隧道受限火災(zāi)合理縱向通風(fēng)風(fēng)速范圍研究*

陳榮芳，李 欣，郭志國，周令劍

(江西理工大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院,江西 贛州 341000)

0 引言

公路隧道一旦發(fā)生火災(zāi)，便會產(chǎn)生溫度高、濃度大的毒性氣體。據(jù)統(tǒng)計(jì)，火災(zāi)事故中85%以上的死亡者是由于吸入毒性氣體后死亡的[1]。簡便易行且造價低的縱向通風(fēng)被廣泛應(yīng)用于隧道火災(zāi)排煙中，較大的縱向通風(fēng)風(fēng)速能加快隧道內(nèi)熱量交換，使火源近場溫度降低，但下游煙氣層易遭破壞，造成煙氣充滿隧道內(nèi)部；較小縱向風(fēng)速一方面可能會助長火焰，另一方面，上游出現(xiàn)大量的回流煙氣會使整個隧道中的人員暴露于高溫的毒性煙氣中。適宜的風(fēng)速范圍將有利于人員快速疏散及消防員的火災(zāi)救援。

目前，有許多的學(xué)者采用不同的研究方法對縱向通風(fēng)條件下煙氣流動特性及隧道火災(zāi)煙氣控制進(jìn)行了大量的研究，并取得重要的成果。如鐘委等[2]利用FDS模擬3種較小熱釋放速率的火源在隧道縱向通風(fēng)速度為4 m/s時的火災(zāi)場景，探究了不同橫向位置對煙氣分岔流動特性的影響。姜學(xué)鵬等[3]建立在縱向通風(fēng)的隧道中，隧道長度與臨界風(fēng)速的關(guān)系式。Zhong等[4]在縮尺模型實(shí)驗(yàn)中研究了不同貼壁距離的火源對臨界縱向通風(fēng)速度的影響。張一龍[5]研究了一定綜合因素影響下的臨界風(fēng)速變化規(guī)律。郭宇豪[6]給出了隧道寬高皆為5 m時，火源功率為5～20 MW時的分層風(fēng)速在1.4～1.5 m/s。Zeng等[7]提出隧道內(nèi)的最佳縱向通風(fēng)速度應(yīng)控制在臨界速度和臨界分層速度的范圍內(nèi)。

前人關(guān)于縱向通風(fēng)臨界風(fēng)速及相關(guān)影響因素的研究頗多，且大多針對火災(zāi)發(fā)生在隧道口不遠(yuǎn)處的縱向中心線上。而關(guān)于合理的縱向通風(fēng)速度范圍的研究相對有限。合理的縱向通風(fēng)速主要有2點(diǎn)：1)在一定時間內(nèi)煙氣回游量不足以威脅人員疏散；2)維持下游煙氣層穩(wěn)定。再者隧道火災(zāi)發(fā)生的位置具有隨機(jī)性，其貼壁距離不同，火羽流對空氣的卷吸程度及煙氣撞擊頂棚和側(cè)壁后的流動情況均不同。因此，本文采用FDS模擬分析5種縱向通風(fēng)速度不同近壁距離火源頂棚下方煙氣最高溫度的分布特性、煙羽流傾角及下游煙氣分層狀況，探討公路隧道中合理縱向通風(fēng)速度的范圍，研究結(jié)果可為隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)及火災(zāi)科學(xué)研究提供參考。

1 理論基礎(chǔ)

Newman[8]在1條礦井隧道中開展全尺寸火災(zāi)實(shí)驗(yàn)，提出隧道火災(zāi)中的分層現(xiàn)象可以用弗勞德數(shù)來量化，引入無量綱溫度比ΔTcf/ΔTavg和ΔTcf/ΔTh探討煙氣分層的狀況，建立相應(yīng)的關(guān)系式如式(1)所示：

(1)

式中：ΔTcf是隧道頂部與隧道底部的溫差，℃；ΔTh是隧道頂部與環(huán)境的溫差，℃；ΔTavg是隧道斷面平均溫度，℃。

紐曼將2個無量綱溫度比的結(jié)果繪制在對數(shù)圖上，如圖1所示，當(dāng)ΔTcf/ΔTavg<1.7時，ΔTcf/ΔTh<1，此時隧道底部溫度明顯高于環(huán)境溫度，表明煙氣分層遭到破壞，對應(yīng)的分層區(qū)域?yàn)閰^(qū)域Ⅱ;當(dāng)ΔTcf/ΔTavg>1.7時，ΔTcf/ΔTh≈1，此時隧道底部溫度近似為環(huán)境溫度，表明煙氣處于明顯的穩(wěn)定分層狀態(tài)，對應(yīng)的分層區(qū)域?yàn)閰^(qū)域Ⅰ。

