縱向風溫度對隧道火災煙氣逆流長度和臨界風速影響的模擬研究

高天陽

(北京大興區消防支隊，北京 102600)

縱向風溫度對隧道火災煙氣逆流長度和臨界風速影響的模擬研究

高天陽

(北京大興區消防支隊，北京 102600)

運用數值模擬軟件，對不同縱向風溫度下，隧道火災的發展進行模擬，模擬結果顯示，隨著縱向風溫度的增大，隧道火災煙氣逆流長度不斷減小，相對應的抑制煙氣逆流的臨界風速也不斷減小。因此對隧道消防提出相應的排煙建議，即可以通過增大縱向風溫度的方法更好的進行隧道火災排煙。

隧道火災；縱向風；溫度；排煙

0 引言

隧道火災作為危害最嚴重的火災類型之一，雖然其發生火災的頻率并不如其他建筑物大，但一旦隧道火災發生，其必將會造成較大的人員傷亡和財產損失，社會危害性極大。研究隧道火災的發生發展及其相應的規律，對于更好的控制隧道火災，消除火災隱患具有重要的現實意義。對于隧道火災的研究，學界的研究方法主要有試驗方法和數值模擬方法，數值模擬的方法在試驗條件受到限制的時候，可以很好地輔助對火災的研究[1-2]。

國內外，關于運用數值模擬的方法對隧道火災的研究已取得許多重要的成果。其中最重要的是運用NIST開發的FDS數值模擬軟件對火災的發展及控制進行模擬。W.K. Chow等人運用該類軟件對隧道火災火羽流及煙氣蔓延特性進行了模擬。S. Bari運用FLUENT預測了隧道火災情況下，隧道內溫度場的分布、煙氣運動等特征[3-4]。國內胡隆華等人通過FDS對火災在不同隧道坡度情況下的發展進行了模擬研究。在隧道火災的研究中，煙氣的逆流長度和相對應的臨界風速是學者們比較關心的問題。

1 逆流長度和臨界風速

1.1 定義

在隧道發生火災時，火災產生的煙氣會沖擊頂棚，當煙氣達到頂棚時會逐漸下降并形成煙氣層。此時，需要機械排煙的方法來清除隧道內的煙氣來保證人員安全。煙氣逆隧道縱向風運動的現象，即為煙氣的逆流現象，煙氣逆縱向風蔓延距火源的長度即為煙氣的逆流長度。

關于隧道火災的煙氣逆流現象，前人在研究中進一步提出了臨界風速這一概念。不難想象，隨著隧道內縱向風風速的不斷增大，火災煙氣的逆流長度會不斷的減小，當縱向風風速繼續增大到某一定值時，煙氣就不再有逆流現象，此時的縱向風風速即為此種工況下，隧道火災的臨界風速。圖1和圖2分別是有煙氣逆流現象和臨界風速下逆流現象消失的示意圖。

1.2 理論基礎

對于隧道火災的煙氣逆流長度，Thomas等人通過對隧道煙氣的弗洛德數進行理論分析，得出了如下關于煙氣逆流長度的公式[5]：

圖1 有逆流長度的工況

圖2 無逆流長度的工況

(1)

式中，L*是無量綱的煙氣逆流長度，即逆流長度(L)與隧道高度(H)的比值；g是重力加速度；Q是火源的熱釋放速率；ρa和cp分別是空氣的密度和比熱容；Tf是火焰溫度；V是隧道內的縱向風風速；A是隧道的截面積。

(2)

式中，Vc是臨界風速；Q*是火源的無量綱熱釋放速率；Vmax是指一個無量綱的超臨界風速，僅由隧道幾何形狀以及火源在隧道內的相對位置決定。

通過對前人關于隧道火災研究內容的分析，發現對于縱向風溫度對隧道火災發展的影響的研究還未有涉及，本文以此問題作為研究內容。

2 模擬研究

2.1 模型的建立

本文確定的研究模型是一個30m×4m×4m(長×寬×高)的隧道，運用FDS進行模擬，網格數為180×24×24。火源功率為500kW，尺寸為0.4m×0.4m，置放在隧道中間。縱向風從隧道的一側通入，風速為1.2～1.5m·s-1，隧道另一側則與外界相通。模擬時間為300s，經過驗證發現，在這一時間內，煙氣運動已達到穩定狀態，因此時間設置是合理的。隧道頂棚布置了熱電偶，可以實時測量火災中隧道頂棚的煙氣溫度。并通過分析煙氣溫度的方法來判斷煙氣的逆流長度和相應的臨界風速。本文選取的縱向風溫度變化范圍為-10～40 ℃，研究在不同縱向風溫度下，其對隧道火災煙氣逆流長度和臨界風速的影響。模擬的尺寸如圖1和圖2所示。

