車輛阻塞效應下隧道火災煙氣溫度及煙氣逆流長度變化規(guī)律研究

范夢琳，李元洲(中國科學技術大學火災科學國家重點實驗室, 合肥, 230026)

車輛阻塞效應下隧道火災煙氣溫度及煙氣逆流長度變化規(guī)律研究

范夢琳，李元洲*
(中國科學技術大學火災科學國家重點實驗室, 合肥, 230026)

通過數(shù)值模擬方法對車輛阻塞效應下的隧道火災煙氣溫度及煙氣逆流長度的變化規(guī)律進行了研究。主要分兩種車輛阻塞效應討論：1輛設定大小車輛障礙物阻塞；2輛設定大小車輛障礙物阻塞，且在同一車道。通過改變火源高度、縱向通風速度探究了車輛阻塞效應下隧道火災煙氣溫度及煙氣逆流長度的變化規(guī)律。結果表明：兩種車輛阻塞效應下，隨著火源高度的升高，隧道內(nèi)頂棚煙氣溫度的變化規(guī)律相同：隨火源高度的升高而增大。2輛車輛阻塞下的隧道頂棚煙氣溫度略低；兩種車輛阻塞效應下，隨著火源高度的升高，隧道內(nèi)煙氣逆流長度的變化規(guī)律不同。1輛車輛阻塞下煙氣逆流長度隨火源高度的升高而增大，而2輛車輛阻塞效應下煙氣逆流長度隨火源高度的升高而減小。

車輛阻塞; 公路隧道火災; 頂棚煙氣溫度; 煙氣逆流長度

0 引言

近年來，隨著我國城市空間的不斷利用，城鄉(xiāng)道路的快速發(fā)展，新建公路數(shù)量在不斷地增加，越來越多的公路需要跨越江河或者穿越山體，因此公路隧道的數(shù)量也不斷增長，公路隧道安全問題也備受重視。

隧道由于其狹長的結構特點，發(fā)生火災時，煙氣溫度在短時間內(nèi)迅速上升，煙氣得不到有效地擴散使得能見度急劇下降，有毒氣體集聚，對隧道內(nèi)人員的疏散以及消防員滅火工作極為不利。隧道火災事故雖然是隧道事故中的一個小概率事件，但一旦發(fā)生，都會損害隧道結構，燒毀車輛，造成巨大的財產(chǎn)損失，甚至嚴重的人員傷亡。

從國內(nèi)外研究現(xiàn)狀[1-9]可知，前人的研究工作主要集中于隧道構造、火源位置、火源功率、縱向通風等對隧道內(nèi)溫度分布、煙氣流動等參數(shù)的影響，具有一定的理論意義及應用價值，但是前提假設隧道內(nèi)部為空腔，僅有火源作為實物放置于隧道內(nèi)部，忽略了真實隧道中火災發(fā)生時存在車輛、貨物、設備等物體阻塞。而物體阻塞可能對隧道內(nèi)部火場溫度場、煙氣流動等產(chǎn)生重要影響。僅有少數(shù)人進行了此方面的研究。

