縱向風(fēng)和阻塞比對(duì)隧道雙火源溫度分布的影響*

馬 鮮，萬華仙,2，張玉春

(1.西南交通大學(xué) 地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川 成都 611756；2.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 火災(zāi)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230026)

0 引言

隨著世界公路隧道數(shù)量快速增長(zhǎng)，隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)的頻率也在逐漸增加。由于隧道呈狹長(zhǎng)形受限空間，受通風(fēng)條件限制，火災(zāi)產(chǎn)生的高溫有毒煙氣在隧道內(nèi)聚集，易造成人員傷亡和隧道損毀[1-2]。當(dāng)隧道發(fā)生火災(zāi)時(shí)，一方面，隧道內(nèi)自然通風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)形成的縱向風(fēng)流會(huì)影響火羽流行為；另一方面，火災(zāi)易造成車輛堵塞，車輛自身作為障礙物會(huì)阻礙空氣流入，形成風(fēng)阻，影響火行為并對(duì)人員疏散逃生造成影響[3]。因此，開展城市公路隧道縱向通風(fēng)和障礙物共同影響下的煙氣行為研究具有重要意義。

溫度是隧道火災(zāi)研究重要參數(shù)之一，隧道頂棚下方氣體溫度研究結(jié)果可為火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)、滅火系統(tǒng)等設(shè)計(jì)提供參考。以往隧道火災(zāi)研究主要集中在單個(gè)火源燃燒情況下，研究火源功率、隧道縱向風(fēng)速以及障礙物等對(duì)隧道頂棚溫度的影響。其中，Kurioka等[4]研究隧道縱向風(fēng)速對(duì)近火源溫度場(chǎng)的影響，并建立隧道頂棚下方煙氣最高溫度的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?；胡隆華等[5]開展全尺寸隧道火災(zāi)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證Kurioka模型準(zhǔn)確性；趙望達(dá)等[6]開展數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)，Kurioka模型在無風(fēng)或風(fēng)速很小時(shí)其預(yù)測(cè)結(jié)果誤差較大。對(duì)于單火有障礙物的場(chǎng)景，Kayili[7]研究阻塞比和通風(fēng)對(duì)隧道火災(zāi)的影響，發(fā)現(xiàn)阻塞比增大會(huì)導(dǎo)致火災(zāi)熱釋放速率增大，而通風(fēng)速度增加會(huì)降低隧道內(nèi)溫度；Tang等[8]研究障礙物與火源相鄰情況下頂棚最高溫度，發(fā)現(xiàn)隨著障礙物到火源距離的增加，頂棚溫度呈現(xiàn)先增加后減小的規(guī)律；Meng等[9]數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)，隨著阻塞比和通風(fēng)速度的增加，單火羽流傾斜角度從火源下游傾斜向火源上游傾斜轉(zhuǎn)變。

上文研究均基于隧道內(nèi)單火源燃燒場(chǎng)景。但在實(shí)際隧道火災(zāi)中，往往由于車輛碰撞引起火災(zāi)。比如，2014年山西巖后隧道火災(zāi)[10]，2輛卡車相撞導(dǎo)致火災(zāi)，蔓延到另外33輛汽車，事故造成40死12傷?？梢钥闯?，重大隧道火災(zāi)事故往往伴隨著多個(gè)阻塞車輛同時(shí)燃燒。因此，亟需開展縱向通風(fēng)和障礙物影響下隧道內(nèi)多火源燃燒的煙氣運(yùn)動(dòng)行為研究。在已有研究中，Zhang等[11]研究雙火源在不同縱向風(fēng)速、火源功率和間距下頂棚最高溫度，發(fā)現(xiàn)火源間距和風(fēng)速越大，對(duì)頂棚下方溫度影響越小；劉瓊和鄭烽[12]研究隧道內(nèi)雙火源燃燒臨界風(fēng)速，發(fā)現(xiàn)相同火源功率下，臨界風(fēng)速隨火源間距增加而減小。但是，關(guān)于隧道多火源研究中均沒有考慮阻塞比這一重要影響因素。目前尚缺乏阻塞比對(duì)隧道內(nèi)多火羽流行為影響研究。

