城市地下長(zhǎng)直隧道火災(zāi)近火源區(qū)長(zhǎng)度確定

李炎鋒，趙威翰，邊　江，李俊梅，侯昱晟

(北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院， 北京100124)

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城市地下長(zhǎng)直隧道火災(zāi)近火源區(qū)長(zhǎng)度確定

李炎鋒，趙威翰，邊江，李俊梅，侯昱晟

(北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院， 北京100124)

以城市地下長(zhǎng)直交通隧道為研究對(duì)象，利用大渦模擬手段計(jì)算與火災(zāi)煙氣擴(kuò)散有關(guān)的近火源區(qū)長(zhǎng)度,而該長(zhǎng)度值是場(chǎng)—網(wǎng)復(fù)合模擬方法研究隧道火災(zāi)的關(guān)鍵因素。分別考慮了隧道斷面尺寸、火源功率、火源熱釋放效率變化曲線對(duì)近火源區(qū)長(zhǎng)度的影響。通過(guò)計(jì)算三種不同隧道尺寸和功率的工況下隧道截面的溫差值以及溫差變化率來(lái)確定煙氣擴(kuò)散的充分發(fā)展區(qū)域，從而確定近火源區(qū)長(zhǎng)度，研究表明：對(duì)于30 MW范圍內(nèi)的t2超快速火，火源下游120 m距離即近火源區(qū)長(zhǎng)度為240 m，煙氣流動(dòng)均已充分發(fā)展。近火源區(qū)長(zhǎng)度值受隧道尺寸和火源功率的影響不大；對(duì)比Carvel提出火災(zāi)發(fā)展兩階段模型和t2超快速火模型的分析結(jié)果，火源發(fā)展規(guī)律是影響近火源區(qū)長(zhǎng)度值的一個(gè)重要因素。

場(chǎng)—網(wǎng)復(fù)合模擬；隧道；火災(zāi)；煙氣擴(kuò)散

0　引　言

數(shù)值模擬是研究隧道火災(zāi)煙氣擴(kuò)散的重要手段。對(duì)于長(zhǎng)直隧道，雖然火災(zāi)模型可以預(yù)測(cè)隧道全局火災(zāi)情況，但是主要存在以下問(wèn)題：①現(xiàn)有隧道火災(zāi)研究就如何確定隧道的計(jì)算區(qū)域長(zhǎng)度沒(méi)有明確的標(biāo)準(zhǔn)和依據(jù)。文獻(xiàn)只是根據(jù)整個(gè)隧道長(zhǎng)度來(lái)選擇隧道計(jì)算區(qū)域長(zhǎng)度，但沒(méi)有進(jìn)行選擇依據(jù)說(shuō)明[1-4]。對(duì)于長(zhǎng)隧道模擬需要建立大量網(wǎng)格，計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)；②目前普遍采用的是局部建模擬定邊界條件的方式，多數(shù)情況下模擬的邊界條件都是由粗略的估計(jì)或者冷煙實(shí)驗(yàn)確定，這些數(shù)據(jù)能否作為評(píng)估火災(zāi)系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)還需要研究。合理解決長(zhǎng)距離隧道通風(fēng)煙氣控制工況就是采用場(chǎng)—網(wǎng)模型復(fù)合研究[5]。