Li等[10]采用CFD數(shù)值模擬方法研究了障礙物的橫截面積變化對縱向通風隧道內(nèi)的火災煙氣最高溫度以及臨界風速的影響。結果表明，火源在障礙物的上表面，臨界風速隨著障礙物橫截面積的增大而減小，隧道頂部的最高溫度隨著障礙物橫截面積的增大而減?。籋u和Tang等[11,12]采用小尺寸實驗的方法研究了障礙物和火源之間的距離對隧道火災煙氣最高溫度以及臨界風速和逆流長度的影響，結果表明障礙物和火源之間的距離越大，障礙物對縱向通風的阻擋作用越??；Lee和Tsai[13]采用小尺寸實驗和CFD模擬計算結合的方式研究了車輛阻塞效應對臨界風速和隧道內(nèi)火行為的影響。他們通過改變車輛障礙物的尺寸大小來模擬實際隧道大、中、小車輛、障礙物陣列的形式來模擬雙車道和三車道車輛分布以及火源在障礙物中心線下游和隧道中心線下游兩種位置來模擬實際隧道火災發(fā)生的相對位置。結果表明，當縱向風能夠直接到達火源時，臨界風速隨著車輛障礙物的阻塞比增大而減小，減小的比例接近于障礙物的阻塞比例，障礙物和火源的距離變化對臨界風速的影響起到次要作用；當縱向通風不能直接到達火源處時，有障礙物時的隧道控制逆流長度的臨界風速相對于沒有車輛障礙物阻擋時增大。Gannouni和Maad[14]利用FDS軟件數(shù)值模擬研究了縱向通風隧道內(nèi)存在障礙物時的臨界風速和煙氣逆流長度。結果表明火源上游障礙物的存在會使得臨界風速比沒有障礙物時的小，而有障礙物時的煙氣逆流長度遠小于沒有障礙物的情況。

事實上，隧道中車輛著火時，由于車型不同，車輛高度各異，隨著火源高度的增加，火焰由不撞擊頂棚，向間歇撞擊頂棚直至連續(xù)撞擊頂棚過渡，形成的頂棚射流火焰會嚴重破壞隧道結構，同時在障礙物存在條件下，給人員疏散和消防救援工作造成極大困難。而前人研究中很少考慮火源高度的影響。而在障礙物影響下，改變火源高度的研究前人并沒有涉及。因此本文以此為切入點進行分析，研究障礙物存在條件下，火源高度、縱向通風對隧道頂棚下方縱向溫度分布和煙氣逆流長度的影響。

1 FDS模型建立

本文采用美國國家標準與技術研究院開發(fā)的FDS對雙車道內(nèi)車輛阻塞效應對隧道內(nèi)溫度和煙氣逆流長度的影響進行模擬。

(1)模型建立及邊界條件。建立的全尺寸水平公路隧道模型長100 m、寬10 m、高5 m，單向行駛雙車道，每個行車道寬度為3.5 m。隧道一端為速度邊界條件，以產(chǎn)生縱向通風；另一端為開口邊界條件，產(chǎn)生的煙氣從該開口流出。墻壁的材料設置為最接近真實隧道壁面的混凝土材料，其熱值為1.04 kJ/(kg·K)，密度為2280 kg/m3，導熱率為1.8 W/(m·K)?；鹪垂β实倪x取參考不同車型的火災強度，模擬一輛面包車著火，火源熱釋放速率大小為5 MW。為便于模擬計算和分析，同時也通過調(diào)研車型尺寸，將面包車簡化為長方體，長5.4 m，寬2 m，高2.2 m，底部高于地面0.2 m?；鹪丛O在車輛障礙物上表面，面積等同于障礙物上表面面積，火源高度為2.2 m、1.2 m、0.2 m三種。環(huán)境溫度設定為20 ℃。隧道縱向風速在2.5 m/s～3.3 m/s之間變化。圖1為隧道模型及障礙物分布的主視和俯視示意圖。車輛障礙物阻塞分兩種情況：1個障礙物阻塞也即單純的火源阻塞，火源設在障礙物上表面，不同的工況通過障礙物高度的改變來實現(xiàn)火源高度的改變；2個障礙物阻塞是在火源阻塞的基礎上，火源上游有一個高度始終不變的車輛障礙物阻塞。由于各工況隧道縱向風速的大小不一，隧道計算模型達到穩(wěn)定的時段不同，但計算結果顯示250 s左右數(shù)據(jù)均已趨于穩(wěn)定，因此將模擬時間設定為300 s，取30 s穩(wěn)定段數(shù)據(jù)的平均值進行分析。研究表明[15]，為減小隧道開口邊界對模擬結果的影響，對計算區(qū)域在縱向上進行適當?shù)臄U展，能得到與實驗結果相符更好的數(shù)值模擬結果。因此本文將計算區(qū)域進行適當?shù)难由?，隧道左右出口各超? m。