因此，本文運(yùn)用FDS(Fire Dynamics Simulator)數(shù)值模擬方法開展縱向通風(fēng)速度和阻塞比對(duì)隧道內(nèi)雙火羽流溫度分布的影響研究，并建立考慮阻塞比的隧道內(nèi)雙火羽流在頂棚下方最高煙氣溫度預(yù)測(cè)模型。研究結(jié)果可為隧道火災(zāi)防治提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論參考。

1 模型設(shè)置

1.1 模型介紹

本文主要采用FDS6.7.0版本進(jìn)行建模，其包括直接數(shù)值模擬(DNS)和大渦模擬(LES)2種類型[13]。由于LES在處理浮力和湍流相互作用時(shí)的優(yōu)勢(shì)較為顯著，因此在火災(zāi)場(chǎng)景模擬計(jì)算中應(yīng)用更為廣泛[14]。FDS模擬數(shù)據(jù)通過與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，驗(yàn)證了其用于模擬隧道火羽流溫度的可行性[15-16]。

考慮到實(shí)際城市公路隧道高寬比，本文模型隧道長(zhǎng)120 m，寬10 m，高6 m，如圖1所示。2個(gè)相同火源(長(zhǎng)4 m，寬2 m，高1.5 m)放置于隧道縱向中心線上用于模擬2輛小型車燃燒，上游火源中心距離隧道左側(cè)出口60 m，上、下游火源相鄰邊距離為3 m。每個(gè)火源的火源功率增長(zhǎng)曲線設(shè)置為t2曲線，達(dá)到穩(wěn)定燃燒的火源功率固定為5 MW。模擬火源的燃料設(shè)置為丙烷(C3H8)，燃燒參數(shù)為FDS默認(rèn)值。模擬阻塞車輛障礙物長(zhǎng)度為4 m，寬度為8 m，5個(gè)障礙物高度分別為1.125，2.25，3.375，4.5，5.625 m。阻塞比通常定義為障礙物橫截面面積與隧道橫截面面積之比[8]，即5個(gè)阻塞比(φ)分別為15%，30%，45%，60%，75%。如圖1(b)所示，障礙物與上游火源相鄰邊距離為5 m。隧道右側(cè)出口為自然通風(fēng)，左側(cè)出口設(shè)置縱向通風(fēng)，共設(shè)置6個(gè)通風(fēng)速度(v)，分別為0，1.2，2.4，3.6，4.8，6 m/s。本文共設(shè)置30個(gè)模擬工況，隧道壁面材料設(shè)置為混凝土，其密度為2 200 kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)為1.2 W/(m·K)，比熱容為0.88 kJ/(kg·K)，環(huán)境溫度設(shè)置為20 ℃。

圖1 阻塞場(chǎng)景下隧道內(nèi)雙火源模型示意Fig.1 Schematic diagram of double fire sources in tunnel model under blockage scene

模擬過程中，在隧道縱向中心截面Y=5.0 m、橫向水平截面Z=2.0 m和Z=5.75 m分別設(shè)置溫度、速度和一氧化碳(CO)體積分?jǐn)?shù)切片。模擬時(shí)長(zhǎng)設(shè)定為80 s，模擬結(jié)果表明20 s之后火源功率達(dá)到設(shè)定值，因此下文時(shí)長(zhǎng)參數(shù)取值為60～80 s平均值。

1.2 網(wǎng)格選取

FDS模擬中，網(wǎng)格大小是影響模擬結(jié)果準(zhǔn)確性的重要因素。FDS手冊(cè)[14]中推薦了1種網(wǎng)格劃分方法，其計(jì)算如式(1)所示：

(1)

對(duì)于火源功率為5 MW的火災(zāi)，根據(jù)式(1)計(jì)算的網(wǎng)格尺寸在0.11～0.5 m。由此選取5種不同的網(wǎng)格尺寸0.1，0.125，0.167，0.25，0.5 m進(jìn)行比較。圖2所示為典型工況在不同網(wǎng)格尺寸下火源下游4 m的豎向溫度分布。

圖2 不同網(wǎng)格尺寸下火源下游4 m處的豎向溫度分布Fig.2 Vertical temperature distribution at 4 m downstream of fire source under different grid sizes

