雙火源對(duì)隧道火災(zāi)臨界風(fēng)速影響的數(shù)值研究

余明高，蘇冠鋒，陳 靜(.河南理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，焦作，454003；2.重慶大學(xué)煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室，重慶，400044)

雙火源對(duì)隧道火災(zāi)臨界風(fēng)速影響的數(shù)值研究

余明高1,2*，蘇冠鋒1，陳 靜1
(1.河南理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，焦作，454003；2.重慶大學(xué)煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室，重慶，400044)

為研究雙火源隧道火災(zāi)所需臨界風(fēng)速的變化規(guī)律，利用火災(zāi)動(dòng)力學(xué)軟件FDS模擬了三種雙火源隧道火災(zāi)，即兩等火源功率的火災(zāi)、上風(fēng)流火源功率較大火災(zāi)、上風(fēng)流火源功率較小火災(zāi)。根據(jù)各火災(zāi)情景下所得臨界風(fēng)速u(mài)cr，分析兩火源距離d、火源功率、上下風(fēng)流位置關(guān)系對(duì)臨界風(fēng)速u(mài)cr的影響規(guī)律。結(jié)果表明：隨著兩火源距離d的增加，所需臨界風(fēng)速u(mài)cr逐漸減小，當(dāng)兩者達(dá)到臨界距離dx時(shí)，臨界風(fēng)速u(mài)cr為穩(wěn)定值，該值由兩火源上下風(fēng)流位置關(guān)系和總火源功率共同決定；同種雙火源火災(zāi)隨著總火源功率增大，所需的臨界風(fēng)速u(mài)cr增大；隨著兩火源間距離d增大，各雙火源火災(zāi)所需臨界風(fēng)速u(mài)cr的減小幅度不同；兩火源距離d為零時(shí)，所需臨界風(fēng)速u(mài)cr略大于同火源功率的單火源火災(zāi)所需的臨界風(fēng)速。

隧道火災(zāi)；數(shù)值模擬；雙火源；臨界距離；臨界風(fēng)速

0 引言

截止2015年底，我國(guó)公路隧道有14006處、總長(zhǎng)12683.9 km，較2014年增加了1602處、1927.2 km。其中，特長(zhǎng)隧道744處、3299.8 km，長(zhǎng)隧道3138處、5376.8 km[1]，可見(jiàn)公路隧道在我國(guó)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。由于公路隧道縱深較長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、空間狹小、封閉性強(qiáng)，一旦發(fā)生火災(zāi)，煙霧難以排除[2]。而煙霧是隧道火災(zāi)中最容易引起群死群傷的因素，所以臨界風(fēng)速(隧道火災(zāi)過(guò)程中能有效控制煙氣于火源下風(fēng)方向而不發(fā)生逆流的最小縱向通風(fēng)風(fēng)速)是隧道火災(zāi)煙氣控制的關(guān)鍵所在[3]。

隧道事故中，由于各種原因的碰撞引起的事故占總量的71%，其他事故形態(tài)合計(jì)占事故總量的19%[4]，可見(jiàn)碰撞是隧道事故的主要類(lèi)型，而高速公路隧道更容易發(fā)生連環(huán)碰撞，多車(chē)輛同時(shí)燃燒的隧道火災(zāi)也時(shí)有發(fā)生。因此，多火源對(duì)于臨界風(fēng)速影響規(guī)律的研究顯得很有必要。

國(guó)內(nèi)外對(duì)于臨界風(fēng)速的研究較多，主要集中在外界因素對(duì)臨界風(fēng)速的影響規(guī)律，例如阻塞效應(yīng)、坡度、水噴淋系統(tǒng)、防排煙系統(tǒng)等。

