公路隧道火災(zāi)非穩(wěn)態(tài)規(guī)律的模擬研究

石明楊,任 剛,崔興華,王 松,楊洪海

(1.東華大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海201620； 2.南方風(fēng)機(jī)股份有限公司，廣東佛山528225)

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，公路交通事業(yè)取得飛速的發(fā)展，公路隧道里程不斷增加。然而隨著隧道長(zhǎng)度和通行車輛的增加，火災(zāi)事故發(fā)生的頻率也隨著增加。作為交通道路上的關(guān)鍵線路和控制性節(jié)點(diǎn)，隧道內(nèi)頻繁發(fā)生的火災(zāi)造成了巨大的社會(huì)影響和經(jīng)濟(jì)損失。如1999年，法-意勃朗峰隧道 (11.6km)因卡車漏油引擎著火，隧道內(nèi)燃燒超48h，死41人，燒毀36臺(tái)車，事故發(fā)生后，隧道不得不封閉，中斷交通達(dá)3年之久，經(jīng)濟(jì)損失極為慘重[1]。我國(guó)公路近期統(tǒng)計(jì)的火災(zāi)事故率為 0.104次 /(100萬(wàn)車·km)，幾率是鐵路的 20～25倍[2]。大量的火災(zāi)表明，火災(zāi)產(chǎn)生的高溫濃煙不但危害人們的生命安全，還對(duì)火災(zāi)救援產(chǎn)生不利影響，因此展開(kāi)對(duì)隧道火災(zāi)的研究就十分重要。

國(guó)外很早展開(kāi)全尺寸隧道火災(zāi)實(shí)驗(yàn)研究，但其周期長(zhǎng)、費(fèi)用高，且不適用于新建或?qū)⒔ǖ乃淼溃豢s小尺寸的模型試驗(yàn)由于其局限性，數(shù)據(jù)并不可靠(難以滿足相似準(zhǔn)則)[3-4]。而計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬周期短、成本低、信息全。數(shù)值模擬時(shí)，很多人采用了穩(wěn)態(tài)火源，但其只代表最嚴(yán)重的情況，顯然不符合實(shí)際。本文將對(duì)非穩(wěn)態(tài)工況下火災(zāi)發(fā)展前期的規(guī)律進(jìn)行研究。

1 模型的建立

火災(zāi)現(xiàn)象可分為兩個(gè)互相影響的過(guò)程，火源本身和煙氣流動(dòng)，其數(shù)學(xué)模型為：火源模型和流動(dòng)模型。

1.1 火源模型

火災(zāi)發(fā)生是一個(gè)三維非定長(zhǎng)且伴隨著傳熱傳質(zhì)、多相流動(dòng)以及化學(xué)反應(yīng)相互作用的非常復(fù)雜物理化學(xué)過(guò)程。考慮直接模擬十分困難，故火災(zāi)初期模擬時(shí)進(jìn)行簡(jiǎn)化：火源采用指數(shù)火源，排煙量和火源形狀不變[5-6]。

筆者選用VHS(體熱源)燃燒模型，不考慮具體的燃燒過(guò)程，簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程和計(jì)算量。考慮到研究火災(zāi)初期，采用T2火源[參考(Ingason，2006)和其他學(xué)者的建議值]：

式中：Q為熱釋放率(MW)；α為系數(shù)0.05(MW/min2)。

由法國(guó)的Heselden等人通過(guò)大量的理論和試驗(yàn)研究繪制的發(fā)煙量和熱釋放率關(guān)系可知，5MW時(shí)的發(fā)煙量為18kg/s。模擬時(shí)設(shè)定煙氣主要成分為空氣(CO2、CO)，前者占總質(zhì)量的95 %，后者占5 %，其中CO占5 %中的1/20。

1.2 流動(dòng)模型

(1)連續(xù)性方程：

(2)運(yùn)動(dòng)方程：

(3)能量方程：

(4)組分方程：

(5)扼流效應(yīng)煙流阻力：

式中：mk1、mk2分別為火災(zāi)斷面溫度和環(huán)境溫度比；D為隧道斷面水力直徑；α為隧道坡度。

(6)浮生效應(yīng)煙流阻力：

hb=(ρ-ρ0)gLsinα=ρ0gLsinα(mk-1)