圖1 紐曼提出的溫度分層Fig.1 Temperature stratification proposed by Newman

2 隧道模型

2.1 隧道幾何模型與熱電偶布局

模擬縱向通風(fēng)條件下的單向雙車道隧道火災(zāi)，隧道截面設(shè)為矩形[9]。在FDS中隧道模型尺寸為200 m×12.5 m×8 m，隧道厚度為0.5 m且只考慮火源與襯砌間的能量交換，不考慮內(nèi)部鋼筋和圍巖的影響作用。

美國工廠聯(lián)合組織研究中心(FMRC)曾開展一系列的全尺寸火災(zāi)實(shí)驗(yàn)[1]，得出豎直分布的溫度最大值在頂棚下0.01H內(nèi)(H為火源到隧道頂棚的距離)，并不緊貼頂棚壁面?？紤]到頂棚受限，結(jié)合計(jì)算以下模擬實(shí)驗(yàn)的熱電偶均布在頂棚下方10 cm位置處，用以測量頂棚下方煙氣的最高溫度值?；馂?zāi)發(fā)生在隧道的中間位置時對于人員的安全疏散來說是最危險的，因此，本文討論火源設(shè)在隧道最中間位置時的火災(zāi)發(fā)展情況。以隧道縱向中心火源為起點(diǎn)，上游為負(fù)，下游為正，其中取距火源25 m內(nèi)為近火源區(qū)。模擬共設(shè)置63個熱電偶及7組熱電偶樹。FDS模擬的隧道凈空及熱電偶測點(diǎn)布置詳如圖2(a)～2(b)所示。

圖2 FDS隧道模型凈空結(jié)構(gòu)及熱電偶分布示意Fig.2 Hollow structure and thermocouple distribution diagram of FDS tunnel model

2.2 初始條件與邊界條件

采用大渦模擬(LES)方法建立隧道火災(zāi)，并應(yīng)用于火災(zāi)動力學(xué)模擬器FDS模擬。模擬過程中，環(huán)境初始溫度為20 ℃，初始壓強(qiáng)為1個大氣壓，重力加速度為9.81 m/s2?？諝饷芏葹?.205 3 kg/m3；空氣的定壓比熱容為1.005 kJ·(kg·K)-1。初始時刻煙氣濃度為0 mol/mol。障礙物為絕熱體，溫度初始設(shè)置為20 ℃。每個模型模擬時長均為800 s。隧道左端口設(shè)為“SUPPLY”通風(fēng)屬性，為隧道提供均勻穩(wěn)定的風(fēng)速，右端口設(shè)為“OPEN”屬性，即與隧道外的開放空間連通。自然縱向風(fēng)速在0.8～1.5 m/s之間，為了更好地研究縱向通風(fēng)對隧道煙氣排放的影響，縱向風(fēng)速設(shè)定在 0.8～4 m/s之間，間隔為0.8 m/s,共5種風(fēng)速。參照Mcgrattan等[10]相應(yīng)網(wǎng)格獨(dú)立性的建議，綜合考慮計(jì)算結(jié)果與計(jì)算機(jī)性能，模擬計(jì)算網(wǎng)格尺寸選取0.25。

2.3 定義材料和反應(yīng)

模型區(qū)間隧道表面的襯砌材料，包括頂棚、墻壁、底部，均設(shè)置為混凝土“CONCRETE”，其比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)分別設(shè)為1.04 kJ/(kg·k)和1.8 W/(m·k)，密度為2 280.0 kg/m3。定義燃燒反應(yīng)：庚烷燃燒反應(yīng)。針對隧道內(nèi)大型客車的燃燒規(guī)模，將火源熱釋放速率設(shè)定為20 MW，且其增長率符合快速燃燒的t2模型。其中，火災(zāi)增長系數(shù)α=0.046 9 kW/s2，t=653 s。為簡化模型，將火源設(shè)定為邊長為0.5 m正方形火源，火源的3種貼壁距離分別為：0(貼壁火)，2.75，5.5 m(中心火)。

