分岔隧道火災(zāi)火源位置對(duì)臨界風(fēng)速影響的數(shù)值模擬分析*

陳長(zhǎng)坤，焦偉冰，雷 鵬，張宇倫，趙小龍

(1.中南大學(xué) 防災(zāi)科學(xué)與安全技術(shù)研究所，湖南 長(zhǎng)沙 410075；2.清華大學(xué)合肥公共安全研究院 災(zāi)害環(huán)境人員安全安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230601)

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，隧道數(shù)量與復(fù)雜程度都在增加[1-2]，當(dāng)出現(xiàn)特殊地形及道路布線受限的情況時(shí)，一般需要建設(shè)分岔隧道。隧道火災(zāi)一旦發(fā)生且得不到有效控制，將導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。如2017年河北浮圖峪隧道火災(zāi)，造成15人死亡，3人受傷[3]。由于分岔隧道特殊的結(jié)構(gòu)形式，其發(fā)生火災(zāi)時(shí)煙氣蔓延規(guī)律及通風(fēng)排煙模式都與單管隧道有很大不同[4-5]，因此有必要開(kāi)展相關(guān)的研究來(lái)保障此類隧道的消防安全。

國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)隧道火災(zāi)的頂棚溫度場(chǎng)[6-9]、臨界風(fēng)速[10-13]等進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。Li等[7]開(kāi)展了單管隧道通風(fēng)條件下的火災(zāi)研究，建立了隧道頂棚最高溫度的預(yù)測(cè)模型。Wu等[13]等通過(guò)實(shí)驗(yàn)建立了臨界風(fēng)速的預(yù)測(cè)模型，發(fā)現(xiàn)臨界風(fēng)速與熱釋放速率的1/3次方成正比。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬已經(jīng)成為流體運(yùn)動(dòng)與通風(fēng)工程計(jì)算的重要手段，F(xiàn)luent等軟件也已經(jīng)很好地用于隧道火災(zāi)的模擬[14-17]。Wang等[14]通過(guò)全尺寸隧道火災(zāi)實(shí)驗(yàn)以及FLUENT數(shù)值模擬研究了隧道自然通風(fēng)條件下的火災(zāi)特性。Wang等[15]使用FLUENT模擬研究了隧道內(nèi)火源的橫向位置對(duì)臨界風(fēng)速和煙氣流動(dòng)特性的影響，研究表明火源貼近隧道側(cè)壁時(shí)的臨界風(fēng)速明顯高于火源位于隧道中間和左右車道時(shí)的臨界風(fēng)速。以上一些研究可以有效指導(dǎo)隧道的通風(fēng)排煙設(shè)計(jì)，但其主要考慮的是單管隧道。以上成果是否適用于分岔隧道還需進(jìn)一步研究。為此，Huang等[18-19]通過(guò)縮尺寸實(shí)驗(yàn)對(duì)火源位于分岔口處時(shí)分岔隧道的頂棚最高溫度及臨界風(fēng)速進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)其與單管隧道有很大不同，并建立了分岔隧道的頂棚最高溫度模型和考慮分岔角度的臨界風(fēng)速模型。Yang等[4]開(kāi)展了多支路隧道火災(zāi)的理論分析和數(shù)值模擬研究。文獻(xiàn)[3,20]研究了自然通風(fēng)情況下，分岔隧道傾斜角度和火源縱向位置對(duì)隧道頂棚最高溫度的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)火源縱向位置(分岔前、分岔后)對(duì)其溫度場(chǎng)分布影響較大。

綜上，數(shù)值模擬方法已經(jīng)很好地應(yīng)用于隧道火災(zāi)的研究，且目前關(guān)于隧道火災(zāi)的研究大都集中于無(wú)分岔時(shí)的情況。而且現(xiàn)有的對(duì)分岔隧道火災(zāi)的文獻(xiàn)大多研究集中于火源位于分岔口時(shí)的頂棚最高溫度及臨界風(fēng)速，對(duì)分岔隧道不同縱向火源位置，如火源位于分岔前和分岔后對(duì)臨界風(fēng)速以及臨界風(fēng)速時(shí)頂棚最高溫度的影響研究還不夠充分。本文在此基礎(chǔ)上，采用FLUENT軟件對(duì)分岔隧道火災(zāi)進(jìn)行研究，探究在不同火源功率下，火源位置為分岔前1 m、分岔后1 m及分岔后30 m時(shí)臨界風(fēng)速以及頂棚最高溫度的變化規(guī)律，并建立相應(yīng)地模型，以期為分岔隧道通風(fēng)排煙系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供一定的參考。