場(chǎng)—網(wǎng)模型復(fù)合研究的基本思路是將場(chǎng)、網(wǎng)單獨(dú)模擬的結(jié)果作為彼此的邊界條件，原理如圖1所示[6-7]。大量火災(zāi)風(fēng)流和煙流的研究表明，運(yùn)行的風(fēng)機(jī)附近與火源附近的流場(chǎng)存在復(fù)雜的3D摻混流動(dòng)，溫度和速度的變化率都很大。所以該區(qū)域只能使用CFD模擬的方式才能得到詳細(xì)的參數(shù)，該區(qū)域稱(chēng)之為近火源區(qū)域(near field，NF)。然而在遠(yuǎn)離火源的一定距離外或者在遠(yuǎn)離風(fēng)機(jī)的一定范圍外，溫度和速度的變化率趨近于零，流場(chǎng)變?yōu)槊黠@的1D流態(tài),這一部分區(qū)域稱(chēng)之為遠(yuǎn)火源區(qū)域(far field，F(xiàn)F)。對(duì)于FF區(qū)域，利用CFD研究會(huì)對(duì)計(jì)算要求大量增高然而卻只能取得很小的精度提高。為了提高計(jì)算效率并保持一定的計(jì)算精度，可以采用場(chǎng)—網(wǎng)模型復(fù)合研究方式，即通過(guò)1D-CFD交界面耦合相互交換流體數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算整個(gè)區(qū)域的參數(shù)。

圖1　場(chǎng)—網(wǎng)復(fù)合模型原理圖

場(chǎng)—網(wǎng)復(fù)合模型方法用于隧道火災(zāi)研究一個(gè)很重要的問(wèn)題就是需要對(duì)CFD模擬精度與NF區(qū)域長(zhǎng)度進(jìn)行研究。CFD模擬精度將會(huì)決定模擬數(shù)值交換結(jié)果的準(zhǔn)確性，而兩種模型的邊界位置必須處于流動(dòng)已經(jīng)充分發(fā)展、溫度梯度與速度梯度較小。Colella等[8]雖然開(kāi)展了多尺度模型模擬研究，但沒(méi)有給出劃分NF區(qū)域范圍的依據(jù)和思路。目前場(chǎng)—網(wǎng)復(fù)合模型用于高層建筑火災(zāi)，并通過(guò)了實(shí)際尺寸的實(shí)體驗(yàn)證，結(jié)果表明場(chǎng)—網(wǎng)復(fù)合模型計(jì)算準(zhǔn)確性高于單一的網(wǎng)絡(luò)模擬，計(jì)算值更接近于實(shí)驗(yàn)結(jié)果[9-10]。但是，國(guó)內(nèi)學(xué)者還沒(méi)有將場(chǎng)—網(wǎng)復(fù)合模型用于隧道火災(zāi)研究的文獻(xiàn)發(fā)表。

本研究主要以城市長(zhǎng)直地下隧道為研究對(duì)象，基于常見(jiàn)的城市交通隧道參數(shù)，通過(guò)數(shù)值模擬手段分析隧道的幾何尺寸、火源功率即增長(zhǎng)特性等對(duì)確定NF范圍的影響，為場(chǎng)—網(wǎng)復(fù)合研究城市交通隧道火災(zāi)煙氣控制提供依據(jù)。

1　隧道物理模型及火災(zāi)場(chǎng)景

以城市地下隧道為研究對(duì)象，根據(jù)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)選擇相關(guān)參數(shù)。研究表明,隧道長(zhǎng)度及斷面的幾何尺寸、火源功率及增長(zhǎng)特性是長(zhǎng)直隧道火災(zāi)煙氣擴(kuò)散主要影響因素[11]。

1.1隧道斷面尺寸

參考了若干國(guó)內(nèi)城市隧道與國(guó)外城市隧道的尺寸，以《城市地下道路工程設(shè)計(jì)規(guī)范》與美國(guó)隧道規(guī)范的要求建立模型[12-13]。城市地下隧道建筑限界見(jiàn)圖2，隧道模型尺寸如表1所示。

圖2中，E為建筑限界頂角寬度，不應(yīng)大于機(jī)動(dòng)車(chē)道或非機(jī)動(dòng)車(chē)道的側(cè)向凈寬；Hc為機(jī)動(dòng)車(chē)車(chē)行道最小凈高；Wmc為路緣帶寬度；Wpc為機(jī)動(dòng)車(chē)道路面寬度；h1為防撞側(cè)石高度；Wsc為安全帶寬度。

