環(huán)境參數對公路隧道煙氣蔓延影響的實驗研究

吳婧，沈斐敏

(福州大學土木工程學院，福建福州 350116)

隧道是為滿足交通運輸需求及地形而設計的特殊空間，呈現出密閉化、地下化等特性，一旦發(fā)生火災，將出現溫度上升快、煙氣積累多、人員疏散慢等問題，造成的人員傷亡主要是由火災所產生的高溫和濃煙擴散所引起．隨著火災規(guī)模以及通風速度的變化，隧道內的溫度以及煙氣流動的分布也將發(fā)生相應的變化［1］．國內外很多學者對隧道火災進行了數值模擬分析，如臨界風速［2－4］、通風仿真［5－6］、排煙方案［7］、隧道內溫度場分布［8－9］等．但是，關于隧道內環(huán)境溫度、風速對火災蔓延和煙氣擴散影響的研究較少，本文重點討論環(huán)境溫度、風速對火災蔓延和人員疏散的影響，得出隧道火災預防和控制的一些規(guī)律，為監(jiān)督管理部門對隧道內溫度的控制和風速的調節(jié)提供參考．

1 隧道模型的建立

1．1 隧道的基本情況

福州象山隧道是福州市二環(huán)路上位于西環(huán)北路的交通要塞，也是二環(huán)上的最大堵點之一．道路等級為城市主干道I級，設計行車速度50 km·h－1，現為四洞連拱結構，中間兩洞通行機動車，雙向4車道，單洞隧道限界寬9．25 m，車道寬7 m，拱頂高7 m，凈空高5 m，隧道全長230 m，距隧道出入口50 m處兩洞間設置橫通道，高峰時段車流量為4 200輛·h－1．

1．2 隧道模型

所使用的隧道模型(取著火部分隧道)尺寸為9 000 mm×1 500 mm×1 500 mm的有機玻璃模型，有機玻璃模型便于觀察煙氣流動．實驗采用縮尺溫度模型［10］，模擬不同火災強度下，油池火的燃燒特性．根據無量綱控制方程分析(見式1)，采用密度修正弗諾德準則Fr［11－13］，只要保證Re≥0．5×104和瑞利數Ra≥8×106，流動和熱力進入自模擬區(qū)，實現模型與原型相似［14－15］．

式中:u為特征速度，取浮射流出口速度，m·s－1;L為特征尺寸，取浮射流出口直徑，m;g為重力加速度，m·s－2;T為特征溫度，取浮射流出口溫度，K;ΔT為特征溫差，取浮射流出口溫度與環(huán)境溫度的差值，K．

受實驗模型材料最高溫度及安全因素限制，取溫差比尺CΔT=0．079 1，幾何比尺CL=0．214，可以確定溫度比尺 CT為0．396，速度比尺 Cu為0．207．

對于燃燒區(qū)域煙氣的流動、熱力參數，不是本次實驗的重點，而是需要關注擴散區(qū)域內熱力參數的變化．根據辛烷(汽車燃油主要成分)燃燒化學反應方程式及能量守恒，可得到相應的燃燒參數(表1)作為隧道火源原型數據，將火源模化為熱源誘導的高溫浮射流．熱源原型參數與模型參數對照如表1所示．

表1 熱源原型參數與模型參數對照Tab．1 Comparisons between heat prototype parameters and model parameters

