城市地下快速路入口段火災煙氣蔓延規律

林志, 蔣浩*, 蘇培循, 邵羽, 何廷全, 章海

(1.重慶交通大學土木工程學院, 重慶 400074; 2.廣西交通設計集團有限公司, 南寧 530029;3.廣西新發展交通集團有限公司, 南寧 530029; 4.招商局重慶公路工程檢測中心有限公司, 重慶 400067)

隨著城市家庭汽車數量的不斷增加,許多城市極力發展地下空間,建立城市地下快速路網,有效緩解城市中心區域的交通擁堵情況[1]。由于不同等級的地下快速路相互連接,城市地下路網整體風險上升。為減少地下快速路火災造成的損失,必須針對城市地下快速路的火災煙氣蔓延規律進行研究。

關于隧道火災研究,Kurioka等[2]對火焰形態、火焰傾斜角度等進行了系統分析;Ingason等[3]建立了縱向通風隧道內的隧道頂棚火焰長度經驗預測模型;何坤[4]通過全尺寸數值模擬研究了經典隧道內多火源煙氣蔓延規模。宋洋等[5]使用Pyrosim研究航站樓火災發展,結論表明仿真結果真實、準確;楊松等發現隧道火災研究一般基于直線隧道,缺少特殊線性隧道的火災研究[6]。

綜上所述,目前主要依托傳統公路隧道建立數值模型進行仿真研究,但是現代城市地下快速路路網復雜,與傳統的長直型隧道區別較大,火災發生后煙氣復雜,人員財產損失嚴重。因此,現通過建立全尺寸數值仿真模型,研究城市地下快速路入口處火災煙氣蔓延規律,可以豐富隧道火災煙氣蔓延規律知識體系,為城市地下快速路人員逃生疏散提供研究基礎,為城市地下快速路防災減災標準提供理論支撐。

1 模型建立

1.1 模型計算原理

FDS(fire dynamic simulation)軟件一般采用大渦模擬與直接模擬相結合的方式,獲得火災反應產生的相關溫度、煙氣、能見度、生成物數據,采用的計算模型是場模型。本文研究城市地下快速路岔路口區域發生火災現象,在火源處設立密集網格達到區域模型的效果,離火源遠處設立稀疏網格。

基于FDS開發的一款可視化工具PyroSim軟件,快速建立火災模型,模擬城市地下快速路發生火災時,遵循動量守恒方程、質量守恒方程和能量守恒方程[7-10],開展后續研究。

1.2 參數設置

本文的數值仿真模型是根據上海北橫通道瀘定路樞紐的實際工況建立的1∶1模型,實際尺寸示意圖如圖1所示。

圖1 上海北橫通道瀘定路樞紐示意圖Fig.1 Schematic diagram of Luding Road Hub of Shanghai North Cross Passage

城市地下快速路主線尺寸14 m×6 m,匝道尺寸11 m×6 m;環境溫度20.0 ℃;環境壓力1.013 25×105Pa;最大能見度30.0 m;環境氧質量分數0.232 378 kg/kg;環境二氧化碳質量分數5.95×104kg/kg;相對濕度40.0%;通過Pyrosim建立全尺寸模型如圖2所示。

圖2 全尺寸仿真模型總體示意圖Fig.2 Overall schematic diagram of the full-scale simulation model

1.3 網格劃分

網格尺寸大小影響著火災計算結果的準確性,通常認為精細的網格得出的仿真結果更加精確。選取無量綱表達式D/d,確定計算網格的尺寸,其中:D為火源特征直徑,d為計算網格尺寸。當D/d的值在4～16時,認為計算結果準確,FDS用戶指導手冊[4]給出D的計算式為

(1)

式(1)中:Q為火源熱釋放速率,kW;ρ0為空氣密度,kg/m3;Cp為空氣比熱容,kJ/(kg·K);T∞為環境溫度,K;g為重力加速度,m/s2。

根據依托工程隧道情況,空氣密度取值為1.204 kg/m3,空氣比熱容為1.005 kJ/(kg·K),空氣溫度取293 K,重力加速度為9.81 m/s2。d計算出的取值范圍在0.114～0.456 m。

根據d的取值范圍,選取了0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 m分別進行數值仿真結果計算,分析網格尺寸計算敏感性,綜合考慮計算結果的準確性與計算時間成本,確定選取網格尺寸為0.2 m。

