狹長通道火災(zāi)煙氣傳輸研究綜述

潘晨++茅晨昊++尹波

摘 要：通常在時間或空間上失控燃燒而導(dǎo)致的災(zāi)難稱為火災(zāi)。狹長通道通常是人們走路的主要渠道，而且是人員疏散時的必經(jīng)之路。因此，當狹長通道發(fā)生火災(zāi)事故時，會造成嚴重的人身傷亡和財產(chǎn)損失。文章介紹了當前狹長通道火災(zāi)的研究現(xiàn)狀，對火災(zāi)特性和煙氣傳輸進行了系統(tǒng)分析。

關(guān)鍵詞：狹長通道；火災(zāi)特性；研究現(xiàn)狀；煙氣傳輸

中圖分類號：TU998.1 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）29-0167-02

引言

狹長通道是指其縱向長度遠大于截面的長和寬的一類長通道。這類狹長通道在實際建設(shè)工程中大量存在，例如大型建筑的房間走廊、公路或者鐵路隧道、礦山井巷、城市地下軌道交通等[1]。隨著城市化的建設(shè)發(fā)展，狹長通道也越來越多，所面臨的挑戰(zhàn)也接踵而來。

近年來狹長通道火災(zāi)事故也時有發(fā)生，例如2017年5月28日山西天河山隧道發(fā)生汽車火災(zāi)事故，大火連續(xù)燃燒70多個小時，致使40人不幸遇難，12人受傷，42輛車被燒毀，直接經(jīng)濟損失高達8197萬元；2016年2月3日廣州廣樂高速發(fā)生隧道車禍火災(zāi)，引起多輛車輛著火，造成1人輕傷，引起交通嚴重擁堵；2014年山西晉城晉濟高速發(fā)生車輛追尾，引起大火，造成31人死亡，9人失蹤，并對隧道造成嚴重損壞。因此，對此類建筑的研究越來越重要。

1 研究現(xiàn)狀

狹長通道由于自身的特點，失火后的煙氣傳輸過程較為復(fù)雜，影響因素眾多，其中影響最大的兩個因素就是火源的大小和狹長通道中縱向通風的大小，火源大小直接決定了火災(zāi)的影響范圍，而縱向通風則是控制火災(zāi)煙氣傳輸、指揮救援及火災(zāi)撲救行動的重要因素[2]。這些年來多次發(fā)生的狹長通道火災(zāi)不僅給國家造成巨大的經(jīng)濟損失，也給人們帶來了嚴重的傷亡以及不良的社會影響。因此，許多國家在狹長通道（主要為隧道）的科研上投入了巨大的人力和物力。雖然此研究耗費巨大，但很多國家還是研究并進行了一系列的全尺寸或大尺寸的實驗，為狹長通道火災(zāi)煙氣的防治積累了珍貴的實驗數(shù)據(jù)。

火災(zāi)的研究方法主要分為全尺寸實驗研究，縮尺度的小尺寸實驗以及通過計算機進行的數(shù)值模擬研究。因為全尺寸火災(zāi)實驗花費較大，因此很多火災(zāi)研究都選擇進行縮尺度的小尺寸實驗[3]。在這幾十年來，隨著對計算機的不斷研究，其發(fā)展迅速，通過與有效的數(shù)學(xué)分析及數(shù)學(xué)方法的結(jié)合，一些理論模型便可以很好的應(yīng)用于火災(zāi)科學(xué)以及消防工程實踐中。

全尺寸實驗就是根據(jù)火災(zāi)原型搭建的1：1實驗平臺進行實驗，雖然耗費的人力物力比較大，重復(fù)性較差，但是更切合實際，能夠最大限度反應(yīng)火災(zāi)發(fā)生的真實過程，便于進行針對性的實驗；小尺寸實驗是通過模擬實驗平臺與研究對象原型之間所存在一定比例關(guān)系，采用弗勞德尺度準則推導(dǎo)出與原型的比例尺寸進行實驗，大大減少了成本，也方便重復(fù)實驗，誤差相對而言可接受，因此現(xiàn)在一般都進行縮尺度的實驗研究；而通過計算機進行的CFD數(shù)值模擬實驗相比而言就更為靈活方便，且其研究花費較低，并且可以針對火災(zāi)中的某一點的發(fā)展進行重復(fù)實驗，逐漸成為目前火災(zāi)分析的研究熱點，但其缺點是電腦進行數(shù)據(jù)處理的量較大，耗時較長。