3 數(shù)據(jù)結(jié)果與分析

3.1 頂棚下方平均最高煙氣溫度縱向分布規(guī)律

如圖3所示，中心火在風(fēng)速為0.8 m/s時，頂棚下火源正上方及火源下游70 m處的溫度隨時間變化，由圖可見火災(zāi)燃燒溫度隨著時間先上升后進(jìn)入動態(tài)平衡，在663 s時進(jìn)入“準(zhǔn)穩(wěn)定階段”。

圖3 煙氣溫度隨時間的變化Fig.3 Variation of smoke temperature with time

確定各工況處于“準(zhǔn)穩(wěn)定階段”的平均最高溫升，得到頂棚下方煙氣平均最高溫度縱向分布規(guī)律，如圖4所示，其中，圖4(a)～4(o)展現(xiàn)3種貼壁距離下，不同縱向通風(fēng)風(fēng)速下頂棚下方煙氣平均最高溫度縱向分布規(guī)律。近火源下游頂棚下方隧道中心上的煙氣最高溫度均呈指數(shù)衰減變化。隨著貼壁距離的減小，側(cè)壁對火源的熱反饋增大，火源撞擊頂棚上方的最高溫升顯著增加。當(dāng)風(fēng)速為0.8 m/s時，羽流撞擊區(qū)上游均出現(xiàn)明顯的煙氣回流，且回流煙氣溫度均高達(dá)138 ℃以上。隨著縱向風(fēng)速增大，以縱向風(fēng)的慣性力為主導(dǎo)[11-12]，上游煙氣回流量減少，隧道內(nèi)部煙氣層平均最高溫度由于大量冷空氣的摻混而逐漸下降[13-14]。當(dāng)縱向通風(fēng)風(fēng)速增大到2.4 m/s以上時，熱煙氣無法向上游蔓延,煙氣逆流現(xiàn)象不明顯，火源上游接近常溫。縱向通風(fēng)的慣性力對煙氣羽流上升浮力及橫向驅(qū)動力的削弱程度與縱向通風(fēng)風(fēng)速及火源受限程度有關(guān)。縱向通風(fēng)風(fēng)速越大，煙羽流橫向驅(qū)動力越弱，煙氣頂棚射流撞擊區(qū)與煙氣沖擊側(cè)壁后產(chǎn)生的反浮力壁面射流形成的匯聚區(qū)的間距也越大，且2個區(qū)域進(jìn)一步向下游移動，二者之間均出現(xiàn)幾乎無煙的低溫區(qū)，即煙氣分岔流動[15]現(xiàn)象，此時，對于中心火源，頂棚下方的煙氣特性具有對稱性；而非中心火源下游，隧道頂棚下方煙氣最高溫度排序?yàn)椋河覀?cè)壁>隧道縱向中心線上>左側(cè)壁，在煙羽流匯聚區(qū)，二者溫度逐漸相近。風(fēng)速越大，該現(xiàn)象越明顯。因此，隧道火災(zāi)發(fā)生后，要根據(jù)起火位置準(zhǔn)確判斷低溫區(qū)，并迅速展開科學(xué)救援。

圖4 不同縱向風(fēng)速作用下頂棚縱向平均最高溫度分布Fig.4 Distribution of longitudinal average maximum temperature at ceiling under different longitudinal wind velocities

3.2 煙羽流的傾角

1)如圖5所示，若已知羽流偏移角θ1，便可依據(jù)公式(2)求得最高溫升點(diǎn)偏移火源距離L1；若再知羽流匯聚偏移角θ2，則可求得低溫區(qū)長度L2，如式(2)所示：

(2)

式中：tanθ1是為羽流偏移角正切值；tanθ2是羽流匯聚偏移角正切值；Hef為地面與隧道頂棚的間距，m；L1為煙羽流最高溫升點(diǎn)縱向偏移距離，m；L2為煙羽流擴(kuò)散低溫區(qū)長度，m。

圖5 煙氣發(fā)展示意(縱向?qū)ΨQ面)Fig.5 Schematic diagram of smoke development (longitudinal symmetry plane)

