狹長(zhǎng)通道火災(zāi)煙氣傳輸研究綜述

潘晨++茅晨昊++尹波

摘 要：通常在時(shí)間或空間上失控燃燒而導(dǎo)致的災(zāi)難稱為火災(zāi)。狹長(zhǎng)通道通常是人們走路的主要渠道，而且是人員疏散時(shí)的必經(jīng)之路。因此，當(dāng)狹長(zhǎng)通道發(fā)生火災(zāi)事故時(shí)，會(huì)造成嚴(yán)重的人身傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。文章介紹了當(dāng)前狹長(zhǎng)通道火災(zāi)的研究現(xiàn)狀，對(duì)火災(zāi)特性和煙氣傳輸進(jìn)行了系統(tǒng)分析。

關(guān)鍵詞：狹長(zhǎng)通道；火災(zāi)特性；研究現(xiàn)狀；煙氣傳輸

中圖分類號(hào)：TU998.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）29-0167-02

引言

狹長(zhǎng)通道是指其縱向長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于截面的長(zhǎng)和寬的一類長(zhǎng)通道。這類狹長(zhǎng)通道在實(shí)際建設(shè)工程中大量存在，例如大型建筑的房間走廊、公路或者鐵路隧道、礦山井巷、城市地下軌道交通等[1]。隨著城市化的建設(shè)發(fā)展，狹長(zhǎng)通道也越來(lái)越多，所面臨的挑戰(zhàn)也接踵而來(lái)。

近年來(lái)狹長(zhǎng)通道火災(zāi)事故也時(shí)有發(fā)生，例如2017年5月28日山西天河山隧道發(fā)生汽車火災(zāi)事故，大火連續(xù)燃燒70多個(gè)小時(shí)，致使40人不幸遇難，12人受傷，42輛車被燒毀，直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)8197萬(wàn)元；2016年2月3日廣州廣樂(lè)高速發(fā)生隧道車禍火災(zāi)，引起多輛車輛著火，造成1人輕傷，引起交通嚴(yán)重?fù)矶拢?014年山西晉城晉濟(jì)高速發(fā)生車輛追尾，引起大火，造成31人死亡，9人失蹤，并對(duì)隧道造成嚴(yán)重?fù)p壞。因此，對(duì)此類建筑的研究越來(lái)越重要。

1 研究現(xiàn)狀

狹長(zhǎng)通道由于自身的特點(diǎn)，失火后的煙氣傳輸過(guò)程較為復(fù)雜，影響因素眾多，其中影響最大的兩個(gè)因素就是火源的大小和狹長(zhǎng)通道中縱向通風(fēng)的大小，火源大小直接決定了火災(zāi)的影響范圍，而縱向通風(fēng)則是控制火災(zāi)煙氣傳輸、指揮救援及火災(zāi)撲救行動(dòng)的重要因素[2]。這些年來(lái)多次發(fā)生的狹長(zhǎng)通道火災(zāi)不僅給國(guó)家造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，也給人們帶來(lái)了嚴(yán)重的傷亡以及不良的社會(huì)影響。因此，許多國(guó)家在狹長(zhǎng)通道（主要為隧道）的科研上投入了巨大的人力和物力。雖然此研究耗費(fèi)巨大，但很多國(guó)家還是研究并進(jìn)行了一系列的全尺寸或大尺寸的實(shí)驗(yàn)，為狹長(zhǎng)通道火災(zāi)煙氣的防治積累了珍貴的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

火災(zāi)的研究方法主要分為全尺寸實(shí)驗(yàn)研究，縮尺度的小尺寸實(shí)驗(yàn)以及通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行的數(shù)值模擬研究。因?yàn)槿叽缁馂?zāi)實(shí)驗(yàn)花費(fèi)較大，因此很多火災(zāi)研究都選擇進(jìn)行縮尺度的小尺寸實(shí)驗(yàn)[3]。在這幾十年來(lái)，隨著對(duì)計(jì)算機(jī)的不斷研究，其發(fā)展迅速，通過(guò)與有效的數(shù)學(xué)分析及數(shù)學(xué)方法的結(jié)合，一些理論模型便可以很好的應(yīng)用于火災(zāi)科學(xué)以及消防工程實(shí)踐中。