圖1 隧道模型主視示意圖(單位：m)Fig.1 Front view of tunnel model

(2)網(wǎng)格劃分。在FDS數(shù)值模擬中，網(wǎng)格尺寸的選取直接關系到模擬結果的正確性和合理性。網(wǎng)格太大，模擬計算較為粗糙，體現(xiàn)不出關鍵性參數(shù)的變化特性；隨著網(wǎng)格劃分尺寸的減小，模擬結果越接近實驗值；當網(wǎng)格細化到一定程度，繼續(xù)減小網(wǎng)格，將不再增加模擬結果的相符性，反而極大增加了運算時間，這是沒有必要的。因此，進行網(wǎng)格獨立性分析至關重要。FDS用戶指南中[16]推薦了火源特征直徑D*與計算網(wǎng)格尺寸的比例在4～6之間時，可以得到一個合理的求解結果?；鹪刺卣髦睆接上率浇o出:

(1)

式中，

D*——火源特征直徑(m);

Q——火源熱釋放速率(kW);

ρ——環(huán)境空氣密度(kg/m3);

cp——環(huán)境空氣比熱(kJ/(kg·K));

T——環(huán)境空氣溫度(K);

g——重力加速度(m/s2)。

圖2 隧道模型俯視示意圖(單位：m)Fig.2 Top view of tunnel model

當火源功率為5MW時，通過該公式計算得到的網(wǎng)格尺寸在0.11m～0.45m之間。將測試的網(wǎng)格尺寸確定為5種，分別為0.33m、0.25m、0.2m、0.12m、0.1m，并對計算網(wǎng)格系統(tǒng)的獨立性進行評估。所評估的5套網(wǎng)格系統(tǒng)如表1所示。經(jīng)過網(wǎng)格獨立性的分析會發(fā)現(xiàn)網(wǎng)格越細，模擬結果越能反映熱流場的細節(jié)情況，但因此需要的計算時間也會成指數(shù)倍的增加，所以需要綜合考慮計算機的性能以及所需要得到的數(shù)據(jù)來確定網(wǎng)格尺寸。圖3為不同網(wǎng)格尺寸下風速為3m/s時近火源區(qū)截面的速度矢量和溫度分布，該縱向截面過火源中心線(下文提到的縱向截面均過火源或障礙物上表面中心線)。本文主要關注的是煙氣的逆流長度以及頂棚的溫度，由圖3c～圖3e可以看到，隨著網(wǎng)格尺寸減小，C、D、E網(wǎng)格系統(tǒng)中速度矢量的大小和方向以及溫度分布基本相同，而網(wǎng)格系統(tǒng)A、B(圖3a～圖3b)的計算結果所反映的煙氣逆流長度偏小，且溫度場偏低。因此本文將模型的網(wǎng)格尺寸確定為0.2m，也即1m按照5個網(wǎng)格劃分。

圖3 網(wǎng)格獨立性分析：3 m/s風速下隧道縱向截面近火源區(qū)的速度矢量和溫度分布(以火源功率為5 MW為例)Fig.3 Sensitivity study on the grid system: velocity and temperature distributions in the near field of fire source and along the longitudinal plane of tunnel under 3 m/s inlet velocity (5 MW heat release rate)

表1 網(wǎng)格獨立性分析的五套網(wǎng)格系統(tǒng)匯總

(3)工況設置。利用數(shù)值模擬計算了隧道內(nèi)1個車輛障礙物、2個車輛障礙物阻塞的場景。2個車輛障礙物的分布為同一車道內(nèi)的前后分布?；鹪次挥谲囕v障礙物的上表面，通過改變車輛障礙物的高度來改變火源的高度，共設計了2個系列的模擬工況，見表2。A組工況為1個車輛障礙物的場景，火源功率為5 MW，改變了火源豎向高度以及縱向風速的大小。B組工況為2個車輛障礙物的場景，1個障礙物為純阻塞車輛障礙物，不改變高度，另一個障礙物上表面有火源，模擬著火車輛，通過障礙物高度的改變來實現(xiàn)火源豎向高度的改變?；鹪垂β蕿? MW，改變了火源豎向高度以及縱向風速的大小。