1 FLUENT火災(zāi)場(chǎng)景建立

1.1 隧道模型建立

本文建立的分岔隧道模型如圖1所示，其中主隧道分為二部分，分岔前的部分(記為主隧道1)長(zhǎng)65 m、寬10 m、高5 m，分岔后的部分(記為主隧道2)長(zhǎng)65 m、寬5 m、高5 m，分岔口處以一小段圓形連接段聯(lián)通，分支隧道長(zhǎng)64 m、寬5 m、高5 m，分岔隧道一共3個(gè)出口分別為A、B、C，分岔角度為10°。計(jì)算時(shí)考慮3種火源位置如圖1所示，分別為分岔前1 m、分岔后1 m及分岔后30 m，且都位于隧道中軸線上。

圖1 分岔隧道結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure diagram of bifurcated tunnel

1.2 網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證

選擇0.143、0.167、0.200、0.250、0.333 m共5種網(wǎng)格尺寸進(jìn)行計(jì)算，對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行獨(dú)立性驗(yàn)證。圖2為火源位于分岔前，熱釋放速率為11.4 MW時(shí)，距離火源15 m處隧道豎直方向溫度分布及隧道內(nèi)縱向溫度分布。如圖2所示，當(dāng)網(wǎng)格尺寸為0.167和0.143 m時(shí)，溫度分布曲線差異很小。綜合考慮計(jì)算資源和精度取網(wǎng)格尺寸為0.167 m，網(wǎng)格數(shù)量為140萬(wàn)。經(jīng)檢查，該網(wǎng)格尺寸也適用于其他火源功率。

圖2 網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證Fig.2 Grid independence verification

1.3 邊界條件設(shè)置

隧道壁面設(shè)為絕熱邊界，未設(shè)置輻射模型，同時(shí)通過(guò)總的熱釋放速率輸入減少30%的方式將輻射熱損失考慮在內(nèi)[15]。湍流模型使用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型且考慮湍流浮力的影響[14-15]。燃燒模型使用體積熱源模型[14-15]，熱源尺寸設(shè)置為2 m×2 m×2 m。考慮到公路隧道中最常見(jiàn)的汽車火災(zāi)熱釋放速率為3～5 MW，卡車火災(zāi)熱釋放速率為10～20 MW[21]，則熱釋放速率設(shè)置為恒定值4、8、12、16、20 MW，考慮輻射熱損失之后的熱釋放速率實(shí)際值為5.7、11.4、17.1、22.8、28.5 MW。空氣密度初始值設(shè)置為1.225 kg/m3，同時(shí)使用Boussinesq近似，即僅在計(jì)算動(dòng)量方程中的浮力項(xiàng)時(shí)考慮密度隨溫度的變化，其它求解方程中密度均近似為常數(shù)1.225 kg/m3。A隧道口設(shè)為風(fēng)速入口邊界，B、C2個(gè)隧道口邊界設(shè)為壓力出口邊界。在模擬中采用分離式解法中的SIMPLE算法來(lái)處理速度和壓力的耦合[14-15]。時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為1s，最大迭代次數(shù)設(shè)50次，經(jīng)計(jì)算知300 s時(shí)隧道內(nèi)溫度場(chǎng)可達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)，因此時(shí)間步數(shù)設(shè)置為300步。其它設(shè)置的相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 FLUENT設(shè)置參數(shù)表Table 1 Setting parameters of Fluent

1.4 模擬工況設(shè)置

本文主要研究分岔隧道內(nèi)火源位置對(duì)臨界風(fēng)速及頂棚最高溫度的影響。因此考慮分岔前、分岔后1 m、分岔后30 m 3種火源位置，5.7、11.4、17.1、22.8、28.5 MW 5種火源功率，共15組工況，如表2所示。在模擬時(shí)首先參考前人建立的臨界風(fēng)速模型，對(duì)臨界風(fēng)速大致范圍進(jìn)行確定，然后從較小的風(fēng)速開(kāi)始每次增大0.1 m/s進(jìn)行模擬計(jì)算，直到煙氣逆流長(zhǎng)度為0，此時(shí)風(fēng)速值確定為該組工況的臨界風(fēng)速。