2 實驗工況設置

2．1 實驗系統

模型實驗臺由熱源模擬系統、垂直風流模擬系統和測量系統三部分組成．熱源模擬系統采用兩級電加熱組加熱環(huán)境空氣，直至滿足熱源風溫要求，在熱源系統前端添加去離子水煙霧發(fā)生器，便于追蹤觀察，煙霧和加熱空氣在熱風箱(31．0 cm×15．5 cm×22．5 cm)里混合后在浮升力作用下進入實驗隧道．為保證垂直風流送風均勻，在隧道的進風斷面設置了配有均流板的軸流式風機，并采用變頻器進行風速調節(jié)．實驗測量以地下工程安全數字化實驗系統為平臺，系統包括兩大部分:一是硬件部分，負責監(jiān)測數據采集，安裝有JWSK－6溫濕度傳感器4個、SBWZ鉑熱電阻傳感器12個、EE65微風風速傳感器8個、風杯式風速傳感器(自研)2個、SN－687PTA/26W工業(yè)攝像頭2個、DH－DVR0404LE－AS硬盤錄像機1臺;二是基于WebGIS的安全監(jiān)測模塊，系統可連續(xù)監(jiān)測隧道內風速、溫度、濕度等安全參數及圖像信息，安全監(jiān)測系統從空間數據庫中得到相關數據，并實現動態(tài)顯示和分析評價．

2．2 測點布置

根據美國消防協會NFPA發(fā)布的有關公路隧道、橋梁和限制通行的高速公路的防災設計標準(NFPA 502)中的可接受維生環(huán)境的準則，當煙氣界面下降到人眼特征高度(取為1．6 m)時，對人的危害將是直接燒傷或吸入熱氣體引起的．結合本實驗室的實施條件，布置以下測點，見圖1．

圖1 傳感器位置布置圖Fig．1 Layout plan of sensor position

2．3 實驗工況

隧道模型內按汽車建立模型，車輛的最大長、寬、高尺寸分別取4．80 m×1．85 m×1．50 m，著火車輛為一輛，其位置設在距隧道入口2．14 m(對應隧道原型為距離隧道入口55 m)處，著火點向隧道入口方向發(fā)生堵車，著火點向隧道出口方向無車停留．實驗工況如表2所示．

表2 實驗工況設置Tab．2 Experimental conditions setting

2．4 實驗結果

實驗采用控制變量法，以隧道內初始溫度、風速、濕度為變量，得出目標點處的溫度隨煙氣蔓延時間的變化過程，并根據相似理論對模型實驗數據進一步折算為原型隧道煙氣速度、溫度的變化，據此討論熱煙氣蔓延的規(guī)律．

2．4．1 隧道頂部測點溫度變化結果

當環(huán)境溫度為17．3℃時，火源上方隧道頂部測點21及火源前方0．64 m(對應隧道原型為火源前方3 m)處隧道頂部測點20在三種不同風速下(隧道模型中v0=0 m·s－1，v1=0．5 m·s－1，v2=1 m·s－1;對應隧道原型中 v0=0 m·s－1，v1=2．4 m·s－1，v2=4．8 m·s－1)的溫度變化情況見圖2、3 所示．

圖2測點21在不同風速下溫度值Fig．2 Temperature values of measuring point 21 under different wind speeds

圖3 測點20在不同風速下溫度值Fig．3 Temperature values of measuring point 20 under different wind speeds

圖2中，前25 min未發(fā)生火災，溫度保持不變，第25 min火源點燃持續(xù)35 min并處于無機械通風狀態(tài)，最高溫度可達到44．53℃(根據相似理論折算成原型隧道溫度為361．55℃)，當開啟風機并保持0．5 m·s－1的風速15 min時，溫度快速下降至21．97℃(折算后溫度為76．34℃)，再調大風速至1．0 m·s－1并保持18 min，溫度繼續(xù)下降至19．30℃(折算后溫度為42．58℃)．

圖3中，第20 min火源點燃持續(xù)燃燒33 min并處于無機械通風狀態(tài)，溫度緩慢上升到最高溫度31．17℃(折算后溫度為194．89℃)，開啟風機并保持0．5 m·s－1的風速10 min時，溫度快速下降至22．27℃(折算后溫度為80．94℃)，再調大風速至1．0 m·s－1溫度下降到19．89℃(折算后溫度為50．46℃)．