表1選擇的城市地下隧道幾何尺寸

Tab.1Selected urban underground tunnel size

類(lèi)別寬Wpc/m高Hc/m設(shè)備帶Wmc/m吊頂內(nèi)高/m三車(chē)道模型12.254.30.50.8二車(chē)道模型94.30.50.8一車(chē)道模型64.30.00.8

1.2火源功率

為了針對(duì)不同火源功率進(jìn)行研究，參考已有研究成果選取三種火源功率，分別對(duì)于大客車(chē)，中巴和小汽車(chē)火災(zāi)情況，對(duì)應(yīng)火源功率為30、15和5 MW[14]。

1.3火源熱釋放速率

為了研究火源熱釋放速率對(duì)于煙氣流動(dòng)分層與穩(wěn)定性影響。選取了2種火源熱釋放速率，一個(gè)是應(yīng)用范圍很廣的t2火熱釋放效率。另外是Carvel等在對(duì)于貨車(chē)火災(zāi)做了實(shí)驗(yàn)評(píng)定之后，發(fā)現(xiàn)t2火并不能夠與任何實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相匹配，提出了一種兩個(gè)階段線性化近似模型如圖3所示[11]。依照NFPA 502(2014版)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，則隧道車(chē)輛火災(zāi)的熱釋放率增長(zhǎng)曲線對(duì)于小型汽車(chē)火災(zāi)(低于20.0 MW)可設(shè)定為快速增長(zhǎng)t2火災(zāi)，對(duì)于公共汽車(chē)及大型載重貨車(chē)(20.0 MW)大于可以考慮采用Carvel火災(zāi)模型。

圖2城市地下隧道建筑限界

Fig.2Boundary line of urban underground road

圖3火災(zāi)發(fā)展兩個(gè)階段線性化模型

Fig.3Fire linearized model of development in two phases

2　數(shù)值模型

2.1數(shù)學(xué)模型

本文選用美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院開(kāi)發(fā)的計(jì)算流體力學(xué)(computational fluid dynamics, CFD)模擬軟件FDS5.0 (fire dynamics simulator, FDS)來(lái)模擬煙氣擴(kuò)散。FDS軟件計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性已得到了大量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并且已被認(rèn)為是火災(zāi)研究的重要工具之一[11]。它利用大渦模擬技術(shù)求解低速、熱驅(qū)動(dòng)流動(dòng)的Navier-Stokes方程，根據(jù)大渦模擬思想，對(duì)大渦直接求解，對(duì)小渦采用模型求解。FDS應(yīng)用Smagorinsky模型求解小渦模型。在模型中流體動(dòng)力黏性系數(shù)表示為：

(1)

2.2網(wǎng)格尺寸以及網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證

取火源功率Q=30 MW，計(jì)算不同網(wǎng)格尺寸下火源下游100 m中心點(diǎn)溫度與軸向速度值。模型使用30 MW火源，全程無(wú)通風(fēng)，邊界為OPEN。墻體邊界設(shè)置為熱厚性邊界，F(xiàn)DS中設(shè)置為“CONCRETE”屬性。

數(shù)值模擬保證精度一個(gè)重要因素是網(wǎng)格尺寸。研究表明：火災(zāi)特征直徑D*與網(wǎng)格尺寸的大小有很大關(guān)系[12]。在火災(zāi)模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比中，當(dāng)FDS模型的網(wǎng)格尺寸d=0.1D*，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果非常吻合?；馂?zāi)特征直徑D*表達(dá)式如下:

(2)

其中D*為火災(zāi)直徑，m；Q為火源熱釋放率，kW；ρ∞為環(huán)境空氣密度，kg/m3；cp為定壓比熱，J/(kg·K)；T∞為環(huán)境空氣溫度，K；g為重力加速度，m/s2。

考慮到場(chǎng)—網(wǎng)復(fù)合模型要將一個(gè)斷面的參數(shù)化成一點(diǎn)的參數(shù)輸入到1D模型里面，其中小的誤差可能會(huì)導(dǎo)致更大的系統(tǒng)評(píng)估的誤差。表2,表3分別給出了選取不同網(wǎng)格參數(shù)及其對(duì)應(yīng)的模擬結(jié)果。