表2 模擬火災場景匯總

2 計算結果分析與討論

2.1 局部風速分析

選取A3、B4具有相同隧道入口風速和火源高度的典型工況為例，分析1個和2個障礙物阻塞情況下隧道縱向切面上的速度分布，如圖4所示?？v向切面過障礙物上表面的中心線?？梢钥闯鯞4工況(圖4b)出現(xiàn)了表明速度較大的深色區(qū)域，而A3工況(圖4a)沒有出現(xiàn)深色區(qū)域。通過提取模擬數(shù)據(jù)可知，A3工況的隧道內(nèi)最大風速為3.99 m/s，最小風速為-1.12 m/s。B4工況的隧道內(nèi)最大風速為4.76 m/s，最小風速為-1.30 m/s?？梢钥闯鼍植繀^(qū)域的風速均已大于隧道的入口風速，這是因為在障礙物阻塞工況中，障礙物的存在使得從隧道左側流入的空氣流經(jīng)障礙物時只能從障礙物上方的空間通過。根據(jù)流體力學中的質量守恒：流體以一定的速度從一個較大入口流入，流經(jīng)一個較小出口時，出口速度會增加。而且2個障礙物存在條件下的隧道內(nèi)氣體流速大于1個障礙物的情況。

圖4 不同障礙物數(shù)目下，A3、B4工況中隧道縱向截面上的速度分布Fig.4 The velocity distributions along the longitudinal plane of tunnel in cases of A3 and B4 with different numbers of blocked vehicle

2.2 頂棚溫度分析

表3給出了所有模擬工況距離頂棚0.2 m處煙氣最高溫度的數(shù)據(jù)。從表3中可以看出隨著火源豎向高度的增大，頂棚煙氣溫度也逐漸升高，這主要是由于火源面離頂棚的距離減小，煙氣縱向溫度衰小。另外，對比A3、B4工況，A4、B2工況可以得出1個車輛障礙物相比于2個車輛障礙物阻塞的情況頂棚煙氣溫度更高，主要是由于2個障礙物局部風速更大，煙氣流動速度快，因此頂棚煙氣溫度會更低。

表3 模擬火災場景頂棚煙氣最高溫度統(tǒng)計

圖5 不同火源高度下，火源縱向中心面上頂棚溫度分布(1個障礙物阻塞)Fig.5 Smoke temperature distribution along the longitudinal central plane of fire at various heights of fire source (one vehicle blocked)

圖6 不同火源高度下，火源縱向中心面上頂棚溫度分布(2個障礙物阻塞)Fig.6 Smoke temperature distribution beneath ceiling along the longitudinal central plane of fire at various heights of fire source (two vehicles blocked)

圖5、圖6分別給出的是5 MW火源功率下，0.2 m、1.2 m、2.2 m三種火源高度下的頂棚煙氣溫度縱向分布。由縱向溫度分析可知，溫度曲線從最高溫開始沿著縱向通風方向的煙氣溫度呈現(xiàn)出先快速下降后趨于平穩(wěn)的趨勢，而逆著縱向通風方向的煙氣溫度先快速下降，而后有的工況會出現(xiàn)較為短暫的溫度穩(wěn)定狀態(tài)，后又開始下降直到降到環(huán)境溫度。溫度縱向分布曲線可以看出煙氣的逆流長度大小，即頂棚煙氣的縱向溫度衰減到環(huán)境溫度20 ℃所對應的x軸上的位置到火源中心的水平距離。1個障礙物阻塞下，頂棚溫度縱向分布隨著火源高度的升高而增大，煙氣逆流長度隨著火源高度的升高而增大。由于縱向通風的作用，上風向區(qū)域會形成一個安全區(qū)域，溫度為環(huán)境溫度，而下風向區(qū)域頂棚煙氣的溫度并沒有降到環(huán)境溫度，而是在很長的一段區(qū)域內(nèi)溫度均高于環(huán)境溫度?；鹪锤叨仍礁撸嘛L向的煙氣溫度也會越高。2個障礙物阻塞下，頂棚溫度縱向分布隨著火源高度的升高而增大，煙氣逆流長度隨著火源高度的升高而減小?；鹪锤叨仍礁?，溫度逆著縱向通風方向的縱向衰減速度越快。相較于1個障礙物阻塞的情況，2個障礙物阻塞的情況，頂棚煙氣的縱向溫度大小明顯更小。

