擊隧道側(cè)壁，側(cè)壁處壓力上升，使煙氣點呈現(xiàn)出圖（a）的分布規(guī)律。但當(dāng)通風(fēng)速度較大時，沖擊所形成的壓力作用減弱，隧道煙氣呈圖（b）的分布規(guī)律。

以火源功率=5MW、通風(fēng)速度=1m/s工況下煙霧運移擴散為例，分析隧道頂面煙氣鋒面在運移過程中的變化規(guī)律，如圖6所示。

圖6 不同時刻隧道煙氣分布

由圖6可以看出，當(dāng)火源靠近隧道側(cè)壁面布置，在通風(fēng)速度小于臨界通風(fēng)速度的情況下，煙氣向上游逆流過程中，其煙氣峰面呈“之”字形交替運移。且隨著煙氣前鋒面距火源位置的增大，其煙氣鋒面交替幅值逐漸減小。

為更好的分析煙氣運移過程，將其震蕩過程以平面示意圖方式展示，如圖7所示。

圖7 煙氣橫向震蕩平面示意圖

結(jié)合圖5、6的分析，由煙流運移平面示意圖7可看出，火源置于隧道中線位置時，煙氣撞擊側(cè)壁產(chǎn)生的煙流A，由于左右兩側(cè)壁對稱，其產(chǎn)生的動能沖擊會相互抵消，不會對煙氣縱向主流產(chǎn)生大的影響。而當(dāng)火源置于隧道一側(cè)壁時，煙氣橫向運移沖擊隧道壁面，部分能量損失，但仍有大部分能量重新參與另側(cè)壁面，使煙流A在隧道兩側(cè)壁面間震蕩衰減。震蕩煙流A會對縱向流煙B氣產(chǎn)生沖擊擾動，降低縱向煙流B的動能，同時煙氣層紊亂增強。隨著煙氣縱向運移，其震蕩煙流A震蕩頻率逐漸降低，最終于主流煙氣B運移方向一致。

震蕩會導(dǎo)致煙氣動能減小，煙氣能量耗散增大，紊亂增強，煙氣縱向主流運移速度下降。主要起影響作用的是阻尼震蕩的一次波。在近火源區(qū)域由于火源煙氣浮升力大，其沖擊隧道頂棚及側(cè)壁時產(chǎn)生的沖擊力也比較大。煙氣撞擊隧道頂棚和隧道側(cè)壁面時所產(chǎn)生的震蕩作用比較明顯。

對火源功率=5MW工況，隧道頂部不同位置的溫度進行監(jiān)測，并對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)分析，不同通風(fēng)情況下隧道頂部溫度分布曲線，如圖8所示。

圖8 隧道溫度分布

通風(fēng)速度為=0m/s的工況下，隧道兩端溫度呈對稱分布?；鹪凑戏剿淼理敳繙囟茸畲?，隨著火源溫度監(jiān)測線向遠離火源側(cè)橫向移動，縱向測線溫度峰值呈規(guī)律性減小，且衰減值?逐漸減小。通風(fēng)速度為1m/s工況下，遠火源側(cè)溫度峰值點縱向偏移量要大于火源上方溫度峰值點縱向偏移量，且縱向偏移量?呈規(guī)律性減小。通風(fēng)速度為2m/s工況下，各監(jiān)測線溫度峰值點縱向偏移量趨于一致。隧道縱向通風(fēng)風(fēng)速越大，隧道近火源側(cè)煙氣震蕩現(xiàn)象越明顯。通風(fēng)速度為3m/s工況下，近火源區(qū)溫度呈線性下降?；鹪捶逯翟酱螅湎陆邓俾试娇?，溫度衰減速率(?/?)值越大。隧道火源下游段煙氣溫度波動極為明顯，且隨著距火源橫向位置偏移量的增大，其波動值逐漸減弱。

由圖8可以看出，對于隧道不同斷面的溫度監(jiān)測值，火源上方隧道頂溫度值最大，隨著監(jiān)測點距離火源縱向位置的增大，在近火源區(qū)域，其隧道頂部縱向溫度越小，但在遠火源區(qū)域，隧道頂部縱向溫度值要偏大。三條監(jiān)測線溫度分布在距火源一定長度距離內(nèi)呈滾動式交替上升，在一定距離后各測點溫度逐步趨于一致。火源布置在隧道側(cè)壁面附近時，由于熱煙浮升力和隧道通風(fēng)風(fēng)速的共同作用，下游段煙氣會呈S型螺旋式震蕩，使其溫度在短距離內(nèi)較高。但隨著隧道距離的增大，其溫度分布會逐漸趨于一致。