目前，計算火源上方頂棚射流最高溫度的理論分析主要有Alpert公式［16－17］和Kurioka［18］模型．Kurioka模型對于縱向風速為0或風速很小的情況，Fr值趨近于0，其預測結果與真實情況差別很大［8］．Alpert等通過煙氣羽流撞擊頂棚實驗得到下列關于最高溫度θmax(℃)的分布關系式:

式中:θ0為環(huán)境溫度，℃;h為火源底面到頂棚的高度，m;y為頂棚射流在水平方向上離火源中心線的距離，m;Q為熱釋放率，kW．

用Alpert公式對實驗數據進行驗證，對火源上方隧道頂部測點21、20的最高溫度進行計算，取:

θ0=17．3 ℃，h=7 －0．2=6．8 m，Q=12 MW，y ＜0．18 h=1．2，θmax－ θ0=362．88 ℃，θmax=380．18 ℃;

y ＞0．18 h=1．2，θmax－ θ0=199．36 ℃，θmax=216．66 ℃;

計算值與測點21、20測得的最高溫度值361．55、194．89℃接近，誤差分別為4．90%和10．04%，可見Alpert公式計算火源上方最高溫度的方法是可靠的，實驗測得的數據也具有可靠性．同時，火源前方1．5、2．1、3．2、3．8 m(對應隧道原型為火源前方7、10、15、18 m)處隧道頂部測點14、04、17、07 在三種不同風速下(隧道模型中 v0=0 m·s－1、v1=0．5 m·s－1、v2=1 m·s－1，對應隧道原型中 v0=0 m·s－1、v1=2．4 m·s－1、v2=4．8 m·s－1)的溫度變化情況見圖4～圖7所示．從圖4～7可以看出，隨著離火源距離越遠，隧道頂部溫度上升幅度越小，最高溫度也隨之降低，并且開啟風機通風對溫度影響也不大．

同一條件下，火源后方0．64、1．28 m(對應隧道原型為火源后方3、6 m)、火源前方1．5、2．1 m(對應隧道原型為火源前方7、10 m)處隧道側壁人眼特征高度處測點30、31、16、06在三種不同風速下(隧道模型中 v0=0 m·s－1、v1=0．5 m·s－1、v2=1 m·s－1，對應隧道原型中 v0=0 m·s－1、v1=2．4 m·s－1、v2=4．8 m·s－1)的溫度變化情況見圖8～圖11所示．

圖8中，第20 min火源點燃持續(xù)燃燒33min并處于無機械通風狀態(tài)，溫度緩慢上升到最高溫度20．51℃(折算后溫度為57．88℃)，開啟風機并保持0．5 m·s－1的風速10 min時，溫度快速下降至20．21℃(折算后溫度為54．09℃)，再調大風速至1．0 m·s－1溫度下降到18．16℃(折算后溫度為28．17℃)．

圖4 測點14在不同風速下溫度值Fig．4 Temperature values of measuring point point 14 under different wind speeds

圖5 測點04在不同風速下溫度值Fig．5 Temperature values of measuring 04 under different wind speeds

圖6 測點17在不同風速下溫度值Fig．6 Temperature values of measuring point 17 under different wind speeds

圖7 測點07在不同風速下溫度值Fig．7 Temperature values of measuring point 07 under different wind speeds

圖8 測點30在不同風速下溫度值Fig．8 Temperature values of measuring point 30 under different wind speeds

圖9 測點31在不同風速下溫度值Fig．9 Temperature values of measuring point 31 under different wind speeds

圖10 測點16在不同風速下溫度變化值Fig．10 Temperature values of measuring point 16 under different wind speeds

圖11 測點06在不同風速下溫度變化值Fig．11 Temperature values of measuring point 06 under different wind speeds