圖7給出了頂棚煙氣溫度在不同通風速度下的縱向分布。隨著隧道縱向風速的增加，煙氣逆流長度逐漸減小。當煙氣逆流長度較大時，較小的縱向風速增值就可以使得煙氣逆流長度快速減小，而當煙氣逆流長度較小時，需要較大的縱向風速增值才能使煙氣逆流長度減小，這主要是由于靠近火源處火羽流的撞擊頂棚后水平慣性力較大，而隨著煙氣在頂棚的水平運動，溫度逐漸衰減，水平慣性力逐漸減小。

圖7 頂棚煙氣溫度在不同通風速度下的縱向分布Fig.7 Smoke temperature distribution beneath ceiling along the longitudinal central plane of fire at various velocities

圖8 不同火源高度下隧道近火源區(qū)煙氣溫度分布(以A2、A5、A6工況為例)Fig.8 Smoke temperature distribution in the near field of fire source in cases of A2, A5 and A6 at various heights of fire source

2.3 煙氣逆流長度分析

圖8分析了障礙物數(shù)目對隧道內(nèi)氣體流速的影響。下面以A2、A5、A6工況為例，分析1個障礙物阻塞條件下，不同火源高度隧道內(nèi)的煙氣溫度分布，如圖8所示。通過對圖8中煙氣溫度的分布情況可以推斷煙氣的逆流長度。煙氣逆流長度定義為煙氣向與通風速度相反的方向運動的最遠位置到火源中心的距離。應用到本文中，相當于煙氣向隧道左側出口運動時的煙氣前鋒到火源中心的縱向距離。本文中火源中心到隧道左側出口的縱向距離約為50 m。由圖8可以看出，A2、A5、A6工況的煙氣逆流長度分別為2.5 m、1.0 m、0.7 m。這是因為，隨著火源高度的增大，流體流經(jīng)火源上方的空間變得更窄，從而在強制通風下氣體向下游的運動速度增加，這有利于減小煙氣逆流長度；同時，火源上部卷吸空氣受限程度隨著火源高度增加而增加，更多的未燃氣體只能在頂棚下方運動更長的距離以達到完全燃燒，從而水平慣性力增加，進一步增加煙氣逆流長度。強制通風和水平慣性力這兩個相反的作用力決定了煙氣逆流長度。在本文的研究中，煙氣逆流長度隨著火源高度增加而增加，說明水平慣性力在煙氣逆流中起主要控制作用。

圖9 不同火源高度下隧道近火源區(qū)煙氣溫度分布(以B4、B3、B5工況為例)Fig.9 Smoke temperature distribution in the near field of fire source in cases of B4, B3 and B5 with different heights of fire source

圖9給出了2個障礙物阻塞情況下，隨著火源豎向高度的增大，隧道內(nèi)的煙氣溫度分布情況。模擬1輛車輛著火，其上游1 m處有一輛車輛阻擋的情景。當著火車輛障礙物高度減半和接近地面著火時，相比于兩個車輛障礙物同高時，火羽流傾斜明顯減小，可見上游車輛障礙物的阻擋作用較大，縱向風速無法達到火源處致使火羽流傾斜度明顯減小，煙氣逆流長度有所增大。由圖9分析可知，B4、B3、B5工況的煙氣逆流長度分別為0.7 m、1.9 m、2.2 m。隨著火源高度的增加，煙氣逆流長度減小。此處得到的結論和1個障礙物阻塞的情況得到的結果相反。當上游車輛障礙物阻擋縱向風速致使無法到達火源處時，盡管火源高度升高的過程，頂棚煙氣溫度也逐漸升高，使得水平慣性力增大，但此組工況下，顯然煙氣逆流長度受縱向風速的影響更甚，因此表現(xiàn)出煙氣逆流長度隨火源高度的升高而減小。說明2個障礙物阻塞情況下，強制通風在煙氣逆流中起主要控制作用。