在我國，王歡等通過計算機CFD模擬研究了在擋煙垂壁下狹長通道的煙氣傳輸特性[4]；梁強等通過狹長通道小型實驗臺研究了煙氣的運動過程及通道內(nèi)O2、CO2、CO含量的變化及煙氣對光照情況的影響[5]；李意以成都地鐵五號線為例，結(jié)合人的恐慌心理及火災(zāi)煙氣傳輸對疏散的影響進行仿真模擬，研究火災(zāi)發(fā)生后人群疏散的情況；胡隆華進行一系列全尺寸、大尺寸實驗，建立了煙氣層溫度縱向衰減的預(yù)測模型，并驗證了Kurioka的最高煙氣溫度預(yù)測模型；李立明將實驗與CFD數(shù)值模擬相結(jié)合，建立了在自然通風及強制通風情況下的煙氣溫度縱向衰減模型；胡嘉偉通過小尺寸及CFD數(shù)值模擬實驗研究隧道火災(zāi)的熱煙氣流物理特性。

2 狹長通道火災(zāi)特性

狹長通道一般指公路隧道以及一些城市地鐵通道，其外圍一般是土壤或巖石，當發(fā)生火災(zāi)時，內(nèi)部結(jié)構(gòu)無法自身排熱排煙。如果有毒有害煙氣不能及時排出，會導(dǎo)致熱量積聚，使內(nèi)部溫度上升較快，對通道結(jié)構(gòu)造成極大損壞，人員也將受到巨大傷害。狹長空間火災(zāi)有以下幾個特點[6]：

（1）成災(zāi)迅速。狹長通道失火后演變成火災(zāi)的時間一般為5～10min，而火災(zāi)持續(xù)的時間則與狹長通道內(nèi)的環(huán)境有關(guān)，一般將持續(xù)30min到幾個小時之間。

（2）溫升快。失火10s后，火源熱釋放速率將迅速增大；在開始滅火后，火災(zāi)環(huán)境溫度將直線下降，而對于一般的室外火災(zāi)，其環(huán)境溫度則是緩緩上升，這是因為狹長通道空間體積較小，又近似封閉狀態(tài)，火災(zāi)所產(chǎn)生的熱量不易疏散，從而導(dǎo)致熱量急劇上升。

（3）易產(chǎn)生有毒氣體。燃燒過程中由于狹長通道的空間受限特點，氧含量會急劇下降，并極易產(chǎn)生有毒有害氣體。而且熱的煙氣更加危險，首先，熱煙氣由于自身的熱浮力作用上升至狹長通道的頂部，而在很長的一段時間中狹長通道的下層仍是新鮮空氣。當通道內(nèi)縱向通風較大時，狹長通道內(nèi)煙氣的穩(wěn)定性將會被破壞，導(dǎo)致通道內(nèi)照明度降低，易使人大腦發(fā)生混亂，迷失方向最后中毒死亡。

（4）持續(xù)高溫。出于狹長通道空間受限的原因，火焰燃燒方向主要向水平蔓延，熱煙氣由于縱向通風的作用將持續(xù)流動，而可燃物中傳給煙氣的能量最多為10%，其大部分傳給了四壁，因此煙氣的溫度將會隨著距離的增加而迅速減小，但是當四壁加熱后，會產(chǎn)生大量的輻射熱，所以高溫將會保持很長一段時間。

（5）疏散困難。因為狹長通道的橫截面較小，并且在火災(zāi)發(fā)生時人員會產(chǎn)生慌亂，極易產(chǎn)生擁擠混亂。而且，在狹長通道中物資的疏散也極其困難，因此要想在短時間內(nèi)撤離將變得更加困難。