為了保證場(chǎng)—網(wǎng)復(fù)合模擬的計(jì)算精度，可以取比傳統(tǒng)FDS網(wǎng)格劃分的更細(xì)網(wǎng)格以保證精度。根據(jù)表3，可以看出選擇d=0.07D*計(jì)算參數(shù)的相對(duì)誤差能夠保持在5%以內(nèi)。本研究所有數(shù)值模擬中網(wǎng)格劃分都遵照該原則。

表2　選取網(wǎng)格參數(shù)Tab.2　Mesh selected

表3　不同尺寸網(wǎng)格數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比Tab.3　Result comparison with different meshes

3　計(jì)算結(jié)果與分析

機(jī)械通風(fēng)狀態(tài)下火源上游臨界風(fēng)速會(huì)加劇火源下游空氣層的混合，會(huì)使下游流場(chǎng)更快充分發(fā)展。而長(zhǎng)直隧道內(nèi)火災(zāi)煙氣自然擴(kuò)散達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)距離更長(zhǎng)。因此，通過(guò)研究無(wú)風(fēng)工況下長(zhǎng)直隧道內(nèi)煙氣層達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)位置從而確定NF區(qū)域的計(jì)算結(jié)果會(huì)更加保守。在場(chǎng)—網(wǎng)復(fù)合模型中能夠滿足邊界條件參數(shù)交互的精度要求。

3.1煙氣自然擴(kuò)散工況NF長(zhǎng)度確定依據(jù)

研究成果[13]表明，對(duì)于吹風(fēng)機(jī)等冷流體流場(chǎng)，Ld(吹風(fēng)口到下游交界面的距離)與Dh(隧道水力直徑)之間的比值大約是20。根據(jù)隧道幾何尺寸確定計(jì)算隧道長(zhǎng)度確定為500 m，火源位于中部，上下游各250 m。

為了確定3D模型內(nèi)部的模擬結(jié)果都可以滿足NF斷面交互的精度要求，需要討論3D模擬的邊界位置。主要依據(jù)是通過(guò)截面平均溫度以及溫度變化率來(lái)確定沿隧道方向截面參數(shù)規(guī)律[15-16]。平均溫度考慮斷面上不同高度、寬度的10個(gè)計(jì)算測(cè)點(diǎn)值平均而得到。采用斷面溫度變化率的原因主要是通過(guò)考慮不同斷面的最大溫差值之間的變化來(lái)反映沿隧道縱向溫度衰減速率。溫度變化率ε表達(dá)式為：

(3)

式中：Th為斷面最高溫度，Tl為斷面最低溫度。

3.2隧道幾何尺寸的對(duì)NF區(qū)域長(zhǎng)度影響

按照確定尺寸建立，分別為一車(chē)道模型、二車(chē)道模型和三車(chē)道隧道模型，火源功率維持30 MW，火源成長(zhǎng)曲線采用Carvel等實(shí)驗(yàn)得出的經(jīng)驗(yàn)公式(見(jiàn)圖3)。圖4(a)、(b)分別給出了三種工況下火源下游的不同距離的截面上的溫度變化。圖中L表示距離火源的距離, ΔT表示截面平均溫度與外界溫度的溫差值，ε表示溫度變化率。

(a) 截面平均溫度與外界溫度的溫差值

(b) 溫度變化率

圖4不同距離截面上溫差值和溫度變化率

Fig.4Average temperature difference and temperature change rate in tunnel section

從圖4(a)可以看出溫度差值在一定距離之后會(huì)趨近于恒定。不管是一車(chē)道、二車(chē)道還是三車(chē)道模型，而隧道尺寸對(duì)溫度差值的影響最明顯的區(qū)域是25 m內(nèi)。在100 m之后，溫度的變化趨于平緩，而在120 m以后，平均溫度和溫度差值基本恒定不變。

