連續(xù)隧道洞口間煙氣擴散特性研究

邱 浩 曾仕豪 袁中原

（1.西南交通大學機械工程學院 成都 610031；2.信息產(chǎn)業(yè)電子第十一設計研究院科技工程股份有限公司 成都 610056）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的迅速發(fā)展，公路和隧道建設也進入了快速發(fā)展階段[1]。由于隧道空間相對封閉，一旦發(fā)生火災對于隧道運營和人員安全將造成極大威脅。目前公路隧道通風已經(jīng)有多種系統(tǒng)[2]，其中縱向式通風對整個火災區(qū)域的煙霧控制能力較好，且建設成本低，控制方便[3]，是隧道通風的重要方式[4]，大部分隧道多采用縱向通風[5]。

在公路路段上可能出現(xiàn)兩座或兩座以上縱向間隔距離較短的隧道，被稱作連續(xù)毗鄰隧道[6]，下文簡稱連續(xù)隧道。對于洞口間距較短的連續(xù)隧道，當上游隧道發(fā)生火災時，煙氣在縱向通風風速的作用下可能竄流至下游隧道，對下游隧道造成影響。

大部分學者的研究都重點關注連續(xù)隧道的污染物竄流，彭建康[7]等人研究了連續(xù)隧道出口污染物擴散對下游隧道的影響。張翛[8]等人研究了白家山毗鄰隧道無風和有風時的污染物擴散情況。章立峰[9]等人研究了山谷風速和風向等不同因素對連續(xù)隧道污染物竄流量的影響。也有少數(shù)學者針對連續(xù)隧道煙氣竄流做過研究，董啟偉和李俊梅[10]等人運用理論分析和數(shù)值模擬的方法研究了連續(xù)隧道發(fā)生火災時的安全間距，為連續(xù)隧道的間距設計提供了參考。王強[11]等人利用縮尺實驗研究了連續(xù)隧道發(fā)生火災時的三種煙氣竄流模式，提出了臨界竄流風速公式模型。

綜上所述，有關連續(xù)隧道煙氣竄流問題的研究還較少，已有的研究也未具體分析煙氣竄流的特性和影響因素。本文主要通過STAR-CCM+數(shù)值模擬的方法研究連續(xù)隧道洞口間煙氣擴散的特性。

1 數(shù)值計算模型

1.1 模型建立

本文依據(jù)某連續(xù)隧道的結構建立連續(xù)隧道火災三維數(shù)值計算模型，隧道斷面由矩形和半圓組成，矩形長12m、寬1.4m，半圓半徑為6m，如圖1 所示。為考慮流動的充分發(fā)展，上游隧道長度及洞口間距根據(jù)模擬工況設定，下游隧道長度為120m，計算域取洞口兩側和上方60m，忽略山谷部分，建立的三維模型如圖2 所示。

圖1 隧道截面尺寸Fig.1 Tunnel section size

圖2 連續(xù)隧道模型Fig.2 Continuous tunnel model

火源熱釋放速率采用2t模型，如下所示：

式中，Q為火災熱釋放速率；t為時間；α為火災增長系數(shù)。

參照NFPA，公路火災一般為超快速火災類型，因此， 將α取作 0.1876 ， 火源尺寸取為4m×2m×1.5m，熱釋放率和火源位置根據(jù)工況設定。通過文獻[12]計算可知，5MW、20MW 和50MW下的臨界風速分別為2.2m/s、3.5m/s 和3.7m/s。

本文設定的模擬計算工況如表1 所示。

表1 模擬工況表Table 1 Simulation condition table

1.2 網(wǎng)格劃分

本文采用STAR-CCM+進行數(shù)值模擬，其具有強大的網(wǎng)格劃分功能，提供了多面體、切割體和棱柱層等網(wǎng)格生成器，本文采用多面體和棱柱層網(wǎng)格生成器。為了兼顧計算時間和精度，本文采用0.1D*的網(wǎng)格尺寸進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分結果如圖3 所示。

圖3 網(wǎng)格劃分結果Fig.3 Meshing Results

1.3 邊界條件

隧道壁面、山體壁面以及地面均設置為壁面邊界，初始環(huán)境溫度為20℃，上游隧道進口設置為速度邊界，保持設定的縱向通風風速不變，下游隧道出口以及與大氣相接觸表面均設置為壓力出口邊界。當研究橫向風時根據(jù)需要將對應界面設置為速度進口邊界。

1.4 可靠性驗證

為了驗證數(shù)值計算方法的準確性，本文搭建了1:20 的縮尺連續(xù)隧道模型進行實驗驗證。實驗的上下游隧道尺寸一致，分別為2.5m×0.25m×0.25m，熱電偶布置如圖4 所示，火源燃燒所用燃料為甲烷，環(huán)境溫度為30℃。選取火源位于距隧道進口0.65m 處，熱釋放率為2.54KW，臨界風速為0.53m/s，洞口間距為0.3m 的工況，對比溫度分布如圖5 和圖6 所示，由圖可知模擬結果與實驗結果的誤差很小。因此，本文采用STAR-CCM+進行模擬計算研究可行。

圖4 測點布置（單位：m）Fig.4 Measuring point layout(unit:m)

圖5 縱向溫度分布（上游隧道）Fig.5 Longitudinal temperature distribution(upstream tunnel)

圖6 縱向溫度分布（下游隧道）Fig.6 Longitudinal temperature distribution(downstream tunnel)

2 結果與討論

2.1 縱向風速對煙氣竄流的影響

根據(jù)隧道溫度場穩(wěn)定前后的狀態(tài)，隧道火災發(fā)展可分為火災初始階段和火災穩(wěn)定階段[10]。

不同縱向風速下的計算工況為Z1 和Z2。火災發(fā)生至120s 時的煙氣濃度如圖7 所示，從圖中可以看出，由于火災初始階段的煙氣溫度較低，上游隧道出口處煙氣在水平慣性力的作用下均會竄流至下游隧道，并且竄流量會隨著縱向風速的增大而增大。