為分析通風(fēng)速度對隧道頂部溫度縱向分布的影響，選取火源正上方的隧道頂部縱向分布曲線，如圖9所示。

圖9 不同通風(fēng)速度下溫度分布

由圖9可以看出，隨著隧道通風(fēng)風(fēng)速的不斷增大，隧道棚底溫度峰值總體呈下降趨勢。通風(fēng)速度小于1m/s時，隧道縱向溫度分布曲線值極為接近。通風(fēng)風(fēng)速=1m/s時的溫度峰值略小于通風(fēng)風(fēng)速=0m/s時的溫度峰值，且火源上游段棚底縱向溫度偏小，火源下游段棚底縱向溫度偏大。在通風(fēng)速度=1～2m/s區(qū)間內(nèi)，隧道頂部溫度縱向分布出現(xiàn)了極大的突變，溫度峰值從280℃突將至160℃，溫降約80℃，且溫度峰值點出現(xiàn)了較大距離的向火源下游的偏移。通風(fēng)速度=2m/s工況下，隧道火源上游段溫度都為環(huán)境溫度（20℃），下游段溫度與通風(fēng)速度=1m/s工況下的曲線基本一致，表明隧道內(nèi)煙氣回流在該通風(fēng)速度下被很好的抑制，且煙氣分層未被破壞。在通風(fēng)速度=3m/s工況下，隧道頂部溫度峰值進一步降低，峰值點位置進一步向下游端偏移，且下游段溫度值低于=2m/s工況下的溫度分布值。其下游段溫度分布曲線也出現(xiàn)了較大的震蕩，表明該通風(fēng)速度下隧道內(nèi)火源下游段縱向煙氣分層被破壞。

隧道通風(fēng)風(fēng)速對火源下游段的溫度分布有極大的影響，為研究風(fēng)速與縱向溫度衰減趨勢之間的規(guī)律，根據(jù)模擬數(shù)據(jù)對火源下游不同通風(fēng)工況下，隧道頂部縱向溫度分布做擬合分析（圖10），擬合結(jié)果如表2所示。

表2 擬合參數(shù)

圖10 擬合曲線

由圖10可以看出，通風(fēng)速度不大于臨界通風(fēng)風(fēng)速（=2m/s）時，火源下游段隧道頂部溫度縱向衰減趨勢符合指數(shù)函數(shù)分布，擬合通式(2)，擬合優(yōu)度大于0.9，擬合參數(shù)見表2。當(dāng)通風(fēng)速度大于臨界通風(fēng)風(fēng)速時，火源下游段隧道頂部縱向溫度出現(xiàn)較大的震蕩，其衰減不再符合指數(shù)函數(shù)分布，而是呈阻尼振蕩規(guī)律變化。

4 結(jié)論

研究基于火災(zāi)動力學(xué)模擬軟件FDS，對不同火源位置、不同通風(fēng)速度情況下，隧道內(nèi)煙氣、溫度的分布規(guī)律做分析研究，主要結(jié)論有：

（1）火源靠近側(cè)壁布置時，火源縱向蔓延時隧道煙氣前鋒面呈“之”字形交錯向前蔓延，且交替變化幅值隨距火源距離的增長而逐漸減弱。

（2）當(dāng)通風(fēng)風(fēng)速不高于臨界風(fēng)速時，火源下游段縱向溫度呈函數(shù)規(guī)律變化。當(dāng)通風(fēng)速度大于臨界風(fēng)速時，火源下游段溫度呈阻尼振蕩狀波動，函數(shù)規(guī)律不再適用。

（3）火源位置靠近隧道壁面時，近火源區(qū)域煙氣層震蕩較火源置于隧道中線時的煙氣波動大，煙氣分層更易被破壞。

（4）隧道煙氣層達到穩(wěn)定狀態(tài)時，隧道橫截面上煙氣呈拱形分布，愈靠近隧道側(cè)壁，煙氣層越低。建議在可能情況下盡量選擇靠近隧道中線的車道進行人員疏散。

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The Influence of the Transverse Position of the Fire Source on the Smoke Distribution in the Tunnel

Wang Wen1Sun Sanxiang2Shi Binbin3

( 1.Shaanxi Railway Institute, Weinan, 714000; 2.School of Environmental and Municipal Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou, 730070; 3.Gansu Forestry Polytechnic, Tianshui, 741020 )

Based on the engineering practice, the numerical simulation method is used to study tunnel critical wind speed, the distribution and diffusion law of temperature and smoke, when the tunnel fire source is located in different lanes. The results show that when the longitudinal ventilation speed is not greater than the critical ventilation speed, the tunnel roof temperature in the downstream section of the fire source decreases as an e-function. When the ventilation speed is greater than the critical ventilation speed, the rule is no longer applicable. When the fire source is located on the side wall, due to the restriction of the side wall of the tunnel, the flue gas migration near the fire source area spreads to the exit of the tunnel in a zigzag shape, and the different longitudinal temperature lines on the roof of the tunnel change alternately in a rolling manner.

numerical simulation; critical wind speed; smoke distribution; rolling manner

U445

A

1671-6612（2020）02-273-06

甘肅省重點研發(fā)計劃（17YF1GA010）

王 文（1990-），男，碩士研究生，助教，主要從事隧道火災(zāi)、隧道通風(fēng)領(lǐng)域研究，E-mail：1205901714@qq.com

孫三祥（1965-），男，教授，E-mail：sunsanxiang@mail.lzjtu.cn

2019-12-12