關(guān)于阻塞效應(yīng)的研究，姜等[5]采用1∶20微縮尺寸隧道模型研究了阻塞比對(duì)臨界風(fēng)速的影響規(guī)律，認(rèn)為火源燃燒面高度、火源位置(火源與阻礙物的相對(duì)位置關(guān)系、火源在阻礙物內(nèi)/外部)和車(chē)輛側(cè)壁開(kāi)口面積是導(dǎo)致有車(chē)輛阻礙物時(shí)臨界風(fēng)速減小比例與阻塞比關(guān)系不同的主要因素；馮[6]采用火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模擬軟件FDS對(duì)不同火源尺寸條件下控制地鐵隧道火災(zāi)煙氣不向上游蔓延的臨界風(fēng)速進(jìn)行數(shù)值模擬，認(rèn)為無(wú)列車(chē)時(shí)，臨界風(fēng)速隨著火源高度、長(zhǎng)度、寬度的增加逐漸減?。挥辛熊?chē)時(shí)，臨界風(fēng)速隨著火源高度、寬度的增加先增大后減小，隨著火源長(zhǎng)度的增大而遞減；Lee 等[7]通過(guò)實(shí)驗(yàn)和模擬相結(jié)合的方法，研究了阻塞比和臨界風(fēng)速變化的關(guān)系，認(rèn)為阻塞比和臨界風(fēng)速減小的比率相等；Tang等[8]通過(guò)對(duì)微縮實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷难芯浚玫搅俗枞嚯x(阻塞車(chē)輛與火源的縱向距離)對(duì)于煙氣回流距離和臨界風(fēng)速的影響規(guī)律，認(rèn)為隨著阻塞距離的增大，煙氣回流距離和臨界風(fēng)速先減小而后保持不變，并且得到了求解煙氣回流距離和臨界風(fēng)速的改進(jìn)公式。

針對(duì)坡度的影響，陳等[9]利用火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模擬軟件(FDS)，對(duì)隧道坡度在0°～10°變化時(shí)上坡隧道與下坡隧道所對(duì)應(yīng)的隧道臨界風(fēng)速進(jìn)行數(shù)值模擬分析，研究分析了隧道坡度對(duì)隧道臨界風(fēng)速的影響規(guī)律；Weng等[10]通過(guò)試驗(yàn)和模擬的方法研究了多種臨界風(fēng)速公式在有坡度的隧道中的誤差，并提出完善后的公式，最終驗(yàn)證了所提出公式的正確性；而Yi等[11]通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法，研究了坡度和臨界風(fēng)速的相關(guān)性，在Wu和Bakar臨界風(fēng)速公式的基礎(chǔ)上得到了試驗(yàn)工況下的修正系數(shù)。

唐等[12]為了研究有水噴淋作用下隧道火災(zāi)臨界風(fēng)速的變化規(guī)律，采用隧道小尺寸火災(zāi)試驗(yàn)的方法，試驗(yàn)測(cè)量了不同試驗(yàn)條件下隧道的臨界風(fēng)速，采用噴水滅火系統(tǒng)可以一定程度減小隧道火災(zāi)所需要的臨界風(fēng)速，有助于抑制煙氣回流。

Liu和Cassady[13]通過(guò)微縮實(shí)驗(yàn)和模擬相結(jié)合的方法，研究了集中排煙對(duì)于臨界風(fēng)速的影響，并最終得到特定工況下的改進(jìn)臨界風(fēng)速；Zhong等[14]通過(guò)大尺寸模擬的方法，研究了有通風(fēng)豎井的公路隧道在發(fā)生火災(zāi)時(shí)，煙囪效應(yīng)對(duì)臨界風(fēng)速的影響規(guī)律；Yao等[15]采用1∶10隧道模型，通過(guò)小尺寸火災(zāi)試驗(yàn)的方法，最終得到了火源上風(fēng)流有通風(fēng)豎井的情況下求解臨界風(fēng)速的經(jīng)驗(yàn)公式，并解釋說(shuō)明該公式的適用范圍。

除此此外，還有部分學(xué)者著眼于隧道外部形態(tài)對(duì)于臨界風(fēng)速影響的研究，并得到了相關(guān)規(guī)律和模型。王等[16]采用計(jì)算流體力學(xué)軟件FLUENT 對(duì)曲線(xiàn)隧道內(nèi)火災(zāi)煙氣流動(dòng)特性和臨界風(fēng)速控制方法進(jìn)行深入的研究和分析，得到曲線(xiàn)隧道所需的臨界風(fēng)速，以及隧道拱頂、側(cè)壁、煙氣回流長(zhǎng)度等的變化規(guī)律；張，汪[17]采用FDS建立弧形隧道火災(zāi)模型，對(duì)模型進(jìn)行模擬計(jì)算，結(jié)合Wu和Bakar得到的公式和計(jì)算觀測(cè)數(shù)據(jù)，應(yīng)用MATLAB擬合工具箱建立弧形隧道臨界風(fēng)速模型。

