城市地下長直隧道火災近火源區長度確定

李炎鋒，趙威翰，邊　江，李俊梅，侯昱晟

(北京工業大學建筑工程學院， 北京100124)

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城市地下長直隧道火災近火源區長度確定

李炎鋒，趙威翰，邊江，李俊梅，侯昱晟

(北京工業大學建筑工程學院， 北京100124)

以城市地下長直交通隧道為研究對象，利用大渦模擬手段計算與火災煙氣擴散有關的近火源區長度,而該長度值是場—網復合模擬方法研究隧道火災的關鍵因素。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近火源區長度的影響。通過計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確定煙氣擴散的充分發展區域，從而確定近火源區長度，研究表明：對于30 MW范圍內的t2超快速火，火源下游120 m距離即近火源區長度為240 m，煙氣流動均已充分發展。近火源區長度值受隧道尺寸和火源功率的影響不大；對比Carvel提出火災發展兩階段模型和t2超快速火模型的分析結果，火源發展規律是影響近火源區長度值的一個重要因素。

場—網復合模擬；隧道；火災；煙氣擴散

0　引　言

數值模擬是研究隧道火災煙氣擴散的重要手段。對于長直隧道，雖然火災模型可以預測隧道全局火災情況，但是主要存在以下問題：①現有隧道火災研究就如何確定隧道的計算區域長度沒有明確的標準和依據。文獻只是根據整個隧道長度來選擇隧道計算區域長度，但沒有進行選擇依據說明[1-4]。對于長隧道模擬需要建立大量網格，計算時間長；②目前普遍采用的是局部建模擬定邊界條件的方式，多數情況下模擬的邊界條件都是由粗略的估計或者冷煙實驗確定，這些數據能否作為評估火災系統的基礎數據還需要研究。合理解決長距離隧道通風煙氣控制工況就是采用場—網模型復合研究[5]。

場—網模型復合研究的基本思路是將場、網單獨模擬的結果作為彼此的邊界條件，原理如圖1所示[6-7]。大量火災風流和煙流的研究表明，運行的風機附近與火源附近的流場存在復雜的3D摻混流動，溫度和速度的變化率都很大。所以該區域只能使用CFD模擬的方式才能得到詳細的參數，該區域稱之為近火源區域(near field，NF)。然而在遠離火源的一定距離外或者在遠離風機的一定范圍外，溫度和速度的變化率趨近于零，流場變為明顯的1D流態,這一部分區域稱之為遠火源區域(far field，FF)。對于FF區域，利用CFD研究會對計算要求大量增高然而卻只能取得很小的精度提高。為了提高計算效率并保持一定的計算精度，可以采用場—網模型復合研究方式，即通過1D-CFD交界面耦合相互交換流體數據來計算整個區域的參數。

圖1　場—網復合模型原理圖

場—網復合模型方法用于隧道火災研究一個很重要的問題就是需要對CFD模擬精度與NF區域長度進行研究。CFD模擬精度將會決定模擬數值交換結果的準確性，而兩種模型的邊界位置必須處于流動已經充分發展、溫度梯度與速度梯度較小。Colella等[8]雖然開展了多尺度模型模擬研究，但沒有給出劃分NF區域范圍的依據和思路。目前場—網復合模型用于高層建筑火災，并通過了實際尺寸的實體驗證，結果表明場—網復合模型計算準確性高于單一的網絡模擬，計算值更接近于實驗結果[9-10]。但是，國內學者還沒有將場—網復合模型用于隧道火災研究的文獻發表。

本研究主要以城市長直地下隧道為研究對象，基于常見的城市交通隧道參數，通過數值模擬手段分析隧道的幾何尺寸、火源功率即增長特性等對確定NF范圍的影響，為場—網復合研究城市交通隧道火災煙氣控制提供依據。

