國內(nèi)隧道火災(zāi)數(shù)值模擬及瀝青路面燃燒研究

李曉東 徐 冀

(遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計院,遼寧 沈陽 110166)

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國內(nèi)隧道火災(zāi)數(shù)值模擬及瀝青路面燃燒研究

李曉東 徐 冀

(遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計院,遼寧 沈陽 110166)

針對我國隧道火災(zāi)破壞性嚴(yán)重的具體情況，介紹了國內(nèi)隧道火災(zāi)數(shù)值計算研究的現(xiàn)狀，指出研究公路隧道火災(zāi)特性，瀝青及瀝青混合料的燃燒機(jī)理對隧道消防具有重要意義。

隧道火災(zāi)，數(shù)值模擬，瀝青路面燃燒

1 研究背景

自20世紀(jì)改革開放以來，我國開始加快交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，我國公路建設(shè)取得迅猛發(fā)展。由于我國地勢西高東低，多山、多丘陵的地形特點，截至2011年年底，全國公路隧道為8 522處，總計525.34萬延米，我國已經(jīng)成為世界上公路隧道最多，里程最長的國家。公路隧道尤其是行車速度較快的高速公路隧道，交通事故率遠(yuǎn)大于隧道外路段，浙江省2001年對通車的高速公路的調(diào)查，隧道事故率是其他路段的3倍多；由于隧道的封閉性，一旦發(fā)生火災(zāi)事故，其后果不堪設(shè)想，以下是國外一些隧道火災(zāi)的損失情況。

1999年5月29日發(fā)生的陶恩隧道(Tauern Motorway Tunnel)火災(zāi)，持續(xù)4個小時，造成49人受傷，34輛車輛燒毀；2001年10月，當(dāng)時全球第二長隧道圣哥達(dá)隧道(Sait Gotthard Highway Tunnel)由于兩輛貨車相撞發(fā)生火災(zāi)，大火燃燒了一天后才被撲滅，隧道內(nèi)溫度達(dá)到1 000多攝氏度，當(dāng)天即被證實至少有100多人不明下落。

由于公路隧道特殊的條件，現(xiàn)有的公路隧道路面材料多采用瀝青混凝土。瀝青路面中含有瀝青這種遇火易發(fā)生燃燒，且易融化流淌的石油煉制最終產(chǎn)物，一旦公路隧道發(fā)生大中型火災(zāi)，瀝青路面很有可能參與燃燒，并產(chǎn)生有毒氣體，結(jié)合隧道火災(zāi)的特點，瀝青路面的燃燒將成為隧道火災(zāi)中極不安全的因素。因此，研究公路隧道火災(zāi)特性、瀝青及瀝青混合料的燃燒機(jī)理對隧道消防具有極大的意義。

2 國內(nèi)隧道火災(zāi)數(shù)值計算研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)80年代起，為模擬預(yù)測隧道火災(zāi)中，溫度場及煙氣分布規(guī)律和流動情況，國外興起了火災(zāi)的數(shù)值模擬研究，取得的研究成果廣泛的應(yīng)用于鐵路、公路隧道及地下空間的通風(fēng)設(shè)計及消防研究。隧道火災(zāi)數(shù)值模擬研究近幾年迅猛發(fā)展原因得益于以下幾點：

1)計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計算機(jī)硬件條件的提升為數(shù)值模擬提供了更好的計算平臺。2)流體力學(xué)、傳熱學(xué)、燃燒學(xué)相關(guān)學(xué)科理論的發(fā)展，提供了更加堅實的理論基礎(chǔ)。3)越來越多實驗數(shù)據(jù)的積累為公路隧道火災(zāi)的數(shù)值模擬提供了可靠的數(shù)據(jù)支撐。

我國在地鐵、隧道火災(zāi)數(shù)值模擬研究領(lǐng)域，研究人員主要是使用國外成套的CFD(Computational Fluid Dynamics，CFD)計算軟件對火災(zāi)進(jìn)行數(shù)值計算，或者以國外軟件為基礎(chǔ)對程序進(jìn)行二次開發(fā)，主要研究隧道火災(zāi)時的溫度場分布情況及煙氣濃度及流向規(guī)律情況。