全尺寸實(shí)驗(yàn)就是根據(jù)火災(zāi)原型搭建的1：1實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，雖然耗費(fèi)的人力物力比較大，重復(fù)性較差，但是更切合實(shí)際，能夠最大限度反應(yīng)火災(zāi)發(fā)生的真實(shí)過(guò)程，便于進(jìn)行針對(duì)性的實(shí)驗(yàn)；小尺寸實(shí)驗(yàn)是通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與研究對(duì)象原型之間所存在一定比例關(guān)系，采用弗勞德尺度準(zhǔn)則推導(dǎo)出與原型的比例尺寸進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，大大減少了成本，也方便重復(fù)實(shí)驗(yàn)，誤差相對(duì)而言可接受，因此現(xiàn)在一般都進(jìn)行縮尺度的實(shí)驗(yàn)研究；而通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行的CFD數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)相比而言就更為靈活方便，且其研究花費(fèi)較低，并且可以針對(duì)火災(zāi)中的某一點(diǎn)的發(fā)展進(jìn)行重復(fù)實(shí)驗(yàn)，逐漸成為目前火災(zāi)分析的研究熱點(diǎn)，但其缺點(diǎn)是電腦進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的量較大，耗時(shí)較長(zhǎng)。

在我國(guó)，王歡等通過(guò)計(jì)算機(jī)CFD模擬研究了在擋煙垂壁下狹長(zhǎng)通道的煙氣傳輸特性[4]；梁強(qiáng)等通過(guò)狹長(zhǎng)通道小型實(shí)驗(yàn)臺(tái)研究了煙氣的運(yùn)動(dòng)過(guò)程及通道內(nèi)O2、CO2、CO含量的變化及煙氣對(duì)光照情況的影響[5]；李意以成都地鐵五號(hào)線為例，結(jié)合人的恐慌心理及火災(zāi)煙氣傳輸對(duì)疏散的影響進(jìn)行仿真模擬，研究火災(zāi)發(fā)生后人群疏散的情況；胡隆華進(jìn)行一系列全尺寸、大尺寸實(shí)驗(yàn)，建立了煙氣層溫度縱向衰減的預(yù)測(cè)模型，并驗(yàn)證了Kurioka的最高煙氣溫度預(yù)測(cè)模型；李立明將實(shí)驗(yàn)與CFD數(shù)值模擬相結(jié)合，建立了在自然通風(fēng)及強(qiáng)制通風(fēng)情況下的煙氣溫度縱向衰減模型；胡嘉偉通過(guò)小尺寸及CFD數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)研究隧道火災(zāi)的熱煙氣流物理特性。

2 狹長(zhǎng)通道火災(zāi)特性

狹長(zhǎng)通道一般指公路隧道以及一些城市地鐵通道，其外圍一般是土壤或巖石，當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)無(wú)法自身排熱排煙。如果有毒有害煙氣不能及時(shí)排出，會(huì)導(dǎo)致熱量積聚，使內(nèi)部溫度上升較快，對(duì)通道結(jié)構(gòu)造成極大損壞，人員也將受到巨大傷害。狹長(zhǎng)空間火災(zāi)有以下幾個(gè)特點(diǎn)[6]：

（1）成災(zāi)迅速。狹長(zhǎng)通道失火后演變成火災(zāi)的時(shí)間一般為5～10min，而火災(zāi)持續(xù)的時(shí)間則與狹長(zhǎng)通道內(nèi)的環(huán)境有關(guān)，一般將持續(xù)30min到幾個(gè)小時(shí)之間。

（2）溫升快。失火10s后，火源熱釋放速率將迅速增大；在開(kāi)始滅火后，火災(zāi)環(huán)境溫度將直線下降，而對(duì)于一般的室外火災(zāi)，其環(huán)境溫度則是緩緩上升，這是因?yàn)楠M長(zhǎng)通道空間體積較小，又近似封閉狀態(tài)，火災(zāi)所產(chǎn)生的熱量不易疏散，從而導(dǎo)致熱量急劇上升。

（3）易產(chǎn)生有毒氣體。燃燒過(guò)程中由于狹長(zhǎng)通道的空間受限特點(diǎn)，氧含量會(huì)急劇下降，并極易產(chǎn)生有毒有害氣體。而且熱的煙氣更加危險(xiǎn)，首先，熱煙氣由于自身的熱浮力作用上升至狹長(zhǎng)通道的頂部，而在很長(zhǎng)的一段時(shí)間中狹長(zhǎng)通道的下層仍是新鮮空氣。當(dāng)通道內(nèi)縱向通風(fēng)較大時(shí)，狹長(zhǎng)通道內(nèi)煙氣的穩(wěn)定性將會(huì)被破壞，導(dǎo)致通道內(nèi)照明度降低，易使人大腦發(fā)生混亂，迷失方向最后中毒死亡。

（4）持續(xù)高溫。出于狹長(zhǎng)通道空間受限的原因，火焰燃燒方向主要向水平蔓延，熱煙氣由于縱向通風(fēng)的作用將持續(xù)流動(dòng)，而可燃物中傳給煙氣的能量最多為10%，其大部分傳給了四壁，因此煙氣的溫度將會(huì)隨著距離的增加而迅速減小，但是當(dāng)四壁加熱后，會(huì)產(chǎn)生大量的輻射熱，所以高溫將會(huì)保持很長(zhǎng)一段時(shí)間。