1　隧道物理模型及火災場景

以城市地下隧道為研究對象，根據相關技術標準選擇相關參數。研究表明,隧道長度及斷面的幾何尺寸、火源功率及增長特性是長直隧道火災煙氣擴散主要影響因素[11]。

1.1隧道斷面尺寸

參考了若干國內城市隧道與國外城市隧道的尺寸，以《城市地下道路工程設計規范》與美國隧道規范的要求建立模型[12-13]。城市地下隧道建筑限界見圖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，不應大于機動車道或非機動車道的側向凈寬；Hc為機動車車行道最小凈高；Wmc為路緣帶寬度；Wpc為機動車道路面寬度；h1為防撞側石高度；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

類別寬Wpc/m高Hc/m設備帶Wmc/m吊頂內高/m三車道模型12.254.30.50.8二車道模型94.30.50.8一車道模型64.30.00.8

1.2火源功率

為了針對不同火源功率進行研究，參考已有研究成果選取三種火源功率，分別對于大客車，中巴和小汽車火災情況，對應火源功率為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于煙氣流動分層與穩定性影響。選取了2種火源熱釋放速率，一個是應用范圍很廣的t2火熱釋放效率。另外是Carvel等在對于貨車火災做了實驗評定之后，發現t2火并不能夠與任何實驗數據相匹配，提出了一種兩個階段線性化近似模型如圖3所示[11]。依照NFPA 502(2014版)實驗數據，則隧道車輛火災的熱釋放率增長曲線對于小型汽車火災(低于20.0 MW)可設定為快速增長t2火災，對于公共汽車及大型載重貨車(20.0 MW)大于可以考慮采用Carvel火災模型。

圖2城市地下隧道建筑限界

Fig.2Boundary line of urban underground road

圖3火災發展兩個階段線性化模型

Fig.3Fire linearized model of development in two phases

2　數值模型

2.1數學模型

本文選用美國國家標準技術研究院開發的計算流體力學(computational fluid dynamics, CFD)模擬軟件FDS5.0 (fire dynamics simulator, FDS)來模擬煙氣擴散。FDS軟件計算結果的準確性已得到了大量的實驗驗證，并且已被認為是火災研究的重要工具之一[11]。它利用大渦模擬技術求解低速、熱驅動流動的Navier-Stokes方程，根據大渦模擬思想，對大渦直接求解，對小渦采用模型求解。FDS應用Smagorinsky模型求解小渦模型。在模型中流體動力黏性系數表示為：

(1)

2.2網格尺寸以及網格獨立性驗證

取火源功率Q=30 MW，計算不同網格尺寸下火源下游100 m中心點溫度與軸向速度值。模型使用30 MW火源，全程無通風，邊界為OPEN。墻體邊界設置為熱厚性邊界，FDS中設置為“CONCRETE”屬性。

數值模擬保證精度一個重要因素是網格尺寸。研究表明：火災特征直徑D*與網格尺寸的大小有很大關系[12]。在火災模擬和實驗結果對比中，當FDS模型的網格尺寸d=0.1D*，模擬結果與實驗測試結果非常吻合。火災特征直徑D*表達式如下:

(2)

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

考慮到場—網復合模型要將一個斷面的參數化成一點的參數輸入到1D模型里面，其中小的誤差可能會導致更大的系統評估的誤差。表2,表3分別給出了選取不同網格參數及其對應的模擬結果。

為了保證場—網復合模擬的計算精度，可以取比傳統FDS網格劃分的更細網格以保證精度。根據表3，可以看出選擇d=0.07D*計算參數的相對誤差能夠保持在5%以內。本研究所有數值模擬中網格劃分都遵照該原則。

表2　選取網格參數Tab.2　Mesh selected

表3　不同尺寸網格數值模擬結果對比Tab.3　Result comparison with different meshes

3　計算結果與分析

機械通風狀態下火源上游臨界風速會加劇火源下游空氣層的混合，會使下游流場更快充分發展。而長直隧道內火災煙氣自然擴散達到穩定狀態距離更長。因此，通過研究無風工況下長直隧道內煙氣層達到穩定狀態位置從而確定NF區域的計算結果會更加保守。在場—網復合模型中能夠滿足邊界條件參數交互的精度要求。

