弧形公路隧道在典型火災工況下的煙氣特性研究

張雪松，榮建忠

弧形公路隧道在典型火災工況下的煙氣特性研究

張雪松1，榮建忠2

(1.重慶市消防總隊，重慶 401121； 2.公安部四川消防研究所，四川 成都 610036)

目前，我國已經進行了大量公路隧道火災的研究，包括實體試驗和數值模擬試驗，研究的參數包括臨界風速、煙氣溫度、煙氣組分、可見度等。有研究表明，不同形狀的隧道對火災煙氣運動的影響也不同，但當前大部分研究是基于“直形”“斜坡”公路隧道，缺少對“弧形”公路隧道火災煙氣方面的研究。采用數值模擬的方法研究了重慶市某“弧形”公路隧道在臨界風速下的火災煙氣流動特性，具體對煙氣組分、煙氣溫度、可見度等參量進行分析，為弧形隧道的應急救援和人員逃生提供參考。

弧形公路隧道；典型火災工況；臨界風速；煙氣溫度特征

0 引言

隧道火災具有極大的危害性，愈來愈受到國內外相關科研機構之重視，很多研究機構已開展了全尺寸隧道的火災試驗[1-2]。歐洲多采用廢棄隧道、綜合隧道實驗基地進行隧道火災試驗[3]，例如，荷蘭Benelux2隧道、挪威Runehamar隧道、西班牙TST隧道火災綜合防災基地等。我國對隧道火災的研究較為分散[3]，大多以實驗室為主體進行研究，采用隧道模型進行試驗，研究內容主要是通風控制條件下的隧道火災，隧道內的溫度、煙氣蔓延、隧道火災的消防方法等。上述研究的隧道均為“直形”隧道，國內外相關研究缺乏弧形隧道的火災煙氣研究。

1 臨界風速

臨界風速是隧道通風系統在火源處為避免產生煙氣逆流現象所形成的最小排煙速度，是隧道內火災煙氣控制的關鍵參數，也是排煙量計算、風機選型的關鍵依據。通常情況下，影響臨界風速的因素有很多。有關文獻表明，臨界風速的影響因素主要包括火災熱釋放速率、隧道坡度、隧道斷面當量直徑、隧道垂直風流速度、環境溫度等[4]。文獻[5]指出，燃料類型的改變，僅使得CO2、CO生成量及其下游擴散分布有所不同，而對溫度場、速度場的影響則非常小。若以上游逆流消失來判別臨界風速，則燃料類型的影響是可以忽略的。

1.1 Wu&Bakar臨界風速模型

Wu&Bakar[6]對同高度、不同寬度的5類矩形斷面隧道分別進行了試驗和數值模擬研究，其中采用了隧道斷面當量直徑De作為特征長度，De的計算公式如式(1)：

其中，De為隧道斷面當量直徑，m；A為隧道通風斷面面積，m2；P為隧道通風斷面周長，m。

Wu&Bakar臨界風速模型定義了無量綱熱釋放速率Q″和無量綱臨界風速v″，得出臨界風速的表達式，見式(2)～式(4)：

式中，Q為隧道內火源熱釋放速率峰值，W；ρ0為環境空氣密度，kg·m-3；cP為環境空氣定壓比熱容，J·kg-1·K-1；T0為環境空氣溫度，K；g為重力加速度，9.81 m·s-2。

依據式(2)得出無量綱熱釋放速率，將無量綱速率帶入式(3)，即可得到無量綱臨界風速，應用式(4)，可以進一步得到隧道的臨界風速。

式中，vcr為Wu&Bakar模型預測的隧道臨界風速，m·s-1。

1.2 弧形隧道臨界風速模型

張雪松[7]等人采用數值模擬的方法，在Wu&Bakar臨界風速的基礎上，通過大量精確的數值計算，擬合出了弧形隧道的臨界風速模型，認為：π/2弧度是隧道臨界風速的一個“拐點”，應該采用分段函數的表示方式來表達弧形隧道臨界風速，并提出了適用于弧形隧道的臨界風速表達式。

2 弧形隧道的模型建立

重慶市某隧道是石忠高速公路的控制性工程，是西南地區最長高速公路隧道，全長7.6 km，隧道弧度為1.518 4，本文以此弧形隧道作為數值模擬的原型，研究其火災發生時臨界風速下的煙氣特性[8-9]。

2.1 火源功率的確定

1970年，美國、日本、澳大利亞、奧地利等國分別進行了多項隧道火災模擬試驗，例如車輛和車載貨物燃燒、車輛燃燒、燃油池燃燒等。結合有關研究結果，Opstad針對不同燃燒車輛的熱釋放速率提出了新的建議值，詳見表1。

