公路隧道火災(zāi)通風數(shù)值模擬分析及逃生研究

摘 要：利用數(shù)值模擬技術(shù)和pyrosim軟件，對火災(zāi)功率為20 MW的中型規(guī)模隧道火災(zāi)進行了仿真，通過對火災(zāi)煙流蔓延模擬結(jié)果的分析，得出了該火災(zāi)規(guī)模的臨界風速，并在臨界風速下，通過對隧道內(nèi)的溫度、CO濃度的分布進行了數(shù)值模擬分析，得出了其分布規(guī)律。然后以修正后的克拉尼公式及FED窒息模型作為火災(zāi)時人員逃生的判定條件，綜合考慮了火災(zāi)時隧道各斷面溫度和CO濃度分別與人員極限忍受時間的關(guān)系，最后得出隧道火災(zāi)時人員的安全逃生方向及火源下游人員的最大安全逃生時間和最遠逃生區(qū)域。

關(guān)鍵詞：公路運輸；人員逃生；數(shù)值模擬；公路隧道； 臨界風速

中圖分類號：U458.1 文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2014）06-0042-03

0引言

近年來隨著我國隧道建設(shè)的不斷發(fā)展以及公路交通流量的日益增長，公路隧道發(fā)生火災(zāi)的頻率也在不斷增加，這些頻發(fā)的火災(zāi)事故給隧道的結(jié)構(gòu)帶來了巨大的損害，同時對人員的生命財產(chǎn)安全造成了巨大的威脅。隧道火災(zāi)中影響人員逃生的主要因素是高溫有毒煙流的蔓延。本文以pyrosim火災(zāi)仿真軟件為平臺，對建立的隧道火災(zāi)場模型進行仿真模擬，重點分析了火災(zāi)中煙流的蔓延情況，得出臨界風速，并在此基礎(chǔ)上，探討了隧道火災(zāi)時溫度和CO濃度的分布規(guī)律，從而得出發(fā)生火災(zāi)時在各影響因素綜合作用下人員的安全逃生時間及逃生區(qū)域。

1公路隧道火災(zāi)場模型

1.1隧道模型

本文選取高5.2 m，坡度2%，雙洞單向行車，人行橫洞間距約為400 m，并采用全射流風機縱向式機械通風方式的隧道。取該隧道長度為400 m的一段對其進行數(shù)值模擬?；鹪丛诼分醒耄嚯x入口50 m，并且選擇火源點在射流風機下游的情況下進行模擬。

1.2火源設(shè)定

我國現(xiàn)行的《公路隧道通風照明設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定火災(zāi)時排煙風速可按2 m/s～3 m/s取值，此取值設(shè)計的前提是隧道火災(zāi)功率為20 MW的中型火災(zāi)規(guī)模[1]。一般情況下隧道消防系統(tǒng)的設(shè)計也是針對該中型火災(zāi)規(guī)模。因此，本文火災(zāi)數(shù)值模擬也選取中型火災(zāi)規(guī)模且采用如下火災(zāi)模型來表示非穩(wěn)態(tài)火災(zāi)。

Q=αt2 （1）

式中：Q是火災(zāi)功率，單位為KW；α是火災(zāi)增長系數(shù)，單位為KW/s2，可取0.187 8；t是燃燒時間，單位為s。

由式（1）可算出，當燃燒時間大于326 s，火災(zāi)功率大于20 MW時，火源才能處于完全燃燒狀態(tài)，之后，火災(zāi)功率可視為恒定不變。

1.3模擬邊界條件

隧道兩側(cè)墻壁設(shè)為厚25 cm的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土層的外部為巖土層，內(nèi)部為導(dǎo)熱模型，且內(nèi)外溫度都設(shè)為20℃的恒溫。導(dǎo)熱模型的導(dǎo)熱系數(shù)為1.8 W/m·k，定壓比熱為1.04 kJ/kg·k。隧道的進口設(shè)有縱向式通風，風速采用臨界風速；出口為開放條件。隧道內(nèi)的初始環(huán)境溫度設(shè)為20 ℃，初始氣壓為一個標準大氣壓。

2公路隧道火災(zāi)模擬分析

隧道發(fā)生火災(zāi)時，由于在臨界風速條件下，火源上游是安全的，所以主要研究火源下游，并以斷面上人體高度位置處的溫度、CO濃度作為研究對象，分析其分布規(guī)律。