1.4 工況設計

選取了美國消防協會(National Fire Protection Associatio,NFPA)2020年新發布的臨界風速計算公式[11]。依托工程在15 MW火源時,主線臨界風速為1.72 m/s,匝道臨界風速為1.84 m/s。

火災位置設置在城市地下道路岔路口區域合流點,其中火災規模為15 MW,根據主線與匝道風速采用控制變量法,分別控制匝道風速v=1.84 m/s不變和主線風速v=1.72 m/s不變,共設計32種工況如表1和表2所示。

表2 匝道風速變化工況設計Table 2 Design of the working condition of the wind speed change on the ramp

1.5 有害物質安全臨界值確定

城市地下快速路是一個相對封閉的空間。火災發生時會產生有害物質,對人員的逃生和疏散造成不利影響,主要表現在高溫、能見度、有毒氣體3個方面[12]。

認為環境中人員在安全高度2 m處的溫度達到60 ℃。它是溫度風險的臨界值[13]。隧道內發生火災時能見度應在7～15 m。考慮到城市地下高速公路環境復雜、人員眾多,在人員安全高度為2 m時,能見度危險閾值設定為大于等于10 m。

隧道火災中約50%的死亡是由CO中毒引起的,約30%是由CO和其他因素共同作用引起的[14-15]。體積分數在5×10-5VOL%及以下的CO濃度對人體沒有影響,但當超過100 ppm(1 ppm=1.8 mg/m3)時,嚴重危及人員安全,降低人員速度,特別是在隧道等狹長環境中。更快、更保守的考慮,結合城市地下高速公路CO設定標準和CO作用對人體的危害,火災情況下人員2 m安全高度CO濃度設定為400 ppm為危險的臨界值。

2 模擬結果分析

2.1 入口段總體分析

當城市地下快速路合流點附近發生火災時,火災煙氣將同時受到匝道通風與主線通風的影響,氣流交匯容易產生煙氣渦流,對人員逃生產生不利影響如圖3所示。

圖3 入口段火災煙氣蔓延示意圖Fig.3 Schematic diagram of the spread of fire smoke in the entrance section

2.2 溫度變化分析

2.2.1 風速變化下溫度云圖

數值模型分析結果發現,不同匝道半徑下的溫度分布云圖變化趨勢類似,選取匝道半徑70 m的火災煙氣溫度云圖進行展示,如圖4和圖5所示。

圖4 匝道風速為臨界風速時的溫度云圖Fig.4 Temperature cloud for ramp wind speed at critical wind speed

圖5 主線風速為臨界風速時的溫度云圖Fig.5 Temperature cloud for mainline wind speed at critical wind speed

整體來看,當控制匝道風速v=1.84 m/s不變時,4種變化主線風速的工況,匝道溫度均被有效地控制,整體溫度升高不明顯;當控制主線風速v=1.72 m/s不變時,4種變化匝道風速的工況,主線溫度均被有效地控制,整體溫度升高不明顯,調控匝道風速時火災上游沒有出現溫度輻射,隧道內的高溫區域主要集中在火源下游不遠的隧道側壁處。

2.2.2 溫度縱向變化曲線

根據圖6和圖7,結合人員安全高度處的溫度縱向變化曲線可知,當主線風速v=0.72 m/s,火源上游主線溫度逆風速輻射。隨著風速的增加,這種現象很快消失,說明低風速無法抑制溫度向上游蔓延。當風速達到v=0.72 m/s時,依托工程溫度危險區最大,在火源下游120 m以內;當溫度輻射到達匯合段時,呈穩定下降趨勢。

圖6 主線風速變化時縱向溫度曲線Fig.6 Longitudinal temperature curve with wind speed change on the main line

圖7 匝道風速變化時縱向溫度曲線Fig.7 Longitudinal temperature curve when the wind speed changes on the ramp

當匝道風速v=0.84 m/s時,火源上游的匝道出現一定的溫升,隨著匝道風速增加,煙氣逆流帶來的溫升現象得到抑制,火源上游的主線內則一直保持在安全溫度環境內。岔路口區域溫度曲線呈波動狀態,煙氣進入合流段時,不同風速下的溫度呈逐漸下降趨勢。當匝道風速v=0.84 m/s或1.34 m/s時,依托工程溫度危險區可輻射到火源下游180 m范圍內,但當風速達到v=1.84 m/s后,危險區域只能到達火源下游100 m的區域。風速越高,隧道內的整體溫度越低,危險區域越小。