臨界風(fēng)速公式也是國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)，Deng等[18]運(yùn)用FDS軟件分別模擬了十組不同的火災(zāi)，分析并驗(yàn)證了Bittes和Thomas臨界風(fēng)速公式的正確性;Kang[19]通過(guò)研究則認(rèn)為，隧道的水力直徑是決定臨界風(fēng)速大小的關(guān)鍵。

還有學(xué)者研究了縱向通風(fēng)對(duì)于火源的熱釋放速率和消防噴水系統(tǒng)的影響，并由此確定最優(yōu)的臨界風(fēng)速。Roh等[20]通過(guò)小尺寸模擬的方法，研究了縱向通風(fēng)速度對(duì)于火源熱釋放速率HRR的影響規(guī)律；Chen等[21]利用微縮尺寸模型研究了臨界風(fēng)速對(duì)于消防噴水系統(tǒng)的影響，得到了最優(yōu)臨界風(fēng)速。

通過(guò)以上文獻(xiàn)可知，目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)隧道火災(zāi)縱向風(fēng)排煙的研究，主要集中在三個(gè)方面：外部因素對(duì)于臨界風(fēng)速的影響、臨界風(fēng)速公式的改進(jìn)、臨界風(fēng)速對(duì)于其他因素的影響。其中，外部因素對(duì)于臨界風(fēng)速的影響研究較多，如阻塞效應(yīng)、隧道坡度、水噴淋系統(tǒng)、防排煙系統(tǒng)等，然而對(duì)多火源這種特殊的隧道火災(zāi)的研究卻較少。本文運(yùn)用FDS 5火災(zāi)模擬軟件[22]模擬了三種雙火源隧道火災(zāi)情景，根據(jù)所得數(shù)據(jù)，研究?jī)苫鹪淳嚯xd、火源功率HRR、上下風(fēng)流位置關(guān)系對(duì)臨界風(fēng)速u(mài)cr的影響規(guī)律，以期為公路隧道雙火源火災(zāi)的防治提供參考。

1 臨界風(fēng)速的理論基礎(chǔ)

現(xiàn)有的臨界風(fēng)速計(jì)算公式分為兩種[23]，分別是基于Froude數(shù)和無(wú)量綱分析的臨界風(fēng)速計(jì)算公式。本文選取基于無(wú)量綱分析的臨界風(fēng)速計(jì)算公式作為分析依據(jù)。

2000年，Wu和Bakar[24]通過(guò)5組縮尺隧道模型試驗(yàn)得出了與火源熱釋放速率和隧道水力直徑相關(guān)的無(wú)量綱臨界風(fēng)速理論預(yù)測(cè)公式。公式(1)、(2)、(3)、(4)預(yù)測(cè)三個(gè)全尺寸隧道臨界風(fēng)速并與全尺寸實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較，結(jié)果表明一致性很好，故可以預(yù)測(cè)任何截面形狀的隧道縱向通風(fēng)臨界風(fēng)速，本文采用該公式。

熱釋放速率和臨界風(fēng)速無(wú)量綱化公式如下：

(1)

(2)

式中，V″為無(wú)量綱臨界風(fēng)速，V為隧道火災(zāi)臨界風(fēng)速(m/s)。

縱向無(wú)量綱通風(fēng)臨界風(fēng)速理論預(yù)測(cè)公式如下：

V″=0.40[0.2]-1/3[Q″]1/3，Q″≤0.20

(3)

V″=0.40，Q″>0.20

(4)

2 CFD模擬計(jì)算

2.1 數(shù)值模擬軟件的選取

本文選用FDS(FireDynamicSimulator)火災(zāi)模擬軟件對(duì)公路隧道火災(zāi)進(jìn)行數(shù)值模擬。如今，許多學(xué)者[25,26]都已應(yīng)用FDS來(lái)對(duì)隧道火災(zāi)進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

2.2 物理模型

為方便與前人研究所得結(jié)論[26]做對(duì)比，本文模型采用矩形斷面隧道模型。截取火源區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象，按照1∶10的比例建模，長(zhǎng)10m，寬0.9m，高0.8m，任一單火源均為立方體，體積為0.008m3，隧道模型、火源位置和阻塞車(chē)輛的位置關(guān)系分別如圖1～圖4所示。圖2～圖4中l(wèi)、w、h分別為隧道的長(zhǎng)、寬、高，分別為10 m、0.9 m、0.8 m。d為兩火源間距離，分別取0 m、0.2 m、0.4 m、0.6 m，z為定值0.35 m，上風(fēng)流火源位于隧道中部且位置固定，圖中箭頭方向?yàn)榭v向風(fēng)流動(dòng)方向。