(7)

(7)煙流摩擦阻力：

(8)臨界速度：

式中：vcr為臨界風(fēng)速；H 為隧道高度；Q 為火災(zāi)時(shí)熱釋放速率；ρ0為空氣密度；cp為空氣定壓比熱；A 為隧道凈橫斷面面積；Tf為熱空氣溫度；T0為環(huán)境空氣溫度；κ為無(wú)量綱系數(shù)，κ= 0. 61； Kg為坡度修正系數(shù)。

2 計(jì)算模型及設(shè)置條件

計(jì)算隧道模型如圖1、圖2所示，長(zhǎng)100m，寬6m；火源距上游30m，處于截面中央位置。火源尺寸為：2.5m×1.5m×1.5m(長(zhǎng)×寬×高)；測(cè)點(diǎn)A、B 距地面分別為1.5m、3.5m。

圖1 隧道斷面尺寸圖(單位：mm)

圖2 隧道網(wǎng)格劃分模型

Fluent軟件的操作環(huán)境中，初始條件：入口平均風(fēng)速為1m/s，相對(duì)壓力為0Pa；設(shè)置Boussinesq參數(shù)，即隧道空氣平均溫度和密度分別為300K和1.225kg/m3，浮升力加速度 -9.8m/s2；出口為壓力出口。邊界條件：壁面的表面粗糙系數(shù)設(shè)為0.02，壁面厚度0.5m處溫度恒為290K(考慮到地下恒溫)；隧道入口均設(shè)為速度入口，出口設(shè)為壓力出口。在溫度傳遞過(guò)程中，考慮輻射傳熱作用，采用DO輻射模型。本文采用SIMPLE算法來(lái)處理速度和壓力的耦合[7]。

3 模擬結(jié)果分析

通過(guò)模擬煙氣的流動(dòng)規(guī)律，分析火源模型和流動(dòng)模型的并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)公式(可得臨界風(fēng)速vcr=1.56m/s，熱煙氣溫度Tf=431K)分析如下。

3.1 速度場(chǎng)

圖3為火源中心橫斷面的速度矢量圖。根據(jù)模擬可知：盡管隧道進(jìn)口風(fēng)速為1m/s，但是火源中心斷面，火焰在熱浮升力的作用下，風(fēng)速最最大可達(dá)5.5m/s。氣流的運(yùn)動(dòng)規(guī)律：隨著火源處氣流溫度升高，由于熱浮升力的作用，氣流逐漸向上擴(kuò)散，當(dāng)其到達(dá)拱頂時(shí)，受其限制，速度向兩側(cè)偏轉(zhuǎn)，當(dāng)其沿著壁面兩側(cè)繼續(xù)下降遇到縱向的冷氣流時(shí)，在卷吸力作用下，在頂部?jī)蓚?cè)附近形成一定的漩渦(基本對(duì)稱)。此時(shí)隧道形狀和空間的限制，速度場(chǎng)因而變得復(fù)雜。

圖3 t=600 s時(shí)，y=-20的橫斷面速度矢量圖

3.2 溫度場(chǎng)

圖4是通風(fēng)速度為1m/s時(shí)，火災(zāi)發(fā)生300s時(shí)，隧道中的三維等溫面效果圖。可知在火災(zāi)下游的溫度分布相對(duì)比較復(fù)雜，需要全面的了解火災(zāi)發(fā)展的動(dòng)態(tài)過(guò)程，才能把握其規(guī)律。

圖4 隧道200℃三維等溫面

3.2.1 縱斷面溫度分布

圖5為火災(zāi)前期，隧道縱斷面不同時(shí)刻的溫度分布。

圖5 風(fēng)速1 m/s時(shí)各個(gè)時(shí)刻隧道縱斷面溫度分布

T=100s時(shí)，火源所產(chǎn)生的煙氣在上游通風(fēng)氣流的作用下，開(kāi)始向下游蔓延，但擴(kuò)散距離短，而且溫度低。因?yàn)榇藭r(shí)產(chǎn)生的高溫?zé)煔廨^少，且火源處受到上游縱向氣流力的作用強(qiáng)于浮升力的作用，所以煙氣并未達(dá)到拱頂處。