表2 模擬工況Table 2 Simulation conditions

1.5 結(jié)果有效性驗(yàn)證

由于本文分岔隧道的分岔角度較小，且分岔前主隧道1截面面積與分岔后主隧道2和支路隧道面積之和相同，因此當(dāng)火源位于分岔前時(shí)的臨界風(fēng)速應(yīng)與火源在單管隧道中的臨界風(fēng)速差別不大。為驗(yàn)證模擬結(jié)果的有效性，選取工況1～5的臨界風(fēng)速模擬值與Wu等[13]通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬得到的臨界風(fēng)速模型進(jìn)行對(duì)比，如圖3所示。可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)火源位于分岔前時(shí)模擬值與使用Wu的模型計(jì)算得到的結(jié)果較為符合。綜上表明本文模擬結(jié)果具有有效性。

圖3 臨界風(fēng)速模擬值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比Fig.3 Comparison on simulated and experimental values of critical wind velocity

2 結(jié)果分析與討論

2.1 分岔隧道臨界風(fēng)速與熱釋放速率的關(guān)系

Wu和Bakar[13]等建立了單管隧道臨界風(fēng)速與熱釋放速率的模型，如式(1)所示：

(1)

(2)

(3)

Li等[11]也開(kāi)展了一系列單管隧道火災(zāi)實(shí)驗(yàn)，得到臨界風(fēng)速與熱釋放速率的關(guān)系，如式(4)所示：

(4)

(5)

(6)

式中：H為隧道高度，m。

由于分岔隧道火源位于分岔前與分岔后時(shí)，所處隧道截面尺寸與水力直徑不同，因此在相同的火源熱釋放速率情況下，火源位于分岔前和分岔后時(shí)使用Wu模型計(jì)算得到的臨界風(fēng)速不同。而使用Li的模型計(jì)算得到的分岔前和分岔后的臨界風(fēng)速是一樣的。

本文計(jì)算得到的結(jié)果如表3所示。

表3 不同工況的臨界風(fēng)速Table 3 Critical wind velocities under different conditions

圖4(a)給出了不同火源功率下的臨界風(fēng)速。可看出分岔隧道內(nèi)臨界風(fēng)速隨著火源熱釋放速率的1/3次方的增大而增大。當(dāng)火源位于分岔后1 m和分岔后30 m時(shí)的臨界風(fēng)速明顯大于火源位于分岔前，火源位于分岔后1 m和分岔后30 m的臨界風(fēng)速相差不大。

圖4 分岔隧道臨界風(fēng)速與熱釋放速率關(guān)系Fig.4 Relationship between critical wind velocity and heat release rate in bifurcated tunnel

如圖4(b)所示，通過(guò)擬合可獲得火源位于分岔前和分岔后臨界風(fēng)速與熱釋放速率關(guān)系，如式(7)～(8)所示：

(7)

(8)

式中：Vcq為火源位于分岔前臨界風(fēng)速，m·s-1；Vch為火源位于分岔后臨界風(fēng)速，m·s-1。

由上文可知，火源位于分岔前還是分岔后對(duì)臨界風(fēng)速影響較大。為研究其原因，選取熱釋放速率為11.4 MW，對(duì)火源分別位于分岔前及分岔后30 m情況下的煙氣逆流長(zhǎng)度與通風(fēng)速率的關(guān)系進(jìn)行對(duì)比分析，如圖5所示。由圖5可知當(dāng)火源位于分岔前，煙氣逆流長(zhǎng)度隨著通風(fēng)速率的增大而不斷減小。當(dāng)火源位于分岔后，煙氣逆流長(zhǎng)度隨通風(fēng)速率的增大，最初明顯減小，但當(dāng)煙氣逆流至接近分岔口時(shí)，煙氣逆流長(zhǎng)度的減小變得緩慢，直到風(fēng)速增大到3.2 m/s之后，如進(jìn)一步增大通風(fēng)速率，煙氣逆流長(zhǎng)度又開(kāi)始迅速減小。由此可見(jiàn)，煙氣逆流至分岔口時(shí)，隨著通風(fēng)速率的增大，煙氣逆流長(zhǎng)度減小緩慢是火源位于分岔后時(shí)臨界風(fēng)速明顯大于火源位于分岔前的原因。

圖5 煙氣逆流長(zhǎng)度與通風(fēng)速率關(guān)系(11.4 MW，火源位于分岔前和分岔后30 m)Fig.5 Relationship between smoke back-layering length and ventilation rate (11.4 MW,fire source located in front of bifurcation point and 30 m behind bifurcation point)