由圖2可以看出，隨著網(wǎng)格尺寸的減小，溫度分布曲線趨于一致，從模擬頂棚煙氣溫度準(zhǔn)確性角度看，除0.5 m網(wǎng)格以外，其他4種網(wǎng)格模擬的豎向溫度值在近頂棚區(qū)域內(nèi)(Z=5～6 m)相近，這意味著當(dāng)網(wǎng)格尺寸小于0.25 m時(shí)，更小的網(wǎng)格尺寸只會(huì)導(dǎo)致更多的計(jì)算時(shí)間，而計(jì)算精度不再顯著提高。因此，為保證計(jì)算精度，縮短模擬計(jì)算時(shí)間，選取網(wǎng)格尺寸為0.25 m?？紤]到火源附近流場(chǎng)復(fù)雜，對(duì)該區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行加密。因此在模擬中，火源近區(qū)(X=42～74 m，Y=0～10 m，Z=0～6 m)的網(wǎng)格尺寸確定為0.125 m×0.125 m×0.125 m(長(zhǎng)×寬×高)，兩側(cè)火源遠(yuǎn)區(qū)的網(wǎng)格尺寸確定為0.25 m×0.25 m×0.25 m(長(zhǎng)×寬×高)。

2 結(jié)果與討論

2.1 阻塞比對(duì)縱向溫度分布的影響

圖3所示為通風(fēng)速度v=0 m/s時(shí)不同阻塞比下，縱向中心截面在火源近區(qū)X=42～74 m的溫度分布?？梢钥闯?，v=0 m/s時(shí)，雙火源火焰輪廓類似，近似于對(duì)稱燃燒，且不同阻塞比(φ)下均發(fā)生了明顯的煙氣逆流。當(dāng)φ=15%，45%時(shí)，阻塞比影響較小，上、下游煙氣層厚度相當(dāng)；當(dāng)φ=75%時(shí)，由于障礙物高度較大，阻礙煙氣向上游蔓延，更多煙氣流向火源下游，導(dǎo)致下游煙氣層厚度增加。

圖3 v=0 m/s時(shí)不同阻塞比下縱向中心截面溫度分布Fig.3 Temperature distribution of longitudinal center section under different blockage ratios at v=0 m/s

圖4所示為通風(fēng)速度v=0 m/s時(shí)頂棚下方0.25 m處縱向中心線上溫度分布。可以看出，由于雙火源的存在，出現(xiàn)了2個(gè)基本相同的峰值溫度，且阻塞比對(duì)峰值溫度影響較??；上游火源溫度衰減速率大于下游火源，這可能是由于通風(fēng)的冷卻作用導(dǎo)致的；無風(fēng)條件下的溫度變化規(guī)律是雙火源特有的，頂棚下方火源之間的區(qū)域羽流流動(dòng)方向相反且競(jìng)爭(zhēng)卷吸空氣，導(dǎo)致該區(qū)域內(nèi)溫度較高，這與無風(fēng)時(shí)隧道內(nèi)單火源燃燒存在障礙物時(shí)只產(chǎn)生1個(gè)溫度峰值，且在火源兩側(cè)溫度逐漸下降的規(guī)律不同。

圖4 v=0 m/s時(shí)不同阻塞比下頂棚下方0.25 m處縱向中心線溫度分布Fig.4 Temperature distribution of longitudinal centerline at 0.25 m below ceiling under different blockage ratios at v=0 m/s

如圖5所示為通風(fēng)速度v=3.6 m/s時(shí)不同阻塞比下縱向中心截面溫度分布?？梢钥闯?，在較大風(fēng)速較小阻塞比(φ=15%)下雙火焰均明顯向下游傾斜，沒有煙氣逆流。這是由于較小阻塞比條件下，較大縱向通風(fēng)對(duì)火源燃燒起主要作用。隨著阻塞比增大，如圖5(b)～圖5(c)，障礙物對(duì)雙火羽流形態(tài)影響較大，此時(shí)下游火源繼續(xù)向下游傾斜，而上游火源轉(zhuǎn)變?yōu)橄蛏嫌蔚恼系K物傾斜。這是由于上游火源對(duì)下游火源的遮擋作用，障礙物對(duì)下游火源影響相對(duì)較小，當(dāng)風(fēng)流越過障礙物表面，在障礙物與上游火源之間形成附壁效應(yīng)，導(dǎo)致上游火羽流向障礙物方向傾斜，且風(fēng)速越大，附壁效應(yīng)越明顯。

