基于數(shù)值模擬的大型隧道火災(zāi)拱頂最高溫度研究

周 凱

(保定市消防支隊(duì)，河北 保定 071000)

基于數(shù)值模擬的大型隧道火災(zāi)拱頂最高溫度研究

周 凱

(保定市消防支隊(duì)，河北 保定 071000)

對(duì)國(guó)內(nèi)外有關(guān)大型隧道火災(zāi)拱頂最高溫度的理論與試驗(yàn)研究進(jìn)行總結(jié)，并根據(jù)兩個(gè)全尺寸隧道火災(zāi)試驗(yàn)建立了FDS數(shù)值模擬模型，模型盡可能還原試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)情況。模擬結(jié)果表明在隧道縱向通風(fēng)的前提下數(shù)值模擬的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果有較好的吻合度，但整體溫度較試驗(yàn)情況偏低。

大型隧道；拱頂；最高溫度；數(shù)值模擬

火災(zāi)時(shí)，隧道結(jié)構(gòu)能夠保持其穩(wěn)定性是隧道設(shè)計(jì)十分重要的問題，一場(chǎng)火勢(shì)較大、持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的火災(zāi)極有可能破壞隧道內(nèi)的建筑結(jié)構(gòu)導(dǎo)致隧道坍塌。因此，火災(zāi)中隧道將受到怎樣的影響以及如何確定隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等問題始終是火災(zāi)科學(xué)領(lǐng)域研究的焦點(diǎn)。隧道發(fā)生火災(zāi)時(shí)，由于高溫作用，隧道中未經(jīng)保護(hù)的混凝土在火災(zāi)起始的5～30 min會(huì)產(chǎn)生爆裂。隧道整體結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)時(shí)間高溫作用下可能會(huì)引起坍塌[1]。目前，國(guó)內(nèi)外已有相當(dāng)一部分研究是圍繞這一問題展開的，這些研究中以理論結(jié)合小尺寸或全尺寸試驗(yàn)為主，使得隧道拱頂最高溫度的理論模型建立和試驗(yàn)研究都達(dá)到了較高的水平。然而，在對(duì)實(shí)際隧道進(jìn)行設(shè)計(jì)或是火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估時(shí)，并不是所有的研究都能有足夠的條件采用試驗(yàn)的方式進(jìn)行。因此，本文將利用火災(zāi)數(shù)值模擬軟件FDS5.4(Fire Dynamics Simulator)，基于前人對(duì)隧道拱頂最高溫度的理論研究和試驗(yàn)研究成果，探討FDS在模擬隧道火災(zāi)中的適用性。

1 火災(zāi)時(shí)隧道拱頂最高溫度理論研究

許多國(guó)家的學(xué)者都對(duì)火災(zāi)時(shí)隧道拱頂最高溫度這一問題的理論研究和模型建立做出了較大貢獻(xiàn)。日本學(xué)者Kurioka[2]通過對(duì)不同縱向通風(fēng)速率下小尺寸和大尺寸模型開展火災(zāi)試驗(yàn)，提出了預(yù)測(cè)隧道火源上方拱頂處最高溫度的理論模型，但他的經(jīng)驗(yàn)公式并不能很好地對(duì)較小通風(fēng)速度下的拱頂溫度進(jìn)行預(yù)測(cè)。2006年，學(xué)者胡隆華[3]采取全尺寸試驗(yàn)的方法驗(yàn)證了Kurioka模型的有效性，然而，胡的全尺寸試驗(yàn)中火源的熱釋放速率過小。

李穎臻等學(xué)者[4]首先通過軸對(duì)稱羽流理論建立了火災(zāi)時(shí)隧道內(nèi)拱頂處最高溫度的計(jì)算模型，即：

式中，Hd為火源表面到隧道頂部的高度，m；Q為熱釋放速率，kW；D為隧道當(dāng)量直徑，m；u為縱向風(fēng)速，m·s-1。

方程式(1)適用于連續(xù)火焰高度低于隧道高度的小火。然而對(duì)于隧道中的大火，李穎臻等[5]考慮到連續(xù)火焰區(qū)直接撞擊隧道頂部，隧道頂部下的最高溫度應(yīng)為連續(xù)火焰區(qū)的溫度后，通過理論分析和前人的全尺寸隧道試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到了隧道火災(zāi)中拱頂?shù)淖罡邷囟确匠淌?。該方程式分為兩個(gè)部分：