圖6(a)給出了熱釋放速率為11.4 MW，火源位于分岔前1 m，通風(fēng)速率為2.2 m/s時(shí)分岔隧道頂棚煙氣流場(chǎng)。可看出，分岔口處分支隧道一側(cè)的煙氣回流相對(duì)較多，這是由于煙氣在進(jìn)入分支隧道時(shí)改變了方向，受到了局部阻力。圖6(b)給出了熱釋放速率為11.4 MW，火源位于分岔后30 m，通風(fēng)速率為2.8 m/s時(shí)的分岔隧道頂棚煙氣流場(chǎng)，此時(shí)煙氣逆流至分岔口。由圖6(b)中的流線可以看出，此時(shí)一部分空氣在分岔口受到煙氣阻力而流入分支隧道中。因此當(dāng)火源位于分岔后時(shí)，分支隧道的分流作用是導(dǎo)致煙氣逆流長(zhǎng)度在分岔口處減小緩慢的主要原因。

圖6 頂棚速度流場(chǎng)Fig.6 Flow field of ceiling velocity

圖7給出了不同通風(fēng)速率下分岔口處分支隧道頂棚煙氣平均流速。可以看出，當(dāng)煙氣逆流接近分岔口時(shí)，繼續(xù)增大通風(fēng)速率，分支隧道頂棚的煙氣流速明顯增大，即隨著通風(fēng)速率增大，從分支隧道流出的空氣也越來(lái)越多，分流作用越來(lái)越強(qiáng)，導(dǎo)致煙氣逆流長(zhǎng)度減小較慢。當(dāng)通風(fēng)速率大于3.2 m/s時(shí)，煙氣逆流越過(guò)分岔口，此時(shí)繼續(xù)增大通風(fēng)速率，分支隧道頂棚的煙氣流速增速變緩，分支隧道的分流作用趨于穩(wěn)定，使得煙氣逆流長(zhǎng)度快速減小。

圖7 不同通風(fēng)速率下分支隧道頂棚煙氣流速Fig.7 Ceiling smoke velocities of bifurcated tunnel under different ventilation rates

綜上，分岔隧道火源位于分岔后時(shí)，由于分支隧道的分流作用，臨界風(fēng)速將顯著增加，分岔隧道火源位于分岔后的臨界風(fēng)速大概是分岔前的1.5倍。因此現(xiàn)有的隧道的臨界風(fēng)速模型與煙氣逆流長(zhǎng)度模型對(duì)分岔隧道不能完全適用。

2.2 分岔隧道臨界風(fēng)速時(shí)頂棚最高溫升

Li等[7]對(duì)單管隧道通風(fēng)條件下頂棚最高溫升進(jìn)行了研究，其建立的隧道頂棚最高溫升模型如式(9)所示：

(9)

(10)

圖8給出了火源位于分岔前，不同熱釋放速率下，通風(fēng)速率為臨界風(fēng)速時(shí)的主隧道內(nèi)的縱向溫度分布。可以看出，在臨界風(fēng)速下的隧道頂棚最高溫度隨著熱釋放速率的增加而增加。

圖8 臨界風(fēng)速時(shí)主隧道內(nèi)縱向溫度分布云圖Fig.8 Cloud map of longitudinal temperature distribution in main tunnel with critical wind velocity

圖9 分岔隧道臨界風(fēng)速時(shí)頂棚最高溫升Fig.9 Maximum ceiling temperature rise of bifurcated tunnel with critical wind velocity

通過(guò)擬合獲得分岔隧道臨界風(fēng)速時(shí)頂棚最高溫升如式(11)所示：

(11)

將式(7)～(8)的臨界風(fēng)速公式分別代入式(11)，可分別獲得火源位于分岔前和分岔后通風(fēng)速率為臨界風(fēng)速時(shí)隧道頂棚最高溫升模型。

(12)

(13)

值得注意的是，本文重點(diǎn)考慮的是火源位置的影響，獲得的經(jīng)驗(yàn)公式可能還會(huì)受到隧道模型分岔角度和坡度等因素的影響，這些將在之后進(jìn)一步研究。

3 結(jié)論

1)由于分岔口處分支隧道分流作用，火源位于分岔后時(shí)臨界風(fēng)速明顯大于分岔前，在本文分岔隧道模型中，相同火源功率下火源位于分岔后的臨界風(fēng)速約為火源位于分岔前的1.5倍。

3)建立分岔模型隧道不同火源位置處通風(fēng)速率為臨界風(fēng)速時(shí)的頂棚最大溫升模型。