3.1煙氣自然擴散工況NF長度確定依據

研究成果[13]表明，對于吹風機等冷流體流場，Ld(吹風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。根據隧道幾何尺寸確定計算隧道長度確定為500 m，火源位于中部，上下游各250 m。

為了確定3D模型內部的模擬結果都可以滿足NF斷面交互的精度要求，需要討論3D模擬的邊界位置。主要依據是通過截面平均溫度以及溫度變化率來確定沿隧道方向截面參數規律[15-16]。平均溫度考慮斷面上不同高度、寬度的10個計算測點值平均而得到。采用斷面溫度變化率的原因主要是通過考慮不同斷面的最大溫差值之間的變化來反映沿隧道縱向溫度衰減速率。溫度變化率ε表達式為：

(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NF區域長度影響

按照確定尺寸建立，分別為一車道模型、二車道模型和三車道隧道模型，火源功率維持30 MW，火源成長曲線采用Carvel等實驗得出的經驗公式(見圖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趨近于恒定。不管是一車道、二車道還是三車道模型，而隧道尺寸對溫度差值的影響最明顯的區域是25 m內。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現，溫度變化率的拐點確實出現在120 m左右，當到達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開始減小。而這與平均溫度、溫度差值的結果相符。表明在火源120 m之后，所有工況下流場都充分發展。

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趨近于恒定。距火源25 m的區域內變化最明顯，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確實是一個分界線，基本上達到120 m之后，整個溫度變化率的變化趨勢開始趨于平緩。可以得到結論：三種火源功率均可以選取120 m為火源充分發展段。

3.3火源熱釋放率的影響

火源成長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超快速火達到穩定的距離在120 m左右，但是Carvel近似公式得出的距離在240 m開外。根據溫度變化率ε，可以看出，t2超快速火在120 m就能達到基本穩定流場分層，而Carvel經驗公式則達到了240 m左右。可以看出火源充分NF段的長度與模擬選擇的火源發展曲線有重要關系。

(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計算數值與實驗數據的綜合分析

為了驗證NF長度模擬結果的可靠性，采用為數不多的國內已經開展的城市隧道火災全尺寸試驗和比例模型實驗中的實驗數據進行對比分析。表4給出了兩個城市隧道現場試驗火源下游充分界面長度，通過對相關實驗研究數據的調查，城市地下隧道無風自然擴散近火源區距離為120～160 m。

表4　城市隧道現場試驗火源下游充分界面長度確定Tab.4　Determine the full interface length of fire source downstream in urban tunnel field test

綜合數值模擬和試驗研究結果表明，對于城市交通隧道自然通風條件火災數值模擬，采用t2火源，建議選擇NF區域長度為240 m，即上下游各120 m，可以保證場—網復合模型的精度要求。如果采用Carvel近似公式，保守狀態上下游可以各240 m，總體NF區域長度為480 m能夠滿足場—網復合模型的數據交互要求。關于隧道車輛火災功率的實驗數據可以參考NFPA502標準[17]，考慮不同類型火災發展規律特點，從保守的角度可以考慮選擇Carvel模型研究有大型車輛通過的隧道消防設計。

4　結　語

利用數值模擬手段研究了場—網復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直隧道的NF斷面長度。研究結論如下：

①隧道截面尺寸、功率對煙氣擴散有影響。對于30 MW范圍的t2超快速火，自然擴散狀態下在火源下游120 m距離處，不同幾何尺寸、隧道截面的煙氣流動工況均能達到充分發展狀態。即NF長度為240 m可以滿足不同條件下火災煙氣充分發展的場—網復合交界面。

②火源功率成長曲線對NF段長度的確定有重要影響。針對于t2火，NF斷面可以按照240 m進行選取；當使用Carvel經驗公式時，保守選取NF段長度為480 m。需要開展更多的試驗研究地下道路火災工況的火源功率發展過程。

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(責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

國家自然科學基金資助項目(51278018);高等學校博士學科點專項科研基金資助項目(20121103110024)

李炎鋒(1971—)，男，河南省新密人，北京工業大學教授;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.城市地下長直隧道火災近火源區長度確定[J].廣西大學學報(自然科學版)，2016，41(4)：1101-1108.