圖1 模型整體效果圖Fig.1 Overall effect diagram of the model

圖2 模型橫向剖面圖Fig.2 Horizontal section diagram of the model

圖3 模型縱向剖面圖Fig.3 Longitudinal section diagram of the model

圖4 模型俯視圖Fig.4 Top view of the model

2.3 邊界條件

模型兩端開(kāi)口分別設(shè)置為進(jìn)風(fēng)口(左側(cè))與自然開(kāi)口(右側(cè))，進(jìn)風(fēng)口處保持縱向通風(fēng)風(fēng)速不變。環(huán)境溫度設(shè)置為25 ℃。墻體邊界設(shè)置為熱厚性邊界，F(xiàn)DS中設(shè)置為“CONCRETE” 屬性?；鹪丛O(shè)置為固定熱釋放速率火源，默認(rèn)達(dá)到穩(wěn)定熱釋放速率的時(shí)間為1 s[27]。

2.4 網(wǎng)格系統(tǒng)

查閱FDS使用手冊(cè)，當(dāng)火源的特征直徑D*與計(jì)算網(wǎng)格尺寸δx的比例在4～16之間時(shí)，網(wǎng)格間的獨(dú)立性較好[28]，模擬結(jié)果可信。

火源特征直徑D*公式為[28]:

(5)

式中，各符號(hào)意義同前。

計(jì)算可得D*≈0.1m，綜合考慮以上計(jì)算結(jié)果以及計(jì)算機(jī)的性能，本文最終采用δx=0.02 m的網(wǎng)格尺寸進(jìn)行計(jì)算。

3 火災(zāi)情景

為研究雙火源對(duì)于臨界風(fēng)速的影響規(guī)律，分別模擬位于隧道中部火源功率(HRR)為4 kW、6 kW、8 kW、12 kW的單火源以及總HRR分別為8 kW和12 kW的雙火源火災(zāi)，得到火災(zāi)所需的臨界風(fēng)速。雙火源之間的距離分別為0 m、0.2 m、0.4 m、0.6 m，具體見(jiàn)表1所示。

表1 各火災(zāi)情景參數(shù)

Table 1 The parameters of all the simulated fires

火災(zāi)類(lèi)型HRR/kWd/m00．20．40．6單火源4G\6H\8I\12J\雙火源A：4+4A1A2A3A4B：6+2B1B2B3B4C：2+6C1C2C3C4D：6+6D1D2D3D4E：8+4E1E2E3E4F：4+8F1F2F3F4

(表中雙火源的先后順序代表其在隧道中的位置，如6+2表示上下風(fēng)流火源功率分別為6 kW和2 kW)。

4 模擬結(jié)果與分析

各火災(zāi)情景的臨界風(fēng)速如表2所示：

表2 各火災(zāi)情景所需的臨界風(fēng)速

Table 2 Theucrof all the simulated fires

火災(zāi)類(lèi)型HRR(kW)ucr(m/s)d=0md=0．2md=0．4md=0．6m單火源40．47\60．53\80．57\120．63\雙火源A：4+40．630．570．530．47B：6+20．630．540．530．53C：2+60．630．620．580．56D：6+60．690．670．620．53E：8+40．690．630．570．57F：4+80．690．690．650．62

當(dāng)火源為單火源時(shí)，模擬熱釋放速率為4 kW、6 kW、8 kW、12 kW的火源所對(duì)應(yīng)的臨界風(fēng)速分別為0.47 m/s、0.53 m/s、0.57 m/s、0.63 m/s，根據(jù)公式(2)求得的理論臨界風(fēng)速分別為0.35 m/s、0.40 m/s、0.44 m/s、0.50 m/s。

以上公式并未考慮由于壁面摩擦的阻力ΔPλ，ΔPλ由式(6)求得[29]：

(6)

式中，λ是定值，取0.05[30]；ur是實(shí)際通風(fēng)速度；L是風(fēng)流通過(guò)的隧道長(zhǎng)度；其余符號(hào)意義同前。

考慮實(shí)際隧道壁的摩擦，所得理論臨界風(fēng)速u(mài)cr分別為0.44 m/s、0.50 m/s、0.55 m/s、0.63 m/s，與本文模擬所得臨界風(fēng)速結(jié)論相近，說(shuō)明模擬結(jié)論可靠。