從圖4(b)中所示的溫度變化率的可以發(fā)現(xiàn)，溫度變化率的拐點(diǎn)確實(shí)出現(xiàn)在120 m左右，當(dāng)?shù)竭_(dá)120 m之后，溫度的變化率雖然也在降低，但是其降低梯度已經(jīng)開(kāi)始減小。而這與平均溫度、溫度差值的結(jié)果相符。表明在火源120 m之后，所有工況下流場(chǎng)都充分發(fā)展。

3.2火源功率的影響

圖5(a)和圖5(b)給出了三種火源功率5、15、30 MW工況下距離火源不同位置截面上的溫差值ΔT和溫度變化率ε情況。

(a) 截面平均溫度與外界溫度的溫差值

(b) 溫度變化率

圖5三種火源工況下隧道截面溫差值以及溫度變化率

Fig.5Average temperature difference and temperature change rate in three fire source

可以看到不管是5 MW，15 MW還是30 MW的火源工況，溫度差值在一定距離之后會(huì)趨近于恒定。距火源25 m的區(qū)域內(nèi)變化最明顯，在100 m之后，溫度的變化趨于平緩，在120 m以后，溫度差值基本恒定不變。而120 m確實(shí)是一個(gè)分界線，基本上達(dá)到120 m之后，整個(gè)溫度變化率的變化趨勢(shì)開(kāi)始趨于平緩。可以得到結(jié)論：三種火源功率均可以選取120 m為火源充分發(fā)展段。

3.3火源熱釋放率的影響

火源成長(zhǎng)曲線分別選擇常用的t2超快速火和Carvel近似模型兩種情況。火源功率取30 MW, 成長(zhǎng)曲線如圖6所示。

(a)t2超快速火

(b) Carvel近似模型

圖630 MW火源兩種成長(zhǎng)曲線

Fig.6Two different grow curve of 30 MW fire

圖7(a)和圖7(b)分別給出了兩種火源成長(zhǎng)曲線下不同斷面溫差和溫度變化率情況。可以看出，t2超快速火達(dá)到穩(wěn)定的距離在120 m左右，但是Carvel近似公式得出的距離在240 m開(kāi)外。根據(jù)溫度變化率ε，可以看出，t2超快速火在120 m就能達(dá)到基本穩(wěn)定流場(chǎng)分層，而Carvel經(jīng)驗(yàn)公式則達(dá)到了240 m左右?？梢钥闯龌鹪闯浞諲F段的長(zhǎng)度與模擬選擇的火源發(fā)展曲線有重要關(guān)系。

(a) 截面平均溫度與外界溫度的溫差值

(b) 溫度變化率

圖7長(zhǎng)直隧道縱向溫度差值與溫度變化率

Fig.7Average temperature difference and temperature change rate in long tunnel

3.4計(jì)算數(shù)值與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的綜合分析

為了驗(yàn)證NF長(zhǎng)度模擬結(jié)果的可靠性，采用為數(shù)不多的國(guó)內(nèi)已經(jīng)開(kāi)展的城市隧道火災(zāi)全尺寸試驗(yàn)和比例模型實(shí)驗(yàn)中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。表4給出了兩個(gè)城市隧道現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)火源下游充分界面長(zhǎng)度，通過(guò)對(duì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究數(shù)據(jù)的調(diào)查，城市地下隧道無(wú)風(fēng)自然擴(kuò)散近火源區(qū)距離為120～160 m。

表4　城市隧道現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)火源下游充分界面長(zhǎng)度確定Tab.4　Determine the full interface length of fire source downstream in urban tunnel field test