圖5 v=3.6 m/s時(shí)不同阻塞比下縱向中心截面溫度分布Fig.5 Temperature distribution of longitudinal center section under different blockage ratios at v=3.6 m/s

如圖6所示為通風(fēng)速度v=3.6 m/s時(shí)頂棚下方0.25 m處縱向中心線溫度分布?？梢钥闯?，該風(fēng)速下縱向溫度只有1個(gè)峰值，出現(xiàn)在下游火源的下游，且相比于v=0 m/s時(shí)，溫度峰值大幅度降低。此外，隨著阻塞比從15%增大到75%，峰值溫度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，這是因?yàn)殡S著阻塞比增大附壁效應(yīng)增強(qiáng)，導(dǎo)致上游火源更多向障礙物傾斜，更少熱量流向下游，頂棚峰值溫度降低。

圖6 v=3.6 m/s時(shí)不同阻塞下頂棚下方0.25 m處縱向中心線溫度分布Fig.6 Temperature distribution of longitudinal centerline at 0.25 m below ceiling under different blockage ratios at v=3.6 m/s

2.2 縱向通風(fēng)風(fēng)速對(duì)縱向溫度分布的影響

如圖7所示為阻塞比φ=15%時(shí)不同風(fēng)速下縱向中心截面溫度分布。由圖7可以看出，在小阻塞比條件下，通風(fēng)對(duì)雙火羽流行為起主導(dǎo)作用；在較小風(fēng)速(v=1.2 m/s)時(shí)，煙氣出現(xiàn)明顯的逆流現(xiàn)象，隨著風(fēng)速增加(v=3.6，6.0 m/s)，上下游火源均向下游明顯傾斜，沒有發(fā)生煙氣逆流，且上游火源傾斜角度遠(yuǎn)大于下游火源。

圖7 φ=15%時(shí)不同風(fēng)速下縱向中心截面溫度分布Fig.7 Temperature distribution of longitudinal center section under different wind velocities at φ=15%

如圖8所示為阻塞比φ=15%時(shí)頂棚下方0.25 m處縱向中心線溫度分布。由圖8可以看出，當(dāng)v≤1.2 m/s，出現(xiàn)2個(gè)明顯的溫度峰值，且火源之間區(qū)域頂棚溫度較高。當(dāng)v≥2.4 m/s，只出現(xiàn)1個(gè)溫度峰值，隨著風(fēng)速的增加，溫度峰值逐漸減小，且出現(xiàn)的溫度峰值位置逐漸向下游傾斜。

圖8 φ=15%時(shí)不同風(fēng)速下頂棚下方0.25 m處縱向中心線溫度分布Fig.8 Temperature distribution of longitudinal centerline at 0.25 m below ceiling under different wind velocities at φ=15%

如圖9所示為阻塞比φ=60%時(shí)不同風(fēng)速下縱向中心截面溫度分布。由圖9可以看出，隨著風(fēng)速v增大，煙氣逆流現(xiàn)象不再明顯，當(dāng)v≥3.6 m/s，障礙物與上游火源之間出現(xiàn)明顯附壁效應(yīng)，且附壁效應(yīng)隨風(fēng)速增大越明顯。結(jié)合圖3，圖5，圖7和圖9可以發(fā)現(xiàn)，雙火羽流的傾斜規(guī)律存在與單火源類似的結(jié)論，即增加通風(fēng)速度會(huì)降低隧道內(nèi)溫度[7]，且隨著阻塞比和通風(fēng)速度的增加，火羽流傾斜角度從向火源下游傾斜轉(zhuǎn)變?yōu)橄蚧鹪瓷嫌蝺A斜[9]。但不同于單火源的是，雙火源條件下，下游火源傾斜方向受阻塞比和通風(fēng)的影響較小。

圖9 φ=60%時(shí)不同風(fēng)速下縱向中心截面溫度分布Fig.9 Temperature distribution of longitudinal center section under different wind velocities at φ=60%