PIARC的統計數據表明：在100次隧道著火事故中，大約有80～90次的著火未造成人員傷亡和財產損失，因此，并非所有的隧道火災都會造成嚴重的火災事故后果，隧道內著火的概率遠遠大于隧道火災發生的概率。常規設計很難預防一些偶然因素對隧道重大火災的觸發，或者意外因素加速隧道重大火災事故的產生和發展。所以，對于隧道火災典型工況的具體設計，必須結合隧道的重要性、交通量、行車規模等諸多因素和隧道防火設計的目標(即保證隧道使用者、設施安全以及保證隧道結構安全)來進行考慮。

表1 Opstad關于不同燃燒車輛HRR的建議值

隧道火災熱釋放速率的相關研究表明：(1)在已發生的隧道火災中，大貨車以及車載貨物燃燒對隧道火災的嚴重程度有決定性的影響，且其最大HRR可能明顯大于模擬試驗；(2)對于有大貨車燃燒的情形，現有規范低估了火災的HRR。根據重慶市公路隧道交通組成的預測(見表2)可知，在重慶市公路隧道交通車型中，類似于大貨車的車型將會占有較大比例，因此，在進行重慶市公路隧道火災典型熱釋放速率設計時，著重于大貨車火災情形的影響是比較合理的，且應考慮以下幾種車型組合的火災工況：1輛大貨車+1～2輛小轎車；1輛大貨車+1輛小轎車+1輛大巴；1輛大貨車+1～2輛大巴。

表2 重慶市公路隧道交通組成預測比例

綜上所述，在考慮重慶市公路隧道將采用的運營策略(即防止大釋熱量的車輛進入隧道內)的同時，參考Opstad關于不同燃燒車輛HRR的建議值，選取50 MW(即相當于載有可燃物的大貨車火災情形)作為重慶市公路隧道火災典型熱釋放速率是較為合適的。因此，在弧形隧道的數值模擬中，火源功率取50 MW，火源尺寸為3 m×3 m。

2.2 臨界風速計算

依據Wu&Bakar臨界風速模型，計算臨界風速主要包括以下幾個步驟：

首先，計算主洞斷面當量直徑。

其次，計算無量綱熱釋放速率。

再次，計算無量綱臨界風速。

v″=0.40(0.20)-1/3(Q″)1/3=0.258 4

最后，計算臨界風速。

綜合考慮以上兩種針對弧形隧道的臨界風速計算方法，本文選取3.05 m·s-1(兩模型的中間數值)作為臨界風速值，并分別選擇2.9 m·s-1(小于臨界風速)和3.5 m·s-1(大于臨界風速)縱向風速，來考察典型火災功率50 MW下的弧形公路隧道的火災煙氣特征。

2.3 其他參數及數據采集點設置

為了研究該隧道在典型火災下的煙氣運動，火源功率設置為50 MW，位于隧道內最危險的隧道中部，擴展計算區域為10 m，網格尺寸為0.5 m×0.5 m×0.5 m。數值模擬的數據采集點共14個，分別位于火源前30 m、60 m、100 m，以及位于火源后30 m、60 m、100 m和隧道出口位置，每個位置測量點的高度為1.6 m(人眼高度)和8 m(頂棚)，計算的數據包括溫度、二氧化碳、可見度以及隧道橫截面的溫度分布，通過這些數據來分析煙氣的流動特征。

3 模擬結果及分析

3.1 煙氣流動特性

圖1為在臨界風速情況下的煙氣蔓延圖。在模擬時間的前20 s，火災煙氣受到洞口風的影響很少，基本向火源兩邊自由發展，呈現出一定的對稱性。隨著火災的發展和洞口風的繼續補充，在約50 s時，煙氣出現回流，大量的煙氣被吹到下游，并到達隧道洞口；隨著時間的發展，隧道內聚集的煙氣越來越多，同時在火源處的煙氣回流越來越小，在450 s時系統達到了穩定的狀態。

圖1 臨界風速下的煙氣蔓延圖

3.2 煙氣溫度分析

3.2.1 截面溫度分析

截面位于火源前30 m、60 m、100 m，火源中軸面，以及火源后30 m、60 m、100 m。從圖2可以得出，在火災發展的初期，煙氣逆風向流動，流動的距離大約為30 m，隨著火災發展，火源上游的煙氣會逐漸被吹到火源下游，在約30 s的時候，煙氣運動到隧道下游60 m處，此時火源下游的隧道溫度逐步升高，在約150 s時，隧道內的溫度變化不大，在火源下游處，距離火源處越遠，煙氣沉降越多，溫度更均衡，下層冷空氣所占比例越小，頂棚處的溫度也越低。

3.2.2 監測點的溫度分析

火源上游的溫度對比見圖3和圖4，其中，圖3為1.6 m高度處的溫度對比圖，圖4為隧道頂棚處的溫度對比圖。從圖3可以看出，位于火源上游30 m的地方會受到火源影響，溫度會提升，但是隨后，受到通風影響，溫度會最終下降到環境溫度；火源上游60 m、100 m的地方溫度變化非常小(60 m處變化僅為0.2 ℃)，煙氣幾乎不會逆向蔓延到這些位置。因此，在發生火災時，逃生人員應該逆向通風方向來逃生。