圖5中，隨著兩火源距離d的增加，A、B、C三種隧道火災(zāi)的臨界風(fēng)速逐漸減小，其中火災(zāi)A的臨界風(fēng)速u(mài)cr減小的幅度最大，火災(zāi)C的臨界風(fēng)速u(mài)cr減小的幅度最小，火災(zāi)B的臨界風(fēng)速u(mài)cr減小的幅度居中。

隨著兩火源間距離d的增加，雙火源隧道火災(zāi)的臨界風(fēng)速逐漸減小，當(dāng)兩火源距離增大至某個(gè)值時(shí)臨界風(fēng)速趨近于一個(gè)穩(wěn)定的值，定義此時(shí)兩火源的距離為臨界距離dx。

分析曲線(xiàn)A可知，隨著d的增大臨界風(fēng)速逐漸減小。當(dāng)d=0.6 m時(shí)，臨界風(fēng)速u(mài)cr減小至0.47 m/s，即HRR為4 kW的單火源火災(zāi)所需的臨界風(fēng)速。當(dāng)d大于0.6 m時(shí)，此種火災(zāi)情景相當(dāng)于單火源隧道火災(zāi)，臨界風(fēng)速u(mài)cr將保持0.47 m/s不變，故火災(zāi)A的dx在0.4 m～0.6 m之間；分析曲線(xiàn)B可知，火災(zāi)B的dx在0 m～0.2 m之間。所以火災(zāi)A和B的臨界距離dx的大小關(guān)系為：A>B。

當(dāng)兩火源間的距離為0.6 m時(shí)，火災(zāi)A所需的臨界風(fēng)速u(mài)cr最終減小至0.47 m/s，相當(dāng)于單火源火災(zāi)所需的臨界風(fēng)速；火災(zāi)B的臨界風(fēng)速u(mài)cr最終趨于0.53 m/s，即HRR為6 kW的單火源所需的臨界風(fēng)速。

綜上，隨著d的增加，A、B兩種火災(zāi)的ucr逐漸減小，當(dāng)達(dá)到dx時(shí)ucr為常數(shù)，不隨d的增大而減小。A和B兩種火災(zāi)dx的大小關(guān)系為A>B，即兩相同火源的火災(zāi)需要的dx較大；火災(zāi)C的ucr逐漸減小，但減小幅度較小且難以趨于穩(wěn)定。

雙火源火災(zāi)隨著火源間距的增大，兩火源相同時(shí)最終臨界風(fēng)速的大小等于單火源臨界風(fēng)速；上風(fēng)流火源功率較大時(shí)最終臨界風(fēng)速的大小主要取決于上風(fēng)流火源功率；上風(fēng)流火源功率較小時(shí)，臨界風(fēng)速逐漸減小，但減小幅度較小且難以趨于穩(wěn)定。

圖5 總HRR為8 kW的雙火源火災(zāi)臨界風(fēng)速Fig.5 The ucr for case A, B and C

為進(jìn)一步研究圖5中曲線(xiàn)A和B最終為穩(wěn)定值、C減小幅度較小的原因，針對(duì)A4、B4和C4三種火災(zāi)情景分析。圖6為無(wú)風(fēng)隧道內(nèi)三種火災(zāi)情景下煙氣的蔓延狀況，圖7為三種工況下縱向風(fēng)大小等于臨界風(fēng)速時(shí)煙氣的蔓延狀況。

圖6中火災(zāi)A4兩火源所產(chǎn)生煙氣在兩火源中部相遇，說(shuō)明上風(fēng)流火源會(huì)抑制下風(fēng)流火源煙氣的逆流；較大HRR的火源會(huì)產(chǎn)生較大的火風(fēng)壓[31]，火災(zāi)B4下風(fēng)流較小HRR火源所產(chǎn)生的煙氣并無(wú)煙氣逆流現(xiàn)象，說(shuō)明上風(fēng)流較大HRR火源的火風(fēng)壓足以抑制下風(fēng)流小HRR火源的煙氣逆流現(xiàn)象；C4火災(zāi)的下風(fēng)流較大HRR中下風(fēng)流的火源所產(chǎn)生的煙氣逆流至緊鄰上風(fēng)流火源的右側(cè)，上風(fēng)流較小HRR的火源所產(chǎn)生的煙氣并無(wú)明顯向下風(fēng)流流動(dòng)現(xiàn)象，而是和下風(fēng)流所產(chǎn)生煙氣一同向上風(fēng)流方向流動(dòng)，即該情形下兩火源產(chǎn)生的煙氣在上風(fēng)流火焰頂端相遇后匯聚，而后向上風(fēng)流方向流動(dòng)。