如圖10所示為阻塞比φ=60%時(shí)頂棚下方0.25 m處的頂棚縱向中心線溫度分布。由圖10可以看出，與小阻塞比類似，小風(fēng)速時(shí)出現(xiàn)了2個(gè)明顯溫度峰值，隨著風(fēng)速增加，溫度峰值變?yōu)?個(gè)。

圖10 φ=60%時(shí)不同風(fēng)速下頂棚下方0.25 m處縱向溫度分布Fig.10 Temperature distribution of longitudinal centerline at 0.25 m below ceiling under different wind velocitie at φ=60%

2.3 頂棚下方最高氣體溫度分析及建模

圖11所示為頂棚下方最高氣體溫度(Tmax)隨縱向風(fēng)速(v)和阻塞比(φ)的變化。由圖11可以看出，隨著風(fēng)速增大，Tmax逐漸減小，且在v≤1.2 m/s時(shí)，Tmax均在250 ℃以上，而當(dāng)v≥2.4 m/s后，Tmax明顯減小，均在200 ℃以下。這是因?yàn)樵陲L(fēng)速較大時(shí)，會(huì)在障礙物后方形成低壓區(qū)，從而吸引火羽流傾向于障礙物后方，從而導(dǎo)致Tmax迅速降低。此外，同一風(fēng)速不同阻塞比下的Tmax差異較小，最大差值在50 ℃以內(nèi)，說明阻塞比對(duì)最高溫度的影響相對(duì)較小。

圖11 不同工況下頂棚最高溫度Fig.11 Maximum ceiling temperature under different conditions

在目前已有研究中，Kurioka等[4]在5個(gè)不同尺寸的模型隧道中開展了一系列單火源燃燒實(shí)驗(yàn)，得到無障礙物時(shí)隧道頂棚下方無量綱最高溫升與無量綱火源功率和弗勞德數(shù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，如式(2)所示：

(2)

需要說明的是Kurioka模型[4]中未考慮阻塞比對(duì)最高溫升的影響。隧道內(nèi)存在障礙物時(shí)，控制體如圖12所示，基于流體力學(xué)理論，當(dāng)空氣流體以一定水平縱向通風(fēng)速度v流經(jīng)障礙物截面，會(huì)在越過障礙物之后速度增大到v′的流體。

圖12 控制體中通風(fēng)風(fēng)流越過障礙物前后速度變化示意Fig.12 Schematic diagram of control volume of velocity change before and after the ventilated airflow passes over the obstacle

根據(jù)流體質(zhì)量守恒定律，越過障礙物前后流體的質(zhì)量流率不變，見式(3)所示：

v·Wt·Ht=v′(Wt·Ht-Wb·Hb)

(3)

式中：Wt和Ht分別為模擬隧道的寬和高，m；Wb和Hb分別為障礙物的寬和高，m。

根據(jù)障礙物定義，見式(4)所示：

φ=WbHb/(WtHt)

(4)

由式(3)～(4)得出式(5)：

v′=v/(1-φ)

(5)

借鑒Kurioka模型[4]，將式(2)中的v用式(5)中的v′替換，得到利用阻塞比修正后的弗勞德數(shù)如式(6)所示：

Fr′=v′2/(gHd)

(6)

(7)

圖13 無量綱最高溫升預(yù)測(cè)模型Fig.13 Prediction model of normalized maximum temperature rise

3 結(jié)論

1)相同阻塞比小風(fēng)速時(shí)，頂棚下方0.25 m處縱向出現(xiàn)2個(gè)峰值溫度，隨著風(fēng)速增大，煙氣逆流消失，頂棚最高溫度不斷降低，溫度峰值逐漸變?yōu)?個(gè)。

2)相同風(fēng)速下，隨著阻塞比增大，下游火源始終向下游傾斜，而上游火源逐漸由向下游傾斜轉(zhuǎn)變?yōu)橄蛏嫌蝺A斜。

3)基于流體力學(xué)理論，引入阻塞比修正無障礙物時(shí)弗勞德數(shù)Fr數(shù)，進(jìn)而建立適用于隧道內(nèi)有障礙物情況下的雙火羽流頂棚最高溫升分段預(yù)測(cè)模型，模型可為隧道內(nèi)堵塞條件下頂棚溫度預(yù)測(cè)提供數(shù)據(jù)支撐和參考依據(jù)。