東南大學(xué)屈言賓采用CFD軟件FLUENT對公路隧道火災(zāi)進(jìn)行模擬，分別比較了不同熱釋放率的火災(zāi)的溫度場的分布情況，并分析了通風(fēng)速度對路面溫度場的影響，認(rèn)為20 MW的火災(zāi)會使隧道內(nèi)最高溫度達(dá)到1 000 ℃；低于5 MW火災(zāi)基本不會造成瀝青路面引燃，但有可能釋放有毒氣體。

西南交通大學(xué)張會冰主要考察在使用FDS模擬隧道火災(zāi)過程中，如何設(shè)置邊界條件尤其是壁面的類型才能使火災(zāi)模擬更加接近真實情況。作者采用FDS軟件對隧道壁面進(jìn)行不同的設(shè)置，并對模擬結(jié)果進(jìn)行了對比分析，認(rèn)為在火災(zāi)模擬過程中采用考慮溫度變化和傳熱的變熱流壁面模擬結(jié)果比較合理。

同濟(jì)大學(xué)姚堅以復(fù)興東路雙層越江公路隧道為原型，使用FLUENT軟件對隧道內(nèi)火災(zāi)的最高溫度、橫斷面溫度、縱斷面溫度進(jìn)行了考察，并提出了隧道內(nèi)橫斷面和縱斷面溫度場分布的近似公式。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)鄧宇強(qiáng)利用CFD軟件FLUENT對隧道火災(zāi)情況下隧道溫度場進(jìn)行了瞬態(tài)模擬。選擇了比較適合隧道火災(zāi)模擬的建模方法，主要針對火災(zāi)規(guī)模、通風(fēng)條件變化的情況下的隧道火災(zāi)進(jìn)行了模擬，得出了隧道火災(zāi)溫度場分布和煙氣的流動情況，并分析了不同火災(zāi)情況下可能參與燃燒的路面區(qū)域。

南京工業(yè)大學(xué)的唐高胤、張禮敬，運用火災(zāi)模擬軟件FDS對南京長江過江隧道火災(zāi)過程中的縱向通風(fēng)進(jìn)行了模擬計算，并分析了煙氣的濃度及溫度場分布，結(jié)果顯示在3 m/s的通風(fēng)條件下隧道結(jié)構(gòu)安全，基本能實現(xiàn)逃生人員安全疏散。

3 國內(nèi)關(guān)于瀝青燃燒與熱解方面的研究

清華大學(xué)龔景松采用掛滴燃燒法對單滴瀝青燃料燃燒特性進(jìn)行了初步的研究，分別研究了瀝青燃料滴的分解、蒸發(fā)、著火和燃燒規(guī)律。根據(jù)觀察的實驗現(xiàn)象和測量的結(jié)果表明瀝青的燃燒具有不同于液體燃料和固體燃料的特點，主要表現(xiàn)在單滴瀝青在點燃時會產(chǎn)生明顯的溫度突躍，而且存在明顯的固體殘?zhí)康娜紵A段，燃燒過程中的單滴瀝青體積會明顯膨脹。

黃亞東，馮丹丹[10]，采用熱重法對SBS改性瀝青、阻燃瀝青及其膠漿的燃燒特性進(jìn)行研究。結(jié)果表明:兩種瀝青及瀝青膠漿的燃燒的TG曲線形狀十分相近，燃燒過程中，瀝青二次揮發(fā)分燃燒與殘?zhí)咳紵瑫r進(jìn)行。同時，作者認(rèn)為采用添加阻燃劑的方式對瀝青自燃點的影響不大，但是加入阻燃劑的瀝青燃燒速率較改性瀝青低40%。

紀(jì)倫，譚憶秋[11]通過極限氧指數(shù)實驗、錐形量熱儀實驗，研究兩種形式存在的瀝青，研究表明，瀝青材料在火災(zāi)過程中，放熱量及發(fā)煙量大，釋放的煙塵會造成可見度降低，而瀝青混合料一旦點燃其燃燒依然劇烈并伴有大量煙塵和熱量的釋放。