由圖7中A4火災(zāi)的切片圖可知，在縱向風(fēng)和上風(fēng)流火源火風(fēng)壓的共同作用下，下風(fēng)流火源煙氣逆流不能越過(guò)上風(fēng)流火源，此時(shí)縱向風(fēng)的大小為單火源所需臨界風(fēng)速u(mài)cr，當(dāng)兩火源的距離繼續(xù)增大時(shí)縱向風(fēng)只需控制上風(fēng)流火源不發(fā)生煙氣逆流即可，所以當(dāng)d>dx時(shí)臨界風(fēng)速的大小為單火源臨界風(fēng)速；由B4火災(zāi)的切片圖可知，因?yàn)榭v向風(fēng)的作用，上風(fēng)流較大HRR火源的煙流傾角(煙流與豎直方向的夾角)小于下風(fēng)流火源的煙流傾角，兩者煙氣不會(huì)在隧道頂部相遇，即上風(fēng)流火源的火風(fēng)壓足以抑制下風(fēng)流火源的煙氣逆流，下風(fēng)流火源沒(méi)有煙氣逆流現(xiàn)象，縱向風(fēng)只需阻止上風(fēng)流較大火源產(chǎn)生煙氣逆流，所以縱向風(fēng)的大小取決于上風(fēng)流較大火源；由C4火災(zāi)的切片圖可知，上風(fēng)流較小HRR火源的煙流傾角大于下風(fēng)流火源的煙流傾角，所以?xún)苫鹪此a(chǎn)生的煙氣一定會(huì)混合，而后與隧道頂棚發(fā)生碰撞繼而向上風(fēng)流方向逆流。此時(shí)，臨界風(fēng)速u(mài)cr只需抑制兩者混合煙氣逆流不越過(guò)上風(fēng)流火源即可，所以臨界風(fēng)速u(mài)cr隨著兩火源間距離的增大逐漸減小且減小速度較慢。

圖6 無(wú)風(fēng)隧道內(nèi)A4、B4、C4工況下y=0的溫度切片F(xiàn)ig.6 Temperature slice for y=0 under condition A4, B4 and C4 without ventilation

圖7 臨界風(fēng)速下隧道內(nèi)A4、B4、C4工況下y=0的溫度切片F(xiàn)ig.7 Temperature slice for y=0 under condition A4, B4 and C4 with critical ventilation velocity

圖8中D、E、F三條曲線(xiàn)較好地驗(yàn)證了圖5所得的結(jié)論。比較圖5和圖8的相同點(diǎn)可得：隨著d的增大，不同的火災(zāi)類(lèi)型ucr達(dá)到穩(wěn)定的速度不同，BE較AD達(dá)到穩(wěn)定的速度更快；隨著d的增大，不同火災(zāi)的ucr減小幅度不同，AD減小幅度最大，BE次之，CF最小。

按照雙火源所處的位置和熱釋放速率的大小將雙火源火災(zāi)分為兩相同火源火災(zāi)、上風(fēng)流HRR較大火災(zāi)、上風(fēng)流HRR較小火災(zāi)。綜上所述，可得以下結(jié)論：隨著d的增大，臨界風(fēng)速最終趨于穩(wěn)定值的兩種火災(zāi)即兩相同火源火災(zāi)和上風(fēng)流HRR較大火災(zāi)相比，后者所需臨界風(fēng)速u(mài)cr率先達(dá)到穩(wěn)定值；隨著兩火源間距離d的增大，兩相同火源火災(zāi)臨界風(fēng)速u(mài)cr減小幅度最大，上風(fēng)流HRR較大火災(zāi)次之，上風(fēng)流HRR較小火災(zāi)最小。

