公路隧道火災(zāi)CO濃度的數(shù)值模擬

陳丹丹 孫三祥（蘭州交通大學(xué)，甘肅 蘭州 730070）

本文以廈門蓮花隧道為對象，利用CFD軟件FLUENT，對隧道發(fā)生火災(zāi)時的臨界風(fēng)速，隧道中線縱斷面上不同高度處的CO濃度分布和隧道橫截面上的CO濃度分布進行了三維數(shù)值模擬,研究分析了火災(zāi)時煙氣濃度的變化規(guī)律。

1 模型建立與邊界條件

1.1 隧道模型參數(shù)

蓮花隧道為山嶺重丘區(qū)高速公路隧道，隧道長度4545m，雙洞單向車行，隧道橫截面半徑為5.53m，如圖1所示。因為橫通道在火災(zāi)初期是關(guān)閉的，因此可以不計橫通道的影響。本次模擬取計算域長度500m進行計算,模型采用直角坐標(biāo)系，坐標(biāo)原點位于隧道入口處底線的中點，沿隧道長度Z方向向下延伸500m,末端處取為隧道出口。模型示意圖如圖2所示。

圖1 隧道橫截面

1.2 火源的設(shè)定

對火源的設(shè)定采用體積熱源法，即不考慮火災(zāi)燃燒的具體過程和產(chǎn)生的具體化學(xué)反應(yīng)，把火源設(shè)定為一個具有固定體積的熱源。火災(zāi)熱釋放率采用《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計規(guī)范》規(guī)定的估計值20MW[13]，火源設(shè)在距離隧道入口100m處的正中軸線上，體積為2m×1.5m×1.5m，如圖2所示。

圖2 模型縱斷面

1.3 網(wǎng)格的劃分

由于火源處及火源附近的紊流程度比較大，因此對火源前后20m處采用較精細的網(wǎng)格，用0.4m的尺寸進行劃分，其余采用0.6m的尺寸劃分。整個隧道均為非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格,共有397471個結(jié)點，如圖3所示。

圖3 橫截面網(wǎng)格

1.4 邊界條件的設(shè)置

隧道入口處采用速度進口邊界條件，為不同的通風(fēng)速度，溫度為20℃，CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0。

隧道出口處采用壓力出口邊界條件，相對壓力為0。

壁面處采用壁面無滑移邊界條件，均為絕熱，粗糙度為0.02，三個方向的速度分量均為0。

2 模擬計算結(jié)果及分析

2.1 模擬工況

本次模擬為三維穩(wěn)態(tài)模擬，采用以下六種工況：通風(fēng)速度分別為1m/s、2m/s、2.4m/s、2.5m/s、2.6m/s、3m/s。

2.2 結(jié)果及分析

1)對火災(zāi)臨界風(fēng)速的研究

當(dāng)隧道發(fā)生火災(zāi)時，讓火勢控制在火源一側(cè)，使之不蔓延至火源上風(fēng)方向，所需要的最小風(fēng)速稱為臨界風(fēng)速。當(dāng)機械通風(fēng)速度小于臨界風(fēng)速時，火勢得不到有效控制，會蔓延至火源的上風(fēng)方向，給人員逃離和消防隊員的救援工作帶來很大困難。因此，必須確定一個合理的臨界風(fēng)速，以使人員傷亡和財產(chǎn)損失達到最小。

不同風(fēng)速下，隧道中線縱斷面上火源附近的CO分布如圖4所示。

圖4 不同通風(fēng)速度時的CO分布圖

由圖4可得：①當(dāng)通風(fēng)風(fēng)速為1m/s時，煙氣在上風(fēng)方向的回流距離較大，基本上充滿了隧道的整個斷面；②當(dāng)通風(fēng)風(fēng)速為2m/s和2.4m/s時，煙氣得到了一定的控制，但在上游仍然有煙氣的存在；③當(dāng)通風(fēng)風(fēng)速為2.5m/s時，煙氣基本得到了有效控制；④當(dāng)通風(fēng)風(fēng)速為2.6m/s時，火源頂部上游的煙氣沒有超過火源范圍，被控制在了下風(fēng)方向；⑤當(dāng)通風(fēng)風(fēng)速為3m/s時，在火源上風(fēng)方向范圍內(nèi)沒有煙氣存在。