3 結論

本文主要通過改變火源豎向高度來模擬車輛阻塞效應下隧道內(nèi)煙氣溫度及逆流長度的變化規(guī)律。本文研究結果是在特定的模擬條件下得到的，對于其他的車輛尺寸或隧道尺寸是否適用有待進一步驗證。本文研究結論如下：

兩種阻塞效應下，頂棚溫度隨火源高度的升高而增大，但2個障礙物阻塞下的頂棚煙氣溫度要低于1個障礙物阻塞下的頂棚煙氣溫度。

隨著隧道縱向風速的增加，煙氣逆流長度逐漸減小。當煙氣逆流長度較大時，較小的縱向風速增值就可以使得煙氣逆流長度快速減小，而當煙氣逆流長度較小時，需要較大的縱向風速增值才能使煙氣逆流長度減小，這主要是由于靠近火源處火羽流的撞擊頂棚后水平慣性力較大，而隨著煙氣在頂棚的水平運動，溫度逐漸衰減，水平慣性力逐漸減小。

在有縱向通風的隧道中，煙氣逆流長度主要受到水平慣性力和強制通風兩個作用力的影響。不同的車輛阻塞效應對煙氣逆流長度的影響不同。當1個車輛障礙物阻塞在車道中并著火時，煙氣逆流長度隨著火源高度的升高而增大。這主要是因為1個車輛障礙物阻塞下，隨著火源高度的增大，水平慣性力的增值大于局部區(qū)域內(nèi)強制通風的增值，水平慣性力在煙氣逆流中起主要控制作用；當2個車輛障礙物阻塞在同一車道中，下游阻塞車輛障礙物為著火車輛時，煙氣逆流長度隨著火源高度的升高而減小。這主要是因為2個車輛障礙物阻塞下，隨著火源高度的增大，水平慣性力的增值小于局部區(qū)域內(nèi)強制通風的增值，強制通風在煙氣逆流中起主要控制作用。

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Numerical study on smoke temperature and back-layering length in tunnel fires with vehicle blockage

FAN Menglin, LI Yuanzhou
(State Key Laboratory of Fire Science, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China)

Numerical simulation using FDS was conducted to systematically study the variation of smoke temperature beneath the tunnel ceiling and smoke back-layering length in tunnel fires with vehicle blockage, when the height of fire source and the longitudinal ventilation velocity were changed. Two blocked scenarios were considered: one fixed-size vehicle obstruction blocked and two fixed-size vehicle obstructions along the longitudinal tunnel blocked. The smoke temperature beneath ceiling shows the same variation trend in these two vehicular blockage cases: the temperature increases with the rise of the height of fire source. The temperature is measured lower with two vehicles blocked. However, the back-layering lengths have different trends in these two vehicular blockage cases. It is concluded that the higher the height of fire source is, the longer the back-layering length becomes with one vehicle blocked. The higher the height of fire source is, the shorter the back-layering length becomes with two vehicles blocked.

Vehicular blockage; Tunnel fire; Smoke temperature beneath the tunnel ceiling; Back-layering length

2016-05-22；修改日期：2017-01-16

范夢琳，女，浙江人，中國科學技術大學安全科學與工程碩士，研究方向為隧道火災。

李元洲，E-mail:yzli@ustc.edu.cn

1004-5309(2017)-0029-08

10.3969/j.issn.1004-5309.2017.01.04

X932

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