基于CFD的公路隧道火災(zāi)煙氣分布規(guī)律研究*

丁翠

（中國勞動關(guān)系學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 100048）

0 引言

公路隧道由于其本身結(jié)構(gòu)相對封閉且縱深較長，一旦發(fā)生火災(zāi)，由于受到熱浮力效應(yīng)、煙囪效應(yīng)以及通風(fēng)等影響，極易導(dǎo)致隧道內(nèi)煙氣溫度急劇升高，有毒有害氣體積聚，煙氣難以排出，造成救援困難，對隧道整體力學(xué)結(jié)構(gòu)以及隧道內(nèi)人員生命財產(chǎn)安全和消防人員安全造成極大威脅。因此，研究公路隧道火災(zāi)煙氣分布規(guī)律對指導(dǎo)公路隧道人員逃生和消防救援具有重大的現(xiàn)實意義。

國內(nèi)外學(xué)者對隧道火災(zāi)煙氣分布進行了廣泛的研究，HU L H等［1］采用CFD數(shù)值模擬方法分析了不同縱向風(fēng)速下隧道火災(zāi)CO濃度及煙氣溫度沿隧道長度衰減規(guī)律，并通過實驗驗證得出了火災(zāi)煙氣CO濃度及溫度沿隧道長度分布函數(shù)。JI J等［2］研究了坡度對隧道火災(zāi)煙氣流動規(guī)律的影響，建立了以熱釋放速率和坡度為主要因素的高溫預(yù)測模型。GANNOUNI S等［3］利用CFD數(shù)值模擬方法，研究了縱向通風(fēng)隧道內(nèi)通風(fēng)風(fēng)速與車輛阻塞效應(yīng)對火災(zāi)煙氣回流的影響。SHAFEE S等［4］建立了小尺寸隧道模型，通過實驗研究了縱向通風(fēng)風(fēng)速、油池的深度和大小對火災(zāi)溫度場、熱釋放速率等的影響。陳溢彬等［5］研究了縱向通風(fēng)條件下噴淋系統(tǒng)對隧道內(nèi)煙氣分布的影響。王蕾等［6］建立了大型客車火災(zāi)模型，研究了大型客車火災(zāi)隧道內(nèi)煙霧場和溫度場的分布，并與20 MW平方增長火源進行了對比。趙忠杰等［7］建立了“單通風(fēng)井送排式+射流風(fēng)機”組合隧道縱向通風(fēng)模型，采用FDS軟件研究了隧道30 MW火災(zāi)溫度場和煙氣場隨時間的變化規(guī)律，并提出了疏散建議。丁翠［8］數(shù)值研究了巷道火災(zāi)時期不同火源功率下煙氣對風(fēng)流分布的影響。韓冬卿［9］采用FDS火災(zāi)模擬軟件研究了隧道內(nèi)通風(fēng)失效的情況下，3種火源功率工況下隧道拱頂處溫度和能見度分布規(guī)律。劉斌等［10］利用Star-CD/CCM+數(shù)值模擬軟件的煙火向?qū)K，研究了大曲率、變坡度隧道火災(zāi)情況下隧道內(nèi)溫度的縱向分布規(guī)律。

但上述研究中多是考慮單一因素對火災(zāi)煙氣分布的影響，而火災(zāi)煙氣的蔓延受到縱向通風(fēng)風(fēng)速及火源功率等多因素的影響，因此為了更準確地獲得多因素對公路隧道火災(zāi)煙氣分布的定量影響，本文采用Fluent模擬軟件，研究不同火源功率及不同縱向通風(fēng)風(fēng)速下隧道內(nèi)煙氣逆流長度、煙氣溫度及CO濃度的分布特征，進而為制定合理的應(yīng)急救援方案以及隧道消防設(shè)計提供依據(jù)。

1 公路隧道火災(zāi)模型

1.1 物理模型

根據(jù)《公路隧道設(shè)計規(guī)范第一冊土建工程》（JTG 3370.1—2018）［11］，設(shè)計隧道橫截面為馬蹄形，上半部分為半圓形，下半部分為矩形，選取隧道橫斷面寬度為10.8 m，高度為7.4 m，隧道計算區(qū)域長度選取300 m。

1.2 火災(zāi)參數(shù)設(shè)置

公路隧道火源功率的選擇參考瑞士及挪威有關(guān)部門提供的相關(guān)數(shù)據(jù)［12］，如表1所示。一般情況下，小轎車、大貨車發(fā)生火災(zāi)的可能性較大，本文選取火源功率分別為5、30、50 MW，火源設(shè)置在隧道的中部。5 MW火源依據(jù)小汽車平面尺寸確定，長×寬×高為4 m×2 m×1.5 m；30、50 MW火源依據(jù)相應(yīng)車輛平面尺寸確定，取長×寬×高為9.6 m×2.4 m×2.6 m。