綜合數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究結(jié)果表明，對(duì)于城市交通隧道自然通風(fēng)條件火災(zāi)數(shù)值模擬，采用t2火源，建議選擇NF區(qū)域長(zhǎng)度為240 m，即上下游各120 m，可以保證場(chǎng)—網(wǎng)復(fù)合模型的精度要求。如果采用Carvel近似公式，保守狀態(tài)上下游可以各240 m，總體NF區(qū)域長(zhǎng)度為480 m能夠滿足場(chǎng)—網(wǎng)復(fù)合模型的數(shù)據(jù)交互要求。關(guān)于隧道車(chē)輛火災(zāi)功率的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以參考NFPA502標(biāo)準(zhǔn)[17]，考慮不同類(lèi)型火災(zāi)發(fā)展規(guī)律特點(diǎn)，從保守的角度可以考慮選擇Carvel模型研究有大型車(chē)輛通過(guò)的隧道消防設(shè)計(jì)。

4　結(jié)　語(yǔ)

利用數(shù)值模擬手段研究了場(chǎng)—網(wǎng)復(fù)合模擬中交界面的確定因素并確定了保守條件下城市交通長(zhǎng)直隧道的NF斷面長(zhǎng)度。研究結(jié)論如下：

①隧道截面尺寸、功率對(duì)煙氣擴(kuò)散有影響。對(duì)于30 MW范圍的t2超快速火，自然擴(kuò)散狀態(tài)下在火源下游120 m距離處，不同幾何尺寸、隧道截面的煙氣流動(dòng)工況均能達(dá)到充分發(fā)展?fàn)顟B(tài)。即NF長(zhǎng)度為240 m可以滿足不同條件下火災(zāi)煙氣充分發(fā)展的場(chǎng)—網(wǎng)復(fù)合交界面。

②火源功率成長(zhǎng)曲線對(duì)NF段長(zhǎng)度的確定有重要影響。針對(duì)于t2火，NF斷面可以按照240 m進(jìn)行選取；當(dāng)使用Carvel經(jīng)驗(yàn)公式時(shí)，保守選取NF段長(zhǎng)度為480 m。需要開(kāi)展更多的試驗(yàn)研究地下道路火災(zāi)工況的火源功率發(fā)展過(guò)程。

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(責(zé)任編輯唐漢民梁碧芬)

Length of near field of fire sourcein urban long straight underground tunnel

LI Yan-feng, ZHAO Wei-han, BIAN Jiang, LI Jun-mei, HOU Yu-sheng

(Architecture and Civil Engineering of Beijing University of Technology, Beijing 100124, China)

Fire scenarios in urban long straight underground tunnel have been studied. The large eddy simulation method is used to calculate the length of near field of fire source which is related to smoke control in fire scenario. The length is a key factor to study tunnel fire with the hybrid field-network simulation method. Effects of tunnel section size, fire source power and thermal release efficiency have been taken into account to determine the full propagation distance of smoke. And the length of fully-developed fire field could be determined by the change rate of temperature and the temperature difference between smoke and atmosphere. Three different sizes of tunnels and fire powers have been analyzed to determine the length of near field of fire source. Results show that, fort2ultra-fast fire, power of which is less than 30 MW, smoke propagation would be fully developed within 120 m downstream from fire source under natural condition. It means that the length of near field of fire source is 240 m. It has also been found that the length of near field of fire source is almost not affected by tunnel size and fire source power. By comparing the two-stage model of fire development and thet2ultra-fast fire model proposed by Carvel, we have found that fire source development would be an important factor for the length of near field of fire source.

field-network hybrid model; urban tunnel; fire; smoke propagation

2016-03-22；

2016-04-18

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51278018);高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)科研基金資助項(xiàng)目(20121103110024)

李炎鋒(1971—)，男，河南省新密人，北京工業(yè)大學(xué)教授;E-mail: liyanfeng@bjut.edu.cn。

10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.1101

TU962

A

1001-7445(2016)04-1101-08

引文格式：李炎鋒，趙威翰，邊江,等.城市地下長(zhǎng)直隧道火災(zāi)近火源區(qū)長(zhǎng)度確定[J].廣西大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2016，41(4)：1101-1108.