因此可以得出結(jié)論，此隧道的臨界風(fēng)速為2.6m/s,機械通風(fēng)速度應(yīng)大于或等于2.6m/s。

2)對不同風(fēng)速下隧道中線縱斷面上一定高度處CO濃度分布的研究

當(dāng)入口通風(fēng)風(fēng)速為2m/s時，火源點上游的煙氣約有25m距離的回流。距離火源點之后150m范圍內(nèi)，離隧道底部1.5m、3m高度處的CO濃度均有一定程度的上下波動，4.5m處的濃度較為穩(wěn)定，基本保持在1.3%?；鹪粗?50m至隧道出口范圍內(nèi)，不同高度處的煙氣濃度值均無較大波動，且數(shù)值基本相等，約為0.75%。由于煙氣的浮力作用，距離隧道底部距離越大，CO濃度越高。且在火源之后20m范圍內(nèi)，CO濃度下降，之后20m至50m范圍內(nèi)又出現(xiàn)回升。

3)對隧道橫截面上CO濃度分布的研究

圖5給出了入口通風(fēng)風(fēng)速為2m/s、2.6m/s、3m/s時距離火源下游10m、50m、100m、200m、350m橫截面上，離隧道底部1.5m處的CO濃度分布圖。

由圖5(a)可得：①火源下游10m處，在不同通風(fēng)風(fēng)速下，均呈現(xiàn)出中線附近的CO濃度小于邊墻附近的濃度。②中線處的CO濃度數(shù)值在三種風(fēng)速下差別不大，約為0.1%，邊墻處的濃度在2.6m/s和3m/s的風(fēng)速下約為1%，在1m/s的風(fēng)速下為0.45%,差別較大。

由(b)可得：①火源下游50m處，通風(fēng)風(fēng)速為2m/s時，中線附近的煙氣濃度小于邊墻。風(fēng)速為2.6m/s和3m/s時，邊墻處的煙氣濃度略小于中線。②3m/s風(fēng)速下煙氣濃度反而大于2.6m/s時的濃度。

由(c) (d)可得：火源下游100m和200m處，CO濃度在不同通風(fēng)風(fēng)速下的變化較為復(fù)雜，曲線大致呈波浪形。

由(e)可得：火源下游350m處的CO濃度已經(jīng)趨于穩(wěn)定，變化幅度較小。2m/s和2.6m/s時的濃度約為0.55%，3m/s時約為0.35%。

整體比較(a) (b) (c) (d) (e)可得：①距離火源不同橫截面上的煙氣濃度總體上關(guān)于橫截面的豎直中線對稱；②離火源越遠，入口通風(fēng)風(fēng)速越大，濃度越低。

3 結(jié)論

采用fluent軟件對廈門蓮花隧道發(fā)生火災(zāi)時的臨界風(fēng)速，隧道中線縱斷面上不同高度處的CO濃度分布和隧道橫截面上的CO濃度分布進行了三維數(shù)值模擬，得到了以下結(jié)論：

1)廈門蓮花隧道發(fā)生火災(zāi)時的臨界風(fēng)速為2.6m/s，實際機械通風(fēng)速度應(yīng)大于等于2.6m/s,才能使煙氣不發(fā)生回流，為上風(fēng)方向的人員逃生和救援工作提供一個無煙環(huán)境。

圖5 不同橫截面的CO分布

2)CO濃度在隧道頂部附近區(qū)域較大，在隧道底部附近處較??；火源之后150m范圍內(nèi)煙氣濃度值有一定波動，之后基本保持不變；在火源附近處的CO濃度要小于距離稍遠處的濃度；入口通風(fēng)風(fēng)速越大，煙氣濃度值越小。

3)距離火源不同橫截面上的煙氣濃度總體上關(guān)于橫截面的豎直中線對稱；離火源越遠，入口通風(fēng)風(fēng)速越大，濃度越低。

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