表1 車輛類型與燃燒產(chǎn)生的熱量

實際火災(zāi)燃燒生成的煙氣成分十分復(fù)雜，與燃料和氧化劑的比例、燃燒材料等因素有關(guān)，但煙氣的主要氣體成分是CO2和CO，燃燒過程中CO的生成量計算式［13］為：

式中，F(xiàn)r為煙流中CO的生成量，m3/s；Qr為燃燒釋放熱量，kW；CO為CO的生成速率常數(shù)，m3/k（J本文取3.22×10-6m3/kJ）。

1.3 邊界條件

假設(shè)隧道內(nèi)無行人，且隧道壁面無滑移情況。隧道兩端均為開口狀態(tài)，隧道入口邊界條件為velocityinle，隧道出口邊界條件為pressure-outlet，整個模擬考慮浮力以及重力對煙氣的影響。由此模擬火源功率分別為5、30、50 MW，縱向通風(fēng)風(fēng)速分別為1.5、1.6、1.7、1.8、1.9、2.0、2.1、2.2、2.5 m/s時隧道內(nèi)煙氣運移分布規(guī)律。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 臨界風(fēng)速

設(shè)計研究不同火災(zāi)功率和不同縱向通風(fēng)方式下，火災(zāi)煙氣流動擴散。根據(jù)煙流滾退距離，得到不同火源功率下臨界風(fēng)速。煙流滾退速度矢量圖如圖1所示，煙流滾退距離與通風(fēng)風(fēng)速的關(guān)系如圖2所示。

圖1 煙流滾退速度矢量圖（1.7 m/s，50 MW）

圖2 不同通風(fēng)風(fēng)速下煙流滾退距離

由圖2可知，5 MW火源強度下，在通風(fēng)風(fēng)速為1.5、1.6、1.7、1.8、1.9 m/s工況下均出現(xiàn)了煙流滾退現(xiàn)象，當通風(fēng)風(fēng)速達到2.0 m/s時，煙流滾退距離為0 m，故該火源強度下的臨界風(fēng)速為2.0 m/s；30 MW火源強度下，當通風(fēng)風(fēng)速達到2.2 m/s時，煙流滾退距離為0 m，故該火源強度下的臨界風(fēng)速為2.2 m/s；50 MW火源強度下，通風(fēng)風(fēng)速為1.5、1.6、1.7、1.8、2.0、2.1 m/s工況下均出現(xiàn)了煙流滾退現(xiàn)象，故該火源強度下的臨界風(fēng)速為2.2 m/s。由上述分析可知，當隧道發(fā)生車輛火災(zāi)時，應(yīng)采取有效的通風(fēng)措施，使隧道內(nèi)的通風(fēng)風(fēng)速不低于2.0 m/s，以降低火災(zāi)煙氣對隧道上風(fēng)側(cè)的危害。

2.2 溫度場

高溫?zé)煔庥捎诟×π?yīng)，易聚集在隧道拱頂處，對隧道襯砌結(jié)構(gòu)帶來一定威脅，因此主要對隧道拱頂處溫度場進行分析。不同縱向通風(fēng)風(fēng)速下，拱頂處溫度沿隧道長度方向的分布如圖3所示。

圖3 不同縱向通風(fēng)風(fēng)速下隧道拱頂處溫度

由圖3分析可知，在火源上風(fēng)側(cè)，隧道拱頂處溫度受煙流滾退影響較大，火源上風(fēng)側(cè)增溫區(qū)的長度范圍與煙流滾退距離基本一致；在火源下風(fēng)側(cè)，受到火源高溫?zé)煔獾挠绊?，隧道拱頂溫度在火源附近陡然增大并趨于穩(wěn)定，該區(qū)域拱頂溫度遠高于火源上風(fēng)側(cè)。隨著火源強度的增大，火源上風(fēng)側(cè)增溫區(qū)和火源下風(fēng)側(cè)的拱頂溫度隨之升高；隨著通風(fēng)風(fēng)速的增大，火源上風(fēng)側(cè)增溫區(qū)和火源下風(fēng)側(cè)的拱頂溫度隨之降低。主要原因是由于上風(fēng)側(cè)拱頂處溫度主要受到滾退煙流的高溫和與隧道入口處新鮮風(fēng)流對流的影響，故其溫度升高但遠低于火源下風(fēng)側(cè)溫度，而火源下風(fēng)側(cè)拱頂溫度主要受到煙流的熱對流和熱輻射的影響，在同一火源功率下，通風(fēng)風(fēng)速越大，熱對流擴散作用越強，故風(fēng)速越高，拱頂溫度越低。為了進一步明晰隧道拱頂溫度隨通風(fēng)風(fēng)速變化的規(guī)律，著重研究了隧道拱頂最高溫度與通風(fēng)風(fēng)速之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，如圖4所示。由圖4分析可知，拱頂最高溫度隨著通風(fēng)風(fēng)速的增大呈現(xiàn)出指數(shù)下降趨勢，并且火源功率越大，隧道拱頂溫度下降的速率越快。