圖9中，第20 min火源點燃持續(xù)燃燒35 min并處于無機械通風狀態(tài)，溫度緩慢上升到最高溫度19．04℃(折算后溫度為39．30℃)，開啟風機并保持0．5 m·s－1的風速15 min時，溫度快速下降至18．46℃(折算后溫度為31．96℃)，再調大風速至1．0 m·s－1溫度下降到18．16℃(折算后溫度為28．17℃)．

從圖8～11可以看出，隨著離火源距離越遠，隧道側壁人眼特征高度處溫度上升幅度越小，最高溫度也隨之降低．

2．4．2 煙氣蔓延的時間

在表2中列出的15個場景工況下煙氣蔓延到達目標點的時間如表3所示．

表3 各場景下煙氣蔓延到達特定位置的時間Tab．3 Smoke spread time to reach the particular locations in experimental conditions (s)

由表3實驗數據知，環(huán)境溫度越低，煙氣蔓延時間越短．產生這種現象的原因是:隧道內發(fā)生火災后，火場溫度升高，空氣膨脹、體積增大、密度減小，與隧道外的冷空氣產生較大的密度差，引起熱空氣向上運動，即“煙囪效應”和“浮力效應”的綜合作用．外界環(huán)境溫度越低，這種密度差越大，熱壓越明顯，煙氣蔓延速度會加大，傳播時間就會縮短．

2．4．3 煙氣蔓延的過程

當環(huán)境溫度為10．4℃，無風工況時，火源燃燒后，熱煙氣迅速撞擊頂棚并向四周擴散，然后在模型的上部空間逐漸積累并向上、下游蔓延，煙氣層在傳播過程中基本保持水平，下沉速度緩慢，傳播時間較長，如圖12所示．風速較小時(模型中v=0．5 m·s－1，原型中v=2．4 m·s－1)，火源燃燒后產生的煙氣上升后，被軸流風機的氣流打散，煙氣逐漸彌漫整個隧道空間，并向下游擴散，上游無明顯煙氣流，見圖13．風速較大時(模型中v=1．0 m·s－1，原型中v=4．8 m·s－1)，火源燃燒后，產生的煙氣還未上升，就被軸流風機的氣流吹散，煙氣迅速彌漫整個隧道空間，向下游擴散，上游無煙氣流，見圖14．

圖12 無風時煙氣蔓延分布圖Fig．12 Smoke spread distribution under no wind

圖 13 v=0．5 m·s－1時煙氣蔓延分布圖Fig．13 Smoke spread distribution under wind speed is 0．5 m·s－1

圖14 v=1 m·s－1時煙氣蔓延分布圖Fig．14 Smoke spread distribution under wind speed is 1m·s－1

3 結語

1)隧道內發(fā)生火災后，火源上方隧道頂部的溫度上升幅度大，響應時間短，其最高溫度的測量值與Alpert公式理論計算的結果比較接近，可以用Alpert公式計算預測隧道內火源上方的最高溫度值;火源上、下游人眼特征高度處溫度的上升幅度較小，離火源距離越遠，火源對其上、下游的影響逐漸減小，因此火災發(fā)生后，350 s內不應開啟風機，此時煙氣蔓延還未降至人眼特征高度處，且此高度以下溫度變化幅度小，離火源較遠的人員可以逃生．

2)通風對隧道內溫度的影響很大，火災發(fā)生后，隧道內火源附近溫度急劇上升，開啟風機通風后，溫度迅速下降，但是并不是風速越大，溫度下降的越多，而且離火源距離越遠，通風對溫度影響越小，因此火災發(fā)生后，350 s后應開啟風機通風，可迅速降低隧道內溫度，但風速不宜大于3 m·s－1．

3)根據煙氣蔓延時間及人的步行速度(約為1．2 m·s－1)，對于特長或交通量比較大的隧道，隧道內每隔300～400 m應設置避難聯絡橫通道．

4)環(huán)境溫度較低時，煙氣蔓延時間更短，在低溫時段應為人員安全疏散及滅火救援爭取更多時間．

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