當(dāng)u′≤0.19時(shí)：

當(dāng)u′>0.19時(shí)：

從上述公式可以看出，李穎臻等學(xué)者的研究認(rèn)為隧道內(nèi)拱頂?shù)淖罡邷囟葹? 350 ℃，許多試驗(yàn)也都驗(yàn)證了這一溫度的可靠性。李思成等學(xué)者認(rèn)為李穎臻和Ingason等人所建立的隧道火災(zāi)最高溫度模型和大型火災(zāi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較接近，代表了目前隧道火災(zāi)最高溫度研究的最高水平。

2 火災(zāi)時(shí)隧道拱頂最高溫度試驗(yàn)研究

國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者及機(jī)構(gòu)都對(duì)隧道拱頂最高溫度進(jìn)行了全尺寸的試驗(yàn)研究，現(xiàn)將各全尺寸試驗(yàn)的隧道尺寸、火源等相關(guān)情況總結(jié)如表1[6]。雖然試驗(yàn)具有較大的不確定與波動(dòng)性，但上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論模型基本上能相互印證，具體情況如圖1、圖2所示。

表1 全尺寸隧道試驗(yàn)簡(jiǎn)要介紹

圖1 全尺寸試驗(yàn)中u′≤0.19時(shí)拱頂最高溫度

3 基于FDS的火災(zāi)時(shí)隧道拱頂最高溫度模擬研究

3.1 隧道模型的選擇及建立

在對(duì)大量的全尺寸試驗(yàn)進(jìn)行分析后，最終確定根據(jù)Memorial及Runehamar隧道試驗(yàn)(縱向通風(fēng))的相關(guān)參數(shù)建立FDS隧道模型，并根據(jù)這兩個(gè)試驗(yàn)的火源情況等設(shè)置燃燒條件，這兩個(gè)試驗(yàn)的相關(guān)參數(shù)分別如表2[7]、表3[8]所示。

圖2 全尺寸試驗(yàn)中u′>0.19時(shí)拱頂最高溫度

Memorial隧道全長(zhǎng)853m，雙向車道；Runehamar隧道全長(zhǎng)1 600m，且有0.5%～1%的傾斜度。兩個(gè)隧道內(nèi)均設(shè)有多處數(shù)據(jù)采集裝置用以測(cè)量風(fēng)速、溫度、一氧化碳濃度、二氧化碳濃度及碳?xì)浠衔餄舛鹊葦?shù)據(jù)。由于本文將針對(duì)拱頂最高溫度的模擬進(jìn)行研究，因此在FDS建模中將主要設(shè)置熱電偶以探測(cè)拱頂溫度。同時(shí)FDS模型還對(duì)文獻(xiàn)中的其他設(shè)置條件進(jìn)行了充分考慮，例如可燃物堆積方式、隧道壁面材料、厚度等細(xì)節(jié)，力求還原真實(shí)的試驗(yàn)場(chǎng)景。

表2 美國(guó)Memorial全尺寸隧道火災(zāi)試驗(yàn)相關(guān)參數(shù)

表3 挪威Runehamar全尺寸隧道火災(zāi)試驗(yàn)相關(guān)參數(shù)

根據(jù)所選兩個(gè)試驗(yàn)中的15個(gè)具體試驗(yàn)場(chǎng)景，本文共設(shè)置模擬場(chǎng)景45個(gè)，針對(duì)每個(gè)試驗(yàn)場(chǎng)景，模擬中主要改變感溫探測(cè)點(diǎn)的間距，以探討不同間距對(duì)探測(cè)精度的影響。據(jù)文獻(xiàn)知，長(zhǎng)853m的Memorial隧道內(nèi)共設(shè)置探測(cè)點(diǎn)12處，即每隔71m設(shè)置一處探測(cè)點(diǎn)，以此為依據(jù)，模擬場(chǎng)景中探測(cè)點(diǎn)間距分別為25m、50m、71m，模擬時(shí)間為3 000s。

3.2 模擬結(jié)果分析

圖3 Memorial全尺寸隧道試驗(yàn)與模擬數(shù)據(jù)

圖4 Runehamar全尺寸隧道試驗(yàn)與模擬數(shù)據(jù)

同時(shí)，通過觀察還可發(fā)現(xiàn)模擬數(shù)據(jù)普遍比試驗(yàn)所得最高拱頂溫度低，究其原因主要有以下幾點(diǎn)：一是此次模擬并未將燃燒產(chǎn)生的大量煙粒子納入考慮，而這些煙粒子的存在會(huì)對(duì)熱量的傳遞起到極大的阻礙作用，因此實(shí)際試驗(yàn)中得到的最高溫度更高；二是模擬中對(duì)燃料的設(shè)置較為簡(jiǎn)略，無(wú)法模擬出真實(shí)試驗(yàn)場(chǎng)景中可燃物之間熱輻射相互作用等效果，因而導(dǎo)致所測(cè)溫度較低；三是由于所查閱文獻(xiàn)中并未對(duì)隧道壁的厚度、材料等做詳細(xì)說明，因此場(chǎng)景設(shè)計(jì)時(shí)僅簡(jiǎn)單地將隧道壁面設(shè)置為240mm混凝土，導(dǎo)致模擬溫度與實(shí)測(cè)溫度有所偏差。