2.1煙流蔓延

此次模擬火災(zāi)為中型火災(zāi)，在模擬過程中，采用插入法，從2 m/s開始不斷增大縱向風速，速度值最小為0.1 m/s。在火災(zāi)穩(wěn)態(tài)狀況下，煙流正好不發(fā)生回流時的縱向風速即確定為臨界風速。下面的通風風速為2.5 m/s和2.8 m/s時的模擬煙流蔓延如圖1所示。

根據(jù)模擬結(jié)果顯示當t=327s達到穩(wěn)態(tài)時，風速為2.5m/s的煙流模擬出現(xiàn)了明顯的回流現(xiàn)象，而風速為2.8 m/s時，直至t=327 s時，煙氣充滿整個空間都沒有發(fā)生明顯的回流現(xiàn)象。由此可得，當縱向風速為2.8 m/s時，可抑制火災(zāi)時煙氣的回流，即可確定火災(zāi)功率為20 MW時的臨界風速為2.8 m/s。

（a）2.5 m/s （b）2.8 m/s

圖1Q為20 MW時不同通風風速下煙流蔓延分布示意圖

2.2溫度分布

圖2和圖3分別給出了隧道火災(zāi)時，在臨界風速下，距地面高度為1.75 m處，離火源不同距離的各斷面溫度的橫向和縱向分布圖。

圖2各斷面溫度橫向分布圖

圖3各斷面溫度縱向分布圖

從分析可知：隧道火災(zāi)時，隧道頂部溫度較高，而底部溫度偏低；火源下游的溫度在距火源150 m之內(nèi)主要集中在200～300 ℃左右，150 m以外主要集中在150 ℃左右，且溫度隨著離火源距離的增大而降低。

2.3CO濃度分布

火災(zāi)中主要產(chǎn)生的有毒氣體為CO，如果人員長時間處于高濃度CO的環(huán)境中，容易造成人體重要器官嚴重缺氧而導(dǎo)致窒息甚至死亡。在臨界風速的通風模式下，模擬距火源不同距離處CO濃度的橫向分布圖如圖4所示。

圖4火災(zāi)CO濃度橫向分布圖

分析上圖可得出：各斷面CO濃度在距火源100 m之內(nèi)時，隨著離火源距離的增大而增大，在距火源100 m以外時，隨著離火源距離的增大而減小；其變化規(guī)律基本上關(guān)于隧道中心線呈對稱分布，且CO濃度在隧道中心線附近較低，而隧道兩側(cè)墻壁較高。由此可知隧道火災(zāi)時人員應(yīng)沿著隧道中心線方向逃生。

3隧道火災(zāi)時人員的逃生研究

3.1隧道火災(zāi)時人員逃生的判定條件

隧道發(fā)生火災(zāi)時，隧道內(nèi)的人員能否迅速逃至安全區(qū)域由兩個因素決定，一個是個人的自身條件，包括人的心理素質(zhì)、反應(yīng)速度、安全常識等；另一個是火災(zāi)時隧道內(nèi)的惡劣環(huán)境，如產(chǎn)生的高溫空氣、有毒煙氣、較低的光線能見度等。當隧道發(fā)生火災(zāi)時，影響人員逃生的主要環(huán)境因素有隧道內(nèi)產(chǎn)生的高溫和濃烈的煙霧，通過對這兩影響因素的研究，將分別得到以下兩個人員逃生的判定條件。

3.1.1克拉尼公式

克拉尼公式反映的是人在高溫環(huán)境中的最大忍受時間與溫度的對應(yīng)關(guān)系。本文采用周勇狄的碩士論文中提出的的克拉尼公式作為人員逃生的判定條件（T為空氣的溫度）[5]：

（2）

由此公式可繪出如圖5所示的人員忍受極限時間與溫度之間的關(guān)系圖。

圖5人員忍受時間與溫度的關(guān)系

3.1.2FED窒息模型

FED窒息模型反映的是人員的最大忍受時間與煙氣（主要為CO）濃度的對應(yīng)關(guān)系。本文采用衛(wèi)巍論文中提出的FED窒息模型作為人員逃生的判定條件[6]：

（3）

當FED=0.3時，為CO導(dǎo)致人員失能的極限值；當FED=0.01時，表示CO導(dǎo)致人員失能的可能有1%。由此公式畫出的人員忍受極限時間與CO濃度之間的關(guān)系如圖6所示。