董喜貴[12]從國內(nèi)外5種原油中分離了瀝青質(zhì)，分別進(jìn)行了四個升溫速率下氮氣氣氛的TG實驗，來研究瀝青質(zhì)的熱解動力學(xué)特征。通過活化能分布模型計算了瀝青質(zhì)活化能、指前因子的分布規(guī)律。分析瀝青質(zhì)的熱解動力學(xué)特征，作者認(rèn)為瀝青質(zhì)的熱解是多組不同活化能參數(shù)物質(zhì)的平行裂解反應(yīng)，指前因子和活化能具有良好的補(bǔ)償效應(yīng)，采用活化能分布模型能夠較好的分析瀝青質(zhì)的熱解特性。

4 結(jié)語

國內(nèi)隧道火災(zāi)數(shù)值計算研究方面較為系統(tǒng)科學(xué)，大量的研究成果能夠較好地模擬隧道火災(zāi)的情況，得出的火災(zāi)溫度場和煙氣分布規(guī)律能夠較好的為隧道火災(zāi)消防及防火設(shè)計提供依據(jù)。瀝青路面燃燒方面，主要集中在瀝青材料燃燒性能的研究，瀝青混合料及瀝青路面燃燒特性較少，需進(jìn)一步開展研究。

[1]周仁強(qiáng).長大公路隧道火災(zāi)模式下通風(fēng)及控制技術(shù)研究.成都:西南交通大學(xué)碩士學(xué)位論文,2006.

[2]陳輝強(qiáng).新型阻燃瀝青的制備及其阻燃機(jī)理研究.西安:長安大學(xué)博士學(xué)位論文,2009.

[3]林孫滔.地鐵站火災(zāi)數(shù)值模擬中隧道口邊界條件等效算法研究.成都：西南交通大學(xué)碩士學(xué)位論文,2012.

[4]屈言賓.公路隧道耐火瀝青路面的性能研究.南京:東南大學(xué)碩士學(xué)位論文,2008.

[5]張會冰.不同壁面邊界條件對隧道火災(zāi)模擬結(jié)果的影響.成都:西南交通大學(xué)碩士學(xué)位論文,2007.

[6]姚 堅.公路隧道內(nèi)火災(zāi)溫度場分布規(guī)律數(shù)值模擬分析.上海:同濟(jì)大學(xué)碩士學(xué)位論文,2007.

[7]鄧宇強(qiáng).阻燃瀝青的綜合評定分析與公路隧道火災(zāi)溫度場數(shù)值模擬.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文,2008.

[8]唐高胤,張禮敬.南京長江隧道火災(zāi)數(shù)值模擬.中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù),2011,7(12):74-79.

[9]龔景松.單滴瀝青燃料燃燒特性的初步研究.冶金能源，2000,19(3):43-51.

[10]黃亞東,馮丹丹.瀝青燃燒特性的實驗研究.消防科學(xué)與技術(shù),2011,30(6):473-476.

[11]紀(jì) 倫，譚憶秋.長隧道瀝青混凝土路面安全環(huán)保阻燃技術(shù)研究.森林工程,2009,25(2):56-60.

[12]董喜貴.石油瀝青質(zhì)的熱解動力學(xué)研究.浙江大學(xué)學(xué)報,2004,30(3):652-655.

Overview on domestic tunnel fire numerical simulation and asphalt pavement burning research

Li Xiaodong Xu Ji

(LiaoningInstituteofTrafficPlanning&Design,Shenyang110166,China)

In light of specific domestic tunnel fire damage conditions, the paper introduces domestic tunnel fire numerical simulation research status, and points out the significant meaning for studying highway tunnel fire properties and asphalt and asphalt mixture burning mechanism for tunnel fire fighting.

tunnel fire, numerical simulation, asphalt pavement burning

1009-6825(2015)18-0191-02

2015-04-16

李曉東(1987- ),男，助理工程師； 徐 冀(1982- )，男，助理工程師

U458

A