圖8中，當(dāng)d=0.6 m時(shí)，D、E兩條曲線(xiàn)均達(dá)到穩(wěn)定值；所以D的dx在0.4 m～0.6 m之間，E的dx在0.2 m～0.4 m之間，對(duì)比圖5和圖6中A和D、B和E曲線(xiàn)所對(duì)應(yīng)的dx大小，可認(rèn)為HRR主要影響臨界距離dx的大小。為研究HRR對(duì)臨界距離dx的影響規(guī)律，對(duì)火災(zāi)類(lèi)型相同但HRR不同的火災(zāi)所需臨界風(fēng)速(圖9、圖10和圖11)進(jìn)行分析。

圖8 總HRR為12 kW的雙火源火災(zāi)所需臨界風(fēng)速Fig.8 The ucr for case D, E and F when the summed HRR is 12 kW

由圖9～圖11可知，當(dāng)火災(zāi)類(lèi)型為上風(fēng)流HRR較大火災(zāi)時(shí)，隨著總HRR的增大，dx所在區(qū)間由0 m～0.2 m增大至0.2 m～0.4 m，即隨著HRR的增大，dx增大；當(dāng)火災(zāi)類(lèi)型為兩相同火源火災(zāi)時(shí)，隨著HRR的增大，dx均在0.4 m～0.6 m區(qū)間內(nèi)，即隨著HRR的增大dx變化不大；當(dāng)火災(zāi)類(lèi)型為上風(fēng)流火源功率較小火災(zāi)時(shí)，ucr值不固定。

模擬結(jié)果表明，當(dāng)隧道內(nèi)發(fā)生上風(fēng)流HRR較大火災(zāi)時(shí)，隨著總HRR增加，dx增大；當(dāng)隧道內(nèi)火災(zāi)組成為兩相同HRR的火源時(shí)，隨著總HRR增加，dx變化并不明顯；當(dāng)隧道內(nèi)發(fā)生上風(fēng)流火源功率較小火災(zāi)時(shí)，dx不存在，故無(wú)此規(guī)律。

圖9 工況B和E下的臨界風(fēng)速Fig.9 The ucr for case B and E

圖10 工況A和D下的臨界風(fēng)速 Fig.10 The ucr for case A and D

圖11 工況C和F下的臨界風(fēng)速Fig.11 The ucr for case C and F

由模擬結(jié)果可知，當(dāng)d=0 m時(shí)，雙火源所需的臨界風(fēng)速u(mài)cr略大于同HRR的單火源所需要的臨界風(fēng)速，為研究此規(guī)律，做無(wú)風(fēng)隧道內(nèi)A1、B1、C1和I工況下y=0平面的速度矢量切片如圖12～圖14所示。

由圖12～圖14可知，當(dāng)d=0 m且隧道內(nèi)無(wú)縱向風(fēng)時(shí)，A1中火羽流的最大速度為1.5 m/s，B1和C1火羽流的最大速度為1.0 m/s，而I的火羽流的最大速度為0.9 m/s，即無(wú)風(fēng)條件下四種同HRR的火災(zāi)產(chǎn)生火羽流的速度最大值的大小關(guān)系為A1>B1=C1>I。豎直擴(kuò)展的火羽流受到頂棚阻擋，熱煙氣將形成水平流動(dòng)的頂棚射流，由以上四種同HRR的火災(zāi)產(chǎn)生火羽流的速度關(guān)系可知，I所需的控制煙氣回流的臨界風(fēng)速應(yīng)為最小，即單火源隧道火災(zāi)所需的臨界風(fēng)速最小。故在本文所設(shè)工況下，雙火源火災(zāi)中兩火源距離為零時(shí)，所需臨界風(fēng)速略大于同HRR的單火源火災(zāi)所需臨界風(fēng)速。

為驗(yàn)證Tsai等[26]所得結(jié)論，增大HRR為8 kW和12 kW的單火源縱向長(zhǎng)度至0.4 m，且保持橫向長(zhǎng)度不變，此時(shí)火源面積為0.8 m2。在其他工況不變情況下，模擬可得此時(shí)兩火源所需臨界風(fēng)速分別為0.63 m/s、0.69 m/s。所以前人所得結(jié)論合理：當(dāng)兩火源縱向距離為零時(shí)，其相當(dāng)于同HRR、同火源面積的單火源火災(zāi)。

對(duì)比分析Tsai[26]等在《ritical ventilation velocity for multi-source tunnel fires》一文中所得結(jié)論，可得：當(dāng)兩種火災(zāi)(單火源火災(zāi)和雙火源火災(zāi))HRR相同時(shí)，火源面積大的所需臨界風(fēng)速稍大，但相差不大；當(dāng)兩種火災(zāi)(單火源火災(zāi)和雙火源火災(zāi))HRR及火源面積均相同時(shí)，兩者所需臨界風(fēng)速相同。