T=200s時(shí)，火源產(chǎn)生的煙氣溫度緩緩上升，此時(shí)，煙流受到的浮升力作用逐漸變強(qiáng)，高溫?zé)煔庵饾u向下游及拱頂處擴(kuò)散，進(jìn)而到達(dá)拱頂之后，煙層厚度逐漸變薄，隨后又逐漸變厚，這就是所謂的“魚(yú)躍現(xiàn)象”。“魚(yú)躍區(qū)”距火災(zāi)距離火源較遠(yuǎn)，且下游的煙霧溫度較低。

T=300s時(shí)，火源產(chǎn)生的煙氣溫度逐漸升高，此時(shí)，在浮升力作用顯著增強(qiáng)，高溫?zé)煔庀蛏蠑U(kuò)散，向下游擴(kuò)散很短的距離后，便到達(dá)拱頂，此時(shí)，同樣有“魚(yú)躍現(xiàn)象”產(chǎn)生。“魚(yú)躍區(qū)”距火災(zāi)距離火源非常近，煙氣分層現(xiàn)象明顯，煙層出現(xiàn)少許的波浪形。

T=400s時(shí)，火源產(chǎn)生的煙氣溫度繼續(xù)升高，開(kāi)始有“回流”趨勢(shì)，火源下游的高溫?zé)煔夥謱釉龆啵遥棒~(yú)躍區(qū)”后拱頂處的溫度顯著升高。

T=500s時(shí)，煙氣出現(xiàn)“回流”現(xiàn)象，但此時(shí)回流長(zhǎng)度短，回流區(qū)煙層厚度較薄。

T=600s時(shí)，煙氣回流長(zhǎng)度逐漸變大，煙層逐漸變厚。

T=700s時(shí)，火災(zāi)基本趨于穩(wěn)定，此時(shí)高溫?zé)煂硬ɡ司€波浪增多，且分層明顯，回流也趨于穩(wěn)定，回流長(zhǎng)度為15m。

3.2.2 橫斷面溫度分布

從橫斷面的溫度(圖6)來(lái)看，開(kāi)始火災(zāi)剛剛蔓延到拱頂，200s時(shí)可知在拱頂下方兩側(cè)有兩個(gè)對(duì)稱的高溫核心區(qū)，核心區(qū)向外溫度逐漸減小，但左右兩側(cè)溫度分布都保持對(duì)稱；400s時(shí)高溫核心區(qū)逐漸向左上方(拱頂及兩側(cè))方向移動(dòng)，溫度出現(xiàn)分層，呈現(xiàn)出中間溫度低、兩側(cè)溫度高的現(xiàn)象，此外還可知，在介于中央低溫區(qū)和兩側(cè)壁面的高溫區(qū)之間有一段溫度分布厚度大；600s溫度分層更為明顯，拱頂兩側(cè)溫度繼續(xù)升高而且顯著高于下層。

圖6 火源下游10 m的橫斷面不同時(shí)刻溫度分布

3.2.3 測(cè)點(diǎn)A、B的溫度非穩(wěn)態(tài)變化

圖7、圖8為測(cè)點(diǎn)A、B不同時(shí)刻的縱向溫度分布，從圖中可以看出在火源處的溫度迅速升高，且拱頂處溫度高，隨著高溫?zé)煔獾穆樱瑴y(cè)點(diǎn)A、B都反映出“魚(yú)躍現(xiàn)象”。隨著時(shí)間的推移魚(yú)躍區(qū)逐漸向火源靠近。

從測(cè)點(diǎn)A的溫度分布可知，沿著隧道方向，溫度到火源處溫度迅速飆升，在火源下游，出現(xiàn)溫度的波動(dòng)，呈現(xiàn)出溫度先下降后又升高的規(guī)律；從測(cè)點(diǎn)B的溫度分布可知，在火源上方即拱頂處，溫度急劇升高，隨著縱向的距離的增大，溫度逐漸減小。不同于A測(cè)點(diǎn)，B測(cè)點(diǎn)的最高溫度出現(xiàn)“漂移”，出現(xiàn)在火源右上方位置。此外，從穩(wěn)定后的溫度分布可知，煙氣回流長(zhǎng)度為15m。