圖6人員忍受時間與CO濃度的關(guān)系

由圖5可以看出，發(fā)生火災(zāi)時，隧道內(nèi)某位置的溫度隨時間變化位于圖5所示曲線的下方，即該位置各時刻的溫度所對應(yīng)的人員忍受時間均小于人員的極限忍受時間，則表示該位置是安全區(qū)域。

由圖6可以看出，發(fā)生火災(zāi)時，隧道內(nèi)某位置的CO濃度隨時間變化位于圖6所示曲線的下方，即該位置各時刻的CO濃度對應(yīng)的人員忍受時間均小于人員的極限忍受時間，則表示該位置是安全區(qū)域。

由于隧道火災(zāi)時溫度和CO濃度都會影響人員的逃生，所以本文將同時以公式（2）、（3）和圖5、6作為隧道火災(zāi)時人員逃生的判定條件。

3.2人員逃生模擬分析

在本文建立的隧道模型基礎(chǔ)上，經(jīng)模擬仿真計算后，可以得到隧道發(fā)生火災(zāi)時，隧道內(nèi)各斷面位置的溫度與CO濃度隨時間的變化關(guān)系。然后結(jié)合圖5和圖6，綜合繪出的火災(zāi)時隧道各斷面溫度和CO濃度分別與人員極限忍受時間的關(guān)系如圖7所示。

圖7溫度與CO濃度分別與人員極限忍受時間的關(guān)系圖

從圖7中可以看出，各斷面在5 min后的溫度均在人員忍受極限值的上方，這說明如果逃生人員在5 min內(nèi)還未逃離危險區(qū)域，那么他將面臨生命危險。火源下游200 m外CO濃度在人員忍受極限值的下方，均能逃離危險區(qū)域，其他區(qū)域的逃生人員如果在7 min內(nèi)還沒有逃離危險區(qū)域，那么他們就面臨CO中毒窒息的危險，并最終導(dǎo)致死亡。

3.3人員逃生研究

根據(jù)以上兩個判定條件，經(jīng)計算可得火災(zāi)時人員平均忍受溫度和CO濃度的時間及從火災(zāi)處逃離至各處的時間，并由此可以得出，火源下游的逃生人員在火災(zāi)發(fā)生1 min后逃生的最遠區(qū)域及可能的逃生區(qū)域如表1和表2所列。

表1火災(zāi)1 min后火源下游人員最遠的逃生區(qū)域

開始逃生位置/m最遠的逃生區(qū)域/m

Z=0>50

Z=5>50

Z=10>50

Z=50>100

Z=100>200

Z=150>300

Z=200>300

表21 min后火源下游最有可能的逃生區(qū)域

逃生區(qū)域>100 m

安全逃生時間/min1.7

由表1和表2可以看出，在火源下游，火源附近的逃生人員如果在1 min內(nèi)逃不至離火源50 m外，那么他將有生命危險；火源下游離火源100 m處的人員最多能逃至200 m外，只有離火源150 m以外的人員，才能逃至安全區(qū)域。從最壞的情況考慮，假設(shè)火源在人行橫洞口，那么如果每300 m設(shè)有人行橫洞，則火源下游一部分人員可逃離至下一個橫洞口；但如果每350 m設(shè)有人行橫洞，那么只有離火源150 m以外的人員才能逃離至下一個橫洞口，其他位置的人員將有生命危險，因此合理的人行橫洞的設(shè)置對火災(zāi)時人員的逃生有很大幫助。

4結(jié)語

本文在建立的隧道中型火災(zāi)模型下，研究了隧道火災(zāi)時的煙流蔓延、溫度及CO濃度的綜合分布規(guī)律，得出了以下結(jié)論：隧道發(fā)生火災(zāi)時，縱向通風風速為2.8 m/s比較合適，此時火源附近的人員，選擇往火源上游方向逃生均能到達安全區(qū)域；而選擇往火源下游方向逃生則應(yīng)盡量沿著隧道中心線方向逃離，如果在1 min內(nèi)逃不至離火源50 m外，那么他將有生命危險；火源下游只有離火源150 m以外的人員，才能逃至安全區(qū)域。由此隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時，火源下游的橫洞應(yīng)及時開啟，使下游逃生人員在1 min后逃得更遠，對于長大隧道中內(nèi)置橫洞間距設(shè)為300 m時，更有利于人員的逃生。

參 考 文 獻

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