（5）疏散困難。因?yàn)楠M長(zhǎng)通道的橫截面較小，并且在火災(zāi)發(fā)生時(shí)人員會(huì)產(chǎn)生慌亂，極易產(chǎn)生擁擠混亂。而且，在狹長(zhǎng)通道中物資的疏散也極其困難，因此要想在短時(shí)間內(nèi)撤離將變得更加困難。

（6）探測(cè)救援困難。狹長(zhǎng)通道發(fā)生火災(zāi)后，通道內(nèi)火災(zāi)產(chǎn)生的局部熱煙氣流在通道縱向風(fēng)速較小時(shí)，會(huì)產(chǎn)生逆向流動(dòng)，熱煙氣將會(huì)流動(dòng)至上風(fēng)向通道口，導(dǎo)致救援及消防人員難以從上風(fēng)向通道抵達(dá)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)，加上大量煙氣的存在導(dǎo)致照明度較低，救援變得更加困難，從而也拖延了救援時(shí)間。

3 狹長(zhǎng)通道火災(zāi)煙氣流動(dòng)特點(diǎn)

由于狹長(zhǎng)通道火災(zāi)發(fā)生在狹長(zhǎng)受限空間，因此具有受限空間火災(zāi)的特點(diǎn)；火災(zāi)發(fā)生時(shí)，火源將加熱其上方的空氣使其溫度升高、密度降低，被加熱的空氣在浮力的作用下將向上運(yùn)動(dòng)并不斷卷吸周圍新鮮空氣，形成火羽流。火羽流在上升到一定的高度時(shí)，將撞擊頂棚，然后轉(zhuǎn)變?yōu)橄蛩闹艿膹较蜻\(yùn)動(dòng)；徑向運(yùn)動(dòng)到一定階段后，將受到側(cè)壁的作用而最終轉(zhuǎn)變?yōu)檠赝ǖ婪较虻目v向一維運(yùn)動(dòng)過(guò)程。因此，狹長(zhǎng)通道內(nèi)火災(zāi)煙氣的蔓延過(guò)程可分為5個(gè)階段[7]：

階段（1）：火羽流上升階段。

階段（2）：火羽流撞擊頂棚階段。

階段（3）：徑向擴(kuò)散階段。

階段（4）：徑向擴(kuò)散的煙氣遇到側(cè)墻阻擋后向縱向蔓延的轉(zhuǎn)化階段。

階段（5）：縱向蔓延階段。

在通道內(nèi)的煙氣轉(zhuǎn)化為完全的一維縱向蔓延階段之前，將會(huì)發(fā)生一個(gè)特殊的物理現(xiàn)象——水躍。在水躍的發(fā)生過(guò)程中，一方面將導(dǎo)致煙流能量的突然損失，另一方面，煙流也將在這一過(guò)程中卷吸大量的環(huán)境空氣而導(dǎo)致質(zhì)量流率迅速增大。根據(jù)通道縱橫比的不同，水躍可能在階段（3）產(chǎn)生，也可以在階段（4）產(chǎn)生[8]。

同一般火災(zāi)場(chǎng)所相比，狹長(zhǎng)通道的突出特點(diǎn)是其長(zhǎng)為普通火災(zāi)場(chǎng)所的上百倍。可以說(shuō)，狹長(zhǎng)通道是一種細(xì)長(zhǎng)型的特殊建筑。在這樣的特殊建筑火災(zāi)中，當(dāng)溫度較高的有毒煙氣在通道傳輸時(shí)，煙氣會(huì)不斷地與溫度較低的四壁及周圍環(huán)境產(chǎn)生熱交換，導(dǎo)致其溫度持續(xù)降低。因此，在狹長(zhǎng)的通道中，這種溫度降低的效應(yīng)將十分顯著。

4 結(jié)束語(yǔ)

狹長(zhǎng)通道火災(zāi)是一種特殊而復(fù)雜的火災(zāi)形式，隨著社會(huì)的進(jìn)步，經(jīng)濟(jì)水平的提升，人們對(duì)安全的重視程度也越來(lái)越高。因此，對(duì)狹長(zhǎng)通道火災(zāi)安全問(wèn)題的研究越來(lái)越多，也越來(lái)越細(xì)致深入。研究人員及建筑安全的方法也越來(lái)越多，越來(lái)越精確，通過(guò)對(duì)狹長(zhǎng)通道火災(zāi)問(wèn)題的進(jìn)一步研究，相信在不久的將來(lái)，狹長(zhǎng)通道火災(zāi)事故將會(huì)得到有效的控制，人員傷亡也會(huì)大幅度減少。

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