圖7 不同縱向風速下火災初始階段的煙氣擴散情況Fig.7 Smoke diffusion at the initial stage of fire under different longitudinal wind speeds

火災溫度場穩(wěn)定后的煙氣濃度如圖8 所示，從圖中可以看出，由于溫度場穩(wěn)定后的煙氣溫度較高，即使縱向風速達到3.7m/s，煙氣在熱浮力的作用下仍然不會竄流至下游隧道，而是浮升至大氣環(huán)境。并且隨著縱向風速的增大，煙氣往下游隧道方向水平擴散的距離也會增大。

圖8 不同縱向風速下溫度場穩(wěn)定后的煙氣擴散情況Fig.8 Smoke diffusion after temperature field stabilization under different longitudinal wind speeds

2.2 火源位置對煙氣竄流的影響

不同火源位置下的計算工況為Z3、Z8、Z9 和Z10。火災初始階段的煙氣濃度如圖9 所示，從圖中可以看出，由于火災初始階段的煙氣溫度較低，上游隧道煙氣在較強的水平慣性力作用下會竄流至下游隧道，并且竄流量會隨火源距上游隧道出口距離的增大而增大。這是因為火源距離上游隧道出口越遠，上游隧道出口處煙氣溫度就越低，煙氣向下游水平擴散獲得的慣性力就越大，竄流增強。

圖9 不同火源位置下火災初始階段的煙氣擴散情況Fig.9 Smoke diffusion at the initial stage of fire under different fire source locations

火災溫度場穩(wěn)定后的煙氣濃度如圖10 所示，從圖中可以看出，由于火災的充分燃燒，溫度場穩(wěn)定后的煙氣溫度大幅升高，熱浮力對煙氣流動的作用明顯增強，因此，火源距離上游隧道出口60m～1400m 工況下的洞口間煙氣均直接浮升至大氣環(huán)境，不會竄流至下游隧道。當這個距離達到5000m 時，由于煙氣從火源處蔓延到出口處已經(jīng)進行了比較充分的換熱降溫，導致出口處煙氣與環(huán)境的溫差很小，此時較大的水平慣性力會推動大量煙氣竄流至下游隧道。

圖10 不同火源位置下溫度場穩(wěn)定后的煙氣擴散情況Fig.10 Smoke diffusion after temperature field is stabilized at different fire source locations

2.3 熱釋放率對煙氣竄流的影響

不同熱釋放率下的計算工況為Z2、Z6 和Z7。火災發(fā)生至120s 時的煙氣濃度如圖11 所示，從圖中可以看出，由于火災初始階段的煙氣溫度較低，上游隧道煙氣在水平慣性力的作用下會擴散至下游隧道。

圖11 不同熱釋放率下火災初始階段的煙氣擴散情況Fig.11 Smoke diffusion at the initial stage of fire under different heat release rates

火災溫度場穩(wěn)定后的煙氣濃度如圖12 所示，由于熱釋放率的增大會使煙氣溫度升高，浮升力增強，從圖中可以看出，煙氣向下游蔓延的距離隨熱釋放率的增大而縮短。

圖12 不同熱釋放率下溫度場穩(wěn)定后的煙氣擴散情況Fig.12 Smoke diffusion after temperature field stabilization under different heat release rates

2.4 洞口間距對煙氣竄流的影響

不同洞口間距下的計算工況為Z3、Z4 和Z5。火災初始階段的煙氣濃度如圖13 所示，由圖分析可知，隨著洞口間距增大，煙氣擴散的區(qū)域范圍變大，煙氣與周圍環(huán)境中潔凈空氣不斷混合，被更加充分的稀釋，竄流減弱。

圖13 不同洞口間距下火災初始階段的煙氣擴散情況Fig.13 Smoke diffusion at the initial stage of fire under different hole spacing

火災溫度場穩(wěn)定后的煙氣濃度如圖14 所示，從圖中可以看出，由于溫度場穩(wěn)定后的煙氣溫度升高，上游隧道出口處的煙氣在熱浮力的作用下會直接流向大氣環(huán)境。

2.5 橫向風對煙氣竄流的影響

在工況Z8 模型的一側邊界設置不同風速大小的橫向風，進行數(shù)值模擬研究橫向風的影響。火災初始階段的煙氣濃度如圖15 所示，由圖可知，存在橫向風時，洞口間煙氣的流動軌跡會發(fā)生偏移，并且隨著橫向風速增大，煙氣與下游隧道洞口的距離會增大，竄流減弱。

圖15 不同橫向風速下火災初始階段的煙氣擴散情況Fig.15 Smoke diffusion at the initial stage of fire under different transverse wind speeds

3 結論

本文采用三維數(shù)值計算方法，研究了連續(xù)隧道火災的洞口間煙氣擴散特性，得到如下結論：

（1）上游隧道縱向風速的增大將導致煙氣往下游隧道方向水平擴散的距離增大，因此，煙氣的竄流量增大。

（2）火源距離上游隧道出口越遠，熱釋放率越小，上游隧道出口處煙氣溫度就越低，煙氣的水平慣性力上升，更容易竄流至下游隧道。

（3）煙氣竄流隨著洞口間距的增大而不斷減弱，當洞口間距足夠大時，不會出現(xiàn)煙氣竄流的現(xiàn)象。

（4）當存在橫向風時，洞口間煙氣的流動軌跡會發(fā)生偏移，并且煙氣竄流會隨橫向風速的增大而減弱。