2)由表1知，火焰的傾斜角隨風(fēng)速的增大而減小。風(fēng)速為0.8，1.6 m/s時，各羽流偏移轉(zhuǎn)角差別較小。風(fēng)速較大時，中心線上火羽流在較強(qiáng)的縱向風(fēng)慣性力作用下，火焰向下游嚴(yán)重傾斜；隨著近壁距離逐漸減小，隧道側(cè)壁對傾斜火焰的摩擦拖曳作用越強(qiáng)，從而削弱火羽流傾斜程度。貼壁距離越小，由于撞擊頂棚后徑向蔓延的煙氣不能同時到達(dá)兩側(cè)壁，外加縱向風(fēng)的作用使煙氣需運(yùn)動一定距離后才能在隧道中心匯聚，故羽流匯聚偏轉(zhuǎn)角也隨之減小。

表1 不同縱向風(fēng)速下不同貼壁距離的煙羽流偏移量Table 1 Smoke plume offsets with different near-wall distances under different longitudinal wind velocities

羽流偏移角越小，火焰就會在地上蔓延，加大火焰觸及下游可燃物的可能性，引燃更多的可燃物，造成多火源火災(zāi)，嚴(yán)重妨礙火災(zāi)的救援。

3.3 煙氣分層狀態(tài)變化

經(jīng)過上述理論分析易知，ΔTcf/ΔTavg的取值區(qū)間可用于表示煙氣的層化狀態(tài)。如圖6所示，風(fēng)速越大，ΔTcf/ΔTavg相對減小，當(dāng)風(fēng)速增大到一定程度時，ΔTcf為0，上游不再有煙氣，層化強(qiáng)度為0。當(dāng)風(fēng)速為0.8 m/s時，隨著距離火源的增加ΔTcf/ΔTavg呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，其值在1.7附近，表明隧道煙氣層處于較為穩(wěn)定狀態(tài)；風(fēng)速為1.6～2.4 m/s近火源處的煙氣分層狀態(tài)受火源的影響較差，而遠(yuǎn)火源處煙氣分層較明顯；當(dāng)風(fēng)速增大到2.4 m/s以上時，縱向風(fēng)的慣性力占主導(dǎo)地位，使得煙氣在火源附近就被吹到接近地面處，整個疏散區(qū)域內(nèi)煙氣分層遭到破壞。隨著貼壁距離的減小，近火源區(qū)域的無量綱溫度比越小，表明此時煙氣層震蕩波動越明顯，煙氣層更易失穩(wěn)。

圖6 不同貼壁距離和不同縱向風(fēng)速下煙氣的分層狀況Fig.6 Smoke stratification with different near-wall distances and longitudinal ventilation velocities

綜上，建議在人員疏散階段準(zhǔn)確判斷風(fēng)向后，對于不同受限程度下的隧道火災(zāi)均可采用1.6～2.4 m/s的風(fēng)速對隧道進(jìn)行通風(fēng)，一方面可以有效控制煙氣回流及火焰傾斜程度，另一方面能夠保持煙氣良好的層化狀態(tài)；隨著火災(zāi)的發(fā)展及人員疏散的完成，可以逐步增大縱向風(fēng)速，從而為消防救援提供較清潔環(huán)境。同時，可以有效降低火災(zāi)煙氣溫度，減小對隧道結(jié)構(gòu)的損傷。

4 結(jié)論

1)近火源下游頂棚下方隧道中心上的最高溫度沿縱向均呈指數(shù)衰減變化。隨著貼壁距離的減小，火源撞擊頂棚上方的最高溫升顯著增加。不同貼壁距離和縱向通風(fēng)風(fēng)速下，均出現(xiàn)分岔流動。隧道中心線火災(zāi)火羽流撞擊處溫升及火羽流偏移角明顯小于貼壁火。

2)當(dāng)風(fēng)速小于1.6 m/s時，火源上游出現(xiàn)大量高溫?zé)煔饣亓?；而?dāng)風(fēng)速超過2.4 m/s時，分岔流動現(xiàn)象顯著，各偏移角變小，火源下游煙氣層嚴(yán)重失穩(wěn)。

3)針對大型客車隧道火災(zāi)事故，建議在人員疏散階段，準(zhǔn)確判斷風(fēng)向后可采用1.6～2.4 m/s的風(fēng)速，隨著火災(zāi)的發(fā)展及人員疏散的完成，可以逐步增大縱向風(fēng)速。