圖7 測(cè)點(diǎn)A不同時(shí)刻縱向溫度分布

4 結(jié)論

利用三維數(shù)值模擬對(duì)隧道火災(zāi)的非穩(wěn)態(tài)變化規(guī)律研究是可行的，通過(guò)模擬可以得出火災(zāi)發(fā)展前期。隧道中速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)的分布以及變化規(guī)律。

(1) 在隧道縱向通風(fēng)速度為1m/s時(shí)，煙氣出現(xiàn)回流現(xiàn)象；通過(guò)計(jì)算得到臨界風(fēng)速為1.56m/s，可以預(yù)測(cè)當(dāng)V=2m/s時(shí)，回流現(xiàn)象可以得到有效地控制。

(2)火源下游，高溫?zé)煔庥小棒~(yú)躍現(xiàn)象”產(chǎn)生，隨著時(shí)間的推移，“魚(yú)躍區(qū)”逐漸靠近火源。

(3)靠近火源處下游附近，隧道拱腰附近有兩個(gè)對(duì)稱的高溫核心區(qū)，中心溫度高，周圍溫度低；遠(yuǎn)離火災(zāi)處，溫度分布規(guī)律呈拱頂及兩側(cè)壁面溫度高，拱頂下方溫度分層且依次下降。

①采用左向焊，焊槍與焊件間的夾角約為75°～80°，左向焊容易看清坡口，焊縫成型較好，不易出氣孔。

②焊接板厚為34mm，為得到一定的焊縫寬度，焊槍可作適當(dāng)?shù)臋M向擺動(dòng)，但焊絲不應(yīng)插入對(duì)縫的間隙內(nèi)。

③在起弧處提前送氣2～3s，排除待焊處的空氣。

④焊絲伸出長(zhǎng)度6～8mm為宜。

⑤引弧位置應(yīng)設(shè)在距焊道端頭5～10mm處，電弧引燃后，緩慢返回端頭。

⑥噴嘴末端與焊件的距離以10mm左右為宜，焊槍以直線運(yùn)走或直線往復(fù)運(yùn)走為好。

⑦采用短弧焊接，并使焊絲伸出長(zhǎng)度的變化最小。

⑧焊接結(jié)束時(shí)，要填滿弧坑，焊縫熔池尚未凝固冷卻之前要繼續(xù)通氣保護(hù)熔池。

4.4 焊后處理

(1)焊后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行緩冷熱處理，可采用電和火焰二種方式加熱，硅酸鋁纖維毯保溫，以保證焊接質(zhì)量。這是減小焊接變形的有效措施，不可忽視。

(2)焊后及時(shí)進(jìn)行焊縫外觀檢查和焊縫無(wú)損檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題立即返修處理，返修處理時(shí)也應(yīng)按照前述的工藝進(jìn)行操作，否則可能會(huì)出現(xiàn)影響焊接質(zhì)量的焊接變形。

5 結(jié)束語(yǔ)

回轉(zhuǎn)窯筒體安裝質(zhì)量及焊接質(zhì)量直接關(guān)系到球團(tuán)礦熟料的生產(chǎn)能力，進(jìn)而影響鋼廠的生產(chǎn)能力和設(shè)備壽命。冶金鋼廠球團(tuán)礦回轉(zhuǎn)窯筒體的組對(duì)焊接質(zhì)量，是回轉(zhuǎn)窯安裝的一個(gè)重要且關(guān)鍵的工序環(huán)節(jié)，如何快速、安全、高質(zhì)、高效地進(jìn)行施工，是我們施工單位致力于研究和實(shí)踐所追求的目標(biāo)，希望我們的這個(gè)成果能夠?qū)ψx者有所參考和啟發(fā)，能夠推動(dòng)這樣的研究和實(shí)踐往前再邁進(jìn)一步。

[1]GB50551-2010球團(tuán)機(jī)械設(shè)備安裝工程質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范[S]

[2]GB50236-2011現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、工業(yè)管道焊接工程施工及驗(yàn)收規(guī)范[S]