4 結(jié)論與展望

國(guó)內(nèi)外隧道拱頂?shù)淖钚吕碚撗芯壳闆r表明發(fā)生火災(zāi)時(shí)隧道拱頂?shù)臏囟壬仙闆r會(huì)因隧道內(nèi)通風(fēng)速度不同而有所區(qū)別，當(dāng)火勢(shì)進(jìn)一步增大后由于火焰區(qū)將與隧道拱頂相互接觸，因而此后拱頂溫度即為火焰溫度。通過考察多個(gè)全尺寸隧道試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，確定火災(zāi)時(shí)隧道拱頂可能會(huì)達(dá)到的最高溫度為1 350 ℃。選擇了兩個(gè)數(shù)據(jù)較為詳盡的全尺寸試驗(yàn)進(jìn)行FDS模擬，模擬場(chǎng)景盡可能還原真實(shí)試驗(yàn)場(chǎng)景，模擬結(jié)果顯示加大溫度探測(cè)點(diǎn)的密度能夠提高所得數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的吻合度，另外，模擬結(jié)果整體較試驗(yàn)結(jié)果偏低，這是由于模擬的簡(jiǎn)化假設(shè)與實(shí)測(cè)間復(fù)雜多變的情況不同導(dǎo)致的，因此，在利用FDS模擬結(jié)果進(jìn)行隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等工作時(shí)應(yīng)當(dāng)根據(jù)具體情況在模擬所得數(shù)據(jù)上適當(dāng)增大其溫度值以增加安全性。

文中所選取的實(shí)體試驗(yàn)與數(shù)值模擬都僅針對(duì)隧道縱向通風(fēng)這一前提開展，而實(shí)際隧道中的通風(fēng)存在更復(fù)雜的情況，F(xiàn)DS這一工具在多向通風(fēng)的隧道火災(zāi)模擬中能否同樣取得較好的結(jié)果仍有待驗(yàn)證。

[1] 王彥富，蔣軍成，龔延風(fēng)，等.隧道火災(zāi)拱頂附近煙氣最高溫度的研究[J].中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào),2007,(10):39-44.

[2]KURIOKAH,OKAY,SATOHH,etal. Fire Properties in Near Field of Square Fire Source with Longitudinal Ventilation in Tunnels [J]. Fire Safety Journal,2003,38(4):319-340.

[3] 胡隆華.隧道火災(zāi)煙氣蔓延的熱物理特性研究[D].合肥:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué),2006.

[4] LI Y Z, LEI B, INGASON H. The Maximum Temperature of Buoyancy-driven Smoke Flow below the Ceiling in Tunnel Fires [J]. Fire Safety Journal,2011,46:204-210.

[5] LI Y Z, INGASON H. The Maximum Ceiling Gas Temperature in a Large Tunnel Fire [J]. Fire Safety Journal,2012,47:38-48.

[6] LI Y Z, INGASON H. Maximum Ceiling Temperature in a Tunnel Fire [R]. SP Swedish National Testing and Research Institute Fire Technology,2010.

[7] Memorial Tunnel Fire Ventilation Test Program [R]. Massachusetts Highway Department and Federal Highway Administration,1995.

[8] INGASON H, L?NNERMARK A. Heat Release Rates from Heavy Goods Vehicle Trailers in Tunnels [J]. Fire Safety Journal,2005,40:646-668.

(責(zé)任編輯 馬 龍)

A Research on the Maximum Temperature of a Vault in a Large Tunnel Fire Based on Numerical Simulation

ZHOU Kai

(BaodingMunicipalFireBrigade，HebeiProvince071000，China)

The latest achievements with the maximum temperature of a vault in a large tunnel fire were concluded and two large experiments about this were chosen to be simulated by the Fire Dynamics Software (FDS). The simulation scenes were built close to the real ones. Data from the software shows that there is a coincidence between the simulation and experiments although the temperatures are lower than those from experiments.

large tunnel; vault; maximum temperature; numerical simulation

2015-07-10

周凱(1978— )，男，河北元氏人。

U458.1

A

1008-2077(2015)10-0009-04