2.2 模擬結果

2.2.1 逆流長度

選取縱向風風速為1.3m·s-1時，縱向風溫度從-10 ℃到40 ℃情況下，模擬研究隧道內火災煙氣逆流長度的變化，截取穩定時刻的典型熱煙氣運動圖片如圖3～圖8所示。

根據布置在隧道頂棚的熱電偶測得的穩定時的溫度來判斷熱煙氣是否蔓延到相應的位置，從而確定該種工況下的煙氣逆流長度。圖9～圖11所示為隧道火災在縱向風風速1.2、1.3、1.4m·s-1情況下的煙氣逆流長度隨著縱向風溫度的變化情況。處理數據中發現，在出現逆流現象時，逆流長度隨著縱向風溫度的增高而降低，相關的數據基本符合線性擬合的關系。當風速達到1.5m·s-1時，煙氣不再出現逆流情況，說明此時的臨界風速小于或者等于1.5m·s-1。確切的臨界風速值可以通過后續的數據分析與計算得到。

圖3 T=-10 ℃情況下的煙氣運動圖

圖4 T=0 ℃情況下的煙氣運動圖

圖5 T=10 ℃情況下的煙氣運動圖

圖6 T=20 ℃情況下的煙氣運動圖

圖7 T=30 ℃情況下的煙氣運動圖

2.2.2 臨界風速

根據前文中關于在不同縱向風溫度下，隧道火災煙氣逆流長度的變化情況，算得相應工況下的臨界風速，如圖12所示。可以看到的是，隨著隧道內縱向風溫度的增大，抑制煙氣逆流的臨界風速逐漸減小。因此本文的研究成果在工程上的應用為，當隧道內發生火災時，可以在隧道一端通入熱縱向風來進行排煙，這樣可以降低所需的排煙臨界風速。

圖8 T=40 ℃情況下的煙氣運動圖

圖9 風速1.2 m·s-1下的煙氣逆流長度

圖10 風速1.3 m·s-1下的煙氣逆流長度

3 結論

通過模擬研究，可得出以下結論：(1)隨著隧道內縱向風溫度的增大，煙氣逆流長度不斷減小，抑制煙氣的臨界風速也不斷減小。(2)實際工程中，可以通過增大縱向風溫度的方法來更好的進行隧道火災的排煙。

圖11 風速1.4 m·s-1下的煙氣逆流長度

圖12 不同縱向風溫度下的臨界風速

[1] 李歡歡,朱國慶,陳少松,等.公路隧道中臨界風速數值模擬研究[J].消防科學與技術,2011,30(3):198-201.

[2] 楊瑞新,陳雪峰.高等級公路長隧道火災特點及消防設計初探[J].消防科學與技術,2002,21(9):50-52.

[3]HULH,CHENLF,WUL,etal. An Experimental Investigation and Correlation on Buoyant Gas Temperature below Ceiling in a Slopping Tunnel Fire[J]. Applied Thermal Engineering,2013,51(1):246-254.

[4] CHOW W K. Simulation of Tunnel Fires Using a Zone Model[J]. Tunnelling and Underground Space Technology,1996,11(2):221-236.

[5] 易亮，楊洋，徐志勝，等.縱向通風公路隧道火災拱頂煙氣最高溫度試驗研究[J].燃燒科學與技術,2011,17(2):109-114.

(責任編輯 馬 龍)

The Effect of Crosswind Temperature on Tunnel Fire Back-layering Length and Critical Velocity

GAO Tianyang

(DaxingDistrictMunicipalFireBrigade,Beijing102600,China)

Numerical software is used to simulate the tunnel fire characteristics and development under different crosswind temperatures. Results show that with the increase in crosswind temperature, a tunnel fire back-layering length decreases, and thus the corresponding critical velocity to arrest the back-layering also decreases. Suggestions were proposed to better exhaust tunnel fire smoke, which is to increase the crosswind temperature.

tunnel fire; crosswind; temperature; smoke exhaust

2015-09-06

高天陽(1985— )，男，吉林公主嶺人，助理工程師。

U458.1; D631.6

A

1008-2077(2015)12-0010-04