綜上可得，雙火源火災(zāi)中兩火源縱向距離為零時(shí)：其總火源面積若與同HRR的單火源面積相同，則兩者所需臨界風(fēng)速相等；其總火源面積若大于同HRR的單火源面積，則雙火源火災(zāi)所需臨界風(fēng)速略大。

圖12 無(wú)風(fēng)隧道內(nèi)A1工況下y=0的速度矢量切片F(xiàn)ig.12 Velocity vector slice for y=0 under condition A1 without ventilation

圖13 無(wú)風(fēng)隧道內(nèi)B1和C1工況下y=0的速度矢量切片F(xiàn)ig.13 Velocity vector slice for y=0 under condition B1 and C1 without ventilation

圖14 無(wú)風(fēng)隧道內(nèi)I工況下y=0的速度矢量切片F(xiàn)ig.14 Velocity vector slice for y=0 under condition I without ventilation

5 結(jié)論

(1)隧道內(nèi)發(fā)生雙火源火災(zāi)時(shí)，隨著兩火源距離的增大，所需臨界風(fēng)速u(mài)cr逐漸減小。其中，隧道火災(zāi)為兩相同火源火災(zāi)或上風(fēng)流火源功率較大火災(zāi)時(shí)，存在臨界距離dx，d>dx時(shí)臨界風(fēng)速u(mài)cr最終趨于一個(gè)穩(wěn)定的值，該值取決于上風(fēng)流火源功率；

(2)上風(fēng)流火源功率較大火災(zāi)隨著總火源功率增大，臨界距離dx增大。而火災(zāi)由兩相同火源組成時(shí)，臨界距離dx隨總火源功率的增大變化并不顯著；

(3)總火源功率相同，上風(fēng)流火源功率較大火災(zāi)的臨界距離dx小于兩相同火源火災(zāi)的臨界距離dx；

(4)隨著兩火源距離d的增加，兩相同火源火災(zāi)的臨界風(fēng)速減小幅度最大，上風(fēng)流火源功率較大火災(zāi)次之，上風(fēng)流火源功率較小火災(zāi)減小幅度最小；

(5)雙火源火災(zāi)中兩火源縱向距離為零時(shí)：其總火源面積若與同HRR的單火源面積相同，則兩者所需臨界風(fēng)速相等；其總火源面積若大于同HRR的單火源面積，則雙火源火災(zāi)所需臨界風(fēng)速略大。

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Numerical studies on the effect of double fire sources upon critical ventilation velocity in tunnel fires

YU Minggao1,2, SU Guanfeng1, CHEN Jing1
(1. School of Safety Science& Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454003, China;2. State Key Laboratory of Coal Mine Disaster Dynamics& Control，Chongqing University, Chongqing 400044, China)

Numerical analysis was adopted to explore the critical ventilation velocityucrfor double-source tunnel fires. Three kinds of double-source tunnel fires, namely two identical heat release rate(HRR) fire, a larger upstream fire and a smaller upstream fire, were simulated by FDS software. And the impact of the distancedbetween the two fire sources, position of them and the summed HRR uponucrwas analyzed according to the simulation results. The results show thatucrdeclines withdincrease. When the distance reaches the critical valuedx,ucrbecomes constant and it is determined by the position and summed HRR of the two fire sources. If the summed HRR of a double-source fire increases, the increase inucrbecomes significant. Theucrdecreases with the added distanced, which is needed by different kinds of double-source fires. But the diminisheducrvalue is different. Theucrfor double-source fire is higher than that for the single fire with summed HRR whendis 0.

Tunnel fires; Numerical simulation; Double fire resources; Critical distance; Critical velocity

2016-06-13；修改日期：2016-08-18

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(U1361205, 51574111 )；煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研究課題重點(diǎn)項(xiàng)目(2011DA105287-ZD201401)

余明高(1963-), 四川瀘州人, 教授/博士生導(dǎo)師, 從事火災(zāi)防治理論與技術(shù)方面的教學(xué)與研究工作。

余明高, E-mail:13333910808@126.com

1004-5309(2017)-0020-09

10.3969/j.issn.1004-5309.2017.01.03

X913.4; U453.5; X932

A