圖2 臨界風速下的溫度截面變化圖

圖3 火源上游高度1.6 m處的溫度對比圖

圖4 火源上游頂棚位置的溫度對比圖

圖5～圖7分別為火源下游30 m、60 m、100 m的溫度對比圖。通過分析火源下游監測點的溫度對比圖，可以得到如下結論：(1)位于火源下游，在同一個監測點，通風的風量越大，溫度越低；(2)位于火源下游，在通風量不變的情況下，距火源越遠，溫度越低；(3)位于火源下游，距火源越遠，下層冷空氣溫度越接近頂棚溫度，說明溫度分層界限越不分明；(4)位于火源下游，通風量越大，溫度方差越大，溫度越不穩定。

圖5 火源下游30 m溫度對比圖

圖6 火源下游60 m溫度對比圖

圖7 火源下游100 m溫度對比圖

3.3 二氧化碳濃度分析

選取系統達到“穩態”時的平均物理量來進行分析，選取時間為200～500 s，經過數據處理得到圖8。在系統達到“穩態”時，火源上游的二氧化碳濃度幾乎是0，是利于消防人員滅火和人員逃生的，在火源下游無論頂棚還是高度為1.6 m處都會存在一定量的二氧化碳，不利于滅火和人員逃生。在火源下游，與火源距離越遠，頂棚的二氧化碳濃度越低，相反1.6 m高度處的濃度會提高，但不會超過其相同位置頂棚的二氧化碳濃度；通風量越大，在頂棚處的二氧化碳濃度越低，而在1.6 m處的二氧化碳濃度和通風量關系不是很大。

圖8 火源下游二氧化碳濃度對比圖

3.4 可見度

圖9為可見度計算結果，由圖可知：(1)在火源下游，相同位置處，高度為1.6 m處的可見度要大于頂棚處的可見度；通風量越大，頂棚處的可見度越大，而高度1.6 m處的可見度隨著通風量的影響變化不大。(2)在火源下游，通風量一定時，與火源距離越遠，頂棚處的平均可見度越大，相反，1.6 m處的可見度逐漸降低，但是，在與火源距離相同的地方，1.6 m高度處的可見度要高于其相應頂棚位置的可見度。

圖9 火源下游可見度對比圖

4 結論

本文基于重慶市某水平弧形公路隧道建立了該隧道的數值模型，并進行臨界風速下火災煙氣數值模擬。結合前人的臨界風速研究成果，對該弧形隧道進行了2.9 m·s-1(小于臨界風速)、3.05 m·s-1(臨界風速)、3.5 m·s-1(大于臨界風速)三種不同縱向風速下，隧道內典型火災工況的煙氣組分、煙氣溫度、可見度等參量的數值模擬研究。通過研究發現，約在50 s時，煙氣出現回流現象；整個火災模擬中，在火源下游處，距離火源處越遠，煙氣沉降越多，溫度更均衡，下層冷空氣所占比例越小，頂棚處的溫度也越低；火源上游溫度和二氧化碳濃度低，適合人員疏散與消防應急救援，相反，火源下游溫度和二氧化碳濃度偏高，不利于疏散與救援。

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(責任編輯 馬 龍)

Study on Fire Smoke Movement inside Arc-shaped Tunnels under Typical Fire Condition

ZHANG Xuesong1, RONG Jianzhong2

(1.ChongFireCorps,Chongqing401121,China; 2.SichuanFireResearchInstituteoftheMinistryofPublicSecurity,Chengdu,SichuanProvince610036,China)

At present, a large number of studies including physical experiments, numerical simulation experiments have been carried out on highway tunnel fires. These studies focus on parameters of critical velocity, smoke temperature, smoke components, visibility and so on. But the shapes of different tunnels can have different effects on smoke movement. The subjects of most previous studies are not “arc-shaped” highway tunnels, but “straight” and “slope” highway tunnels. This paper applies the method of numerical simulation to study the fire smoke movement in an “arc-shaped” highway tunnel in Chongqing at critical air velocity, and analyzes the smoke temperature, smoke components, visibility in details, in an attempt to provide reference for the emergency rescue and escape of arch-shaped tunnel fires.

arc-shaped highway tunnel; typical fire condition; critical velocity; smoke temperature characteristic

2016-12-16

公安部消防局項目“違法違章建筑消防安全問題研究”(2015XFR11)

張雪松(1977— )，男，四川岳池人，工程師； 榮建忠(1984— )，男，山西大同人，助理研究員。

U459.2;D631.6

A

1008-2077(2017)04-0022-06