圖4 不同通風(fēng)風(fēng)速下拱頂最高溫度

根據(jù)以上分析，隧道發(fā)生火災(zāi)后，可考慮適當加大機械通風(fēng)風(fēng)量，降低隧道拱頂處溫度。且拱頂溫度在火源處及下風(fēng)側(cè)150 m范圍內(nèi)達到最大值，在30、50 MW火源功率下高于500℃，嚴重破壞隧道結(jié)構(gòu)，故在大功率火源情況下，應(yīng)考慮采取措施降低拱頂處溫度。

同時，為了進一步明晰隧道拱頂溫度隨火源功率變化的規(guī)律，研究了隧道拱頂最高溫度與火源功率之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，如圖5所示。由圖5分析可知，在同一通風(fēng)風(fēng)速下，隨著火源強度的增大，拱頂最高溫度呈現(xiàn)正向線性增大，并且隨著通風(fēng)風(fēng)速的增大，拱頂最高溫度隨火源強度增大的速度逐漸降低。

圖5 不同火災(zāi)功率下拱頂最高溫度

2.3 CO濃度場

火災(zāi)煙氣中的CO與血紅蛋白結(jié)合，可造成人體CO中毒，因此研究CO的濃度分布對于人員逃生和救援具有重要意義。不同縱向通風(fēng)風(fēng)速下呼吸帶高度處CO濃度沿著隧道長度的變化規(guī)律如圖6所示。

圖6 不同通風(fēng)風(fēng)速下呼吸帶高度CO體積分數(shù)

由圖6可知，在不同火源功率及不同通風(fēng)風(fēng)速下，火源上風(fēng)側(cè)呼吸帶高度處CO體積分數(shù)遠遠低于0.002 4%，在火源處CO體積分數(shù)急劇升高達到最大值，隨后在下風(fēng)側(cè)緩慢下降趨于平穩(wěn)，隨著與火源距離的增大呈現(xiàn)鋸齒形波動下降趨勢，但遠高于0.002 4%。在同一火源功率下，火源下風(fēng)側(cè)一定范圍內(nèi)（5 MW約34 m范圍，30 MW約112 m范圍，50 MW約150 m范圍），CO濃度趨于平緩，且通風(fēng)風(fēng)速越大，CO濃度越低，說明此范圍內(nèi)隧道入口風(fēng)流的稀釋作用越明顯；隨后CO濃度呈現(xiàn)不同程度的鋸齒形波動下降趨勢，風(fēng)速越小，波動范圍越大，CO濃度下降越快，說明此范圍內(nèi)主要受到隧道出口處新鮮風(fēng)流的吸卷稀釋作用，風(fēng)速越小，吸卷稀釋作用越明顯，渦流范圍越大。隨著火源功率的增大，呼吸帶高度處CO濃度平緩區(qū)范圍越大，波動范圍越小，50 MW功率下幾乎無波動。

不同火源功率及不同通風(fēng)風(fēng)速下，火源上風(fēng)側(cè)CO濃度均低于安全濃度（體積分數(shù)0.002 4%），而火源下風(fēng)側(cè)CO濃度均遠高于安全濃度。故若隧道發(fā)生火災(zāi)，建議在火源上風(fēng)側(cè)進行救援。

3 結(jié)論

1）5 MW火源強度下，臨界風(fēng)速為2.0 m/s；30 MW火源強度下，臨界風(fēng)速為2.2 m/s；50 MW火源強度下，臨界風(fēng)速為2.2 m/s。隨著通風(fēng)風(fēng)速的增加，煙流滾退距離不斷減小，而隨著火源功率的增大，臨界風(fēng)速有不斷增加的趨勢。建議隧道發(fā)生車輛火災(zāi)時，應(yīng)保證隧道內(nèi)的通風(fēng)風(fēng)速不低于2.0 m/s，以降低火災(zāi)煙氣對火源上風(fēng)側(cè)的危害。

2）同一火源功率下，拱頂最高溫度隨著通風(fēng)風(fēng)速的增大呈現(xiàn)出指數(shù)函數(shù)下降趨勢；同一通風(fēng)風(fēng)速下，拱頂最高溫度隨著火源功率的增大呈現(xiàn)正向線性關(guān)系，并且隨著通風(fēng)風(fēng)速的增大，拱頂最高溫度隨功率增大的速度逐漸降低。建議隧道發(fā)生火災(zāi)后，可考慮適當加大縱向機械通風(fēng)風(fēng)量，降低隧道拱頂處溫度。

3）不同火源功率及不同通風(fēng)風(fēng)速下，火源上風(fēng)側(cè)CO濃度均低于安全濃度，在火源處CO濃度急劇升高達到最大值，隨后在下風(fēng)側(cè)緩慢下降趨于平穩(wěn)，由于受到隧道出口處新鮮風(fēng)流的吸卷和稀釋作用，隨著與火源距離的增大出現(xiàn)鋸齒形波動下降趨勢，但遠高于安全濃度。故若隧道發(fā)生火災(zāi)，建議人員逃生和救援工作應(yīng)在火源上風(fēng)側(cè)進行。