2.3 能見度變化分析

2.3.1 能見度分布云圖分析

選取匝道半徑為70 m時不同風速下的人員安全高度處能見度云圖進行展示,如圖8和圖9所示。

圖8 匝道風速為臨界風速的能見度云圖Fig.8 Visibility cloud for on-ramp with critical wind speeds

圖9 主線風速變化時能見度縱向變化曲線Fig.9 Longitudinal change curve of visibility when main line wind speed changes

圖9 主線風速為臨界風速的能見度云圖Fig.9 Visibility cloud for mainline wind speeds at critical wind speeds

綜合來看,城市地下快速路入口段火災發生后,主線與匝道同時開啟排煙風機,主線風速在1.22 m/s,逆流情況基本消失,可以快速地將火災煙氣向下游疏散,主線風速1.72 m/s及匝道風速1.84 m/s時,能見度良好,對人員逃生有利。

2.3.2 能見度縱向變化曲線

根據圖9,除低風速v=0.72 m/s時,煙氣逆流發生在火源上游,其他風速均不產生煙氣逆流。根據圖10,城市地下快速路入口段控制主線風速為臨界風速時,改變匝道風速,能見度基本高于危險臨界值,岔路口區域能見度呈波動傳遞狀態;進入合流段后,不同風速下的能見度趨于穩定。

圖10 匝道風速變化時能見度縱向變化曲線Fig.10 Longitudinal change curve of visibility when the wind speed changes on the ramp

綜合分析,主線風速保持在1.22 m/s,匝道風速保持在1.34 m/s時,城市地下快速路入口能見度縱向變化情況,有利于人員逃生。

2.4 CO濃度變化分析

2.4.1 CO濃度分布云圖

根據圖11可知,不同風速下的城市地下快速路入口段內CO濃度都未達到危險臨界值。當主線風速v=0.72 m/s時,火源上游的主線隧道內出現CO分布,這說明此時煙氣出現逆流現象,也可以較為明顯的發現城市地下快速路內隧道中間CO濃度低于兩側。

由圖11和圖12可知,當城市地下快速路內開啟縱向通風后,火源上游的匝道與主線隧道內都不會出現CO氣體。當風速較低時城市地下快速路內的中間車道CO濃度較低,靠近隧道兩側墻壁的CO濃度較高。

圖12 主線風速為臨界風速的CO濃度云圖Fig.12 Cloud view of CO concentration with mainline wind speed as critical wind speed

2.4.2 CO濃度縱向變化曲線

從圖13可以看出,不同風速下城市地下快速路入口段CO濃度均未達到危險臨界值;當風速v=0.72 m/s時,火源上游的主線隧道內出現一定量的CO氣體,隨著風速的增大,迅速消失;當CO進入合流段時,不同風速下的CO濃度基本保持穩定。

圖13 人員安全高度縱向CO濃度變化曲線(v=0.72 m/s)Fig.13 Longitudinal CO concentration change curve at the safety height of personnel(v=0.72 m/s)

由圖14可知,當城市地下快速路入口段發生火災時,控制主線風速不變,逐漸提高匝道風速,入口處火源上游發生在低風速v=0.84 m/s時出現CO氣體,隨著風速的增加,CO氣體迅速消失,岔路口區域CO濃度波動狀態,變化復雜。CO氣體進入合流段后濃度穩定,濃度曲線近似于水平曲線。

圖14 人員安全高度處縱向CO濃度曲線(v=0.84 m/s)Fig.14 Longitudinal CO concentration curve at personnel safe height(v=0.84 m/s)

3 結論

以上海北橫通道瀘定路樞紐為研究依托工程,采用理論分析、全尺寸數值仿真計算等方法,對城市地下快速路入口的火災煙氣蔓延規律進行研究,得出如下結論。

(1)工況設計選擇0.72、1.22、1.72、2.22 m/s 4種主線風速,只有溫度達到危險臨界值,能見度和CO濃度處于相對安全的水平。城市地下快速路入口處合流段的溫度下降速率、能見度、CO濃度與主線風速有很強的相關性,隨著主線風速的增加,合流段降溫速度減慢,能見度提高,CO濃度降低。

(2)城市地下快速路入口處,主線與匝道共同提供排煙風速,主線和匝道可以保持臨界風速進行有效排煙。入口段發生火災時,推薦的主線排煙風速為1.72 m/s,匝道排煙風速推薦為v=1.84 m/s。