（6）探測救援困難。狹長通道發(fā)生火災(zāi)后，通道內(nèi)火災(zāi)產(chǎn)生的局部熱煙氣流在通道縱向風速較小時，會產(chǎn)生逆向流動，熱煙氣將會流動至上風向通道口，導(dǎo)致救援及消防人員難以從上風向通道抵達火災(zāi)現(xiàn)場，加上大量煙氣的存在導(dǎo)致照明度較低，救援變得更加困難，從而也拖延了救援時間。

3 狹長通道火災(zāi)煙氣流動特點

由于狹長通道火災(zāi)發(fā)生在狹長受限空間，因此具有受限空間火災(zāi)的特點；火災(zāi)發(fā)生時，火源將加熱其上方的空氣使其溫度升高、密度降低，被加熱的空氣在浮力的作用下將向上運動并不斷卷吸周圍新鮮空氣，形成火羽流。火羽流在上升到一定的高度時，將撞擊頂棚，然后轉(zhuǎn)變?yōu)橄蛩闹艿膹较蜻\動；徑向運動到一定階段后，將受到側(cè)壁的作用而最終轉(zhuǎn)變?yōu)檠赝ǖ婪较虻目v向一維運動過程。因此，狹長通道內(nèi)火災(zāi)煙氣的蔓延過程可分為5個階段[7]：

階段（1）：火羽流上升階段。

階段（2）：火羽流撞擊頂棚階段。

階段（3）：徑向擴散階段。

階段（4）：徑向擴散的煙氣遇到側(cè)墻阻擋后向縱向蔓延的轉(zhuǎn)化階段。

階段（5）：縱向蔓延階段。

在通道內(nèi)的煙氣轉(zhuǎn)化為完全的一維縱向蔓延階段之前，將會發(fā)生一個特殊的物理現(xiàn)象——水躍。在水躍的發(fā)生過程中，一方面將導(dǎo)致煙流能量的突然損失，另一方面，煙流也將在這一過程中卷吸大量的環(huán)境空氣而導(dǎo)致質(zhì)量流率迅速增大。根據(jù)通道縱橫比的不同，水躍可能在階段（3）產(chǎn)生，也可以在階段（4）產(chǎn)生[8]。

同一般火災(zāi)場所相比，狹長通道的突出特點是其長為普通火災(zāi)場所的上百倍?？梢哉f，狹長通道是一種細長型的特殊建筑。在這樣的特殊建筑火災(zāi)中，當溫度較高的有毒煙氣在通道傳輸時，煙氣會不斷地與溫度較低的四壁及周圍環(huán)境產(chǎn)生熱交換，導(dǎo)致其溫度持續(xù)降低。因此，在狹長的通道中，這種溫度降低的效應(yīng)將十分顯著。

4 結(jié)束語

狹長通道火災(zāi)是一種特殊而復(fù)雜的火災(zāi)形式，隨著社會的進步，經(jīng)濟水平的提升，人們對安全的重視程度也越來越高。因此，對狹長通道火災(zāi)安全問題的研究越來越多，也越來越細致深入。研究人員及建筑安全的方法也越來越多，越來越精確，通過對狹長通道火災(zāi)問題的進一步研究，相信在不久的將來，狹長通道火災(zāi)事故將會得到有效的控制，人員傷亡也會大幅度減少。

參考文獻：

[1]霍然，胡源，李元洲.建筑火災(zāi)安全工程導(dǎo)論[M].合肥：中國科技大學(xué)出版社，1999：1-2.

[2]李立明.隧道火災(zāi)煙氣的溫度特征與縱向通風控制研究[D].中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2012.

[3]袁建平，方正，程彩霞，等.隧道火災(zāi)時拱頂最高煙氣溫度的實驗研究[J].地下空間與工程學(xué)報，2010，6（05）：1094-1097.

[4]王歡，齊慶杰，姜海洋，等.擋煙垂壁作用下狹長通道內(nèi)煙氣輸運特征研究[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2017，13（06）：150-156.

[5]梁強，李炎鋒，李俊梅.狹長通道內(nèi)火災(zāi)煙氣流動特性實驗研究[J].消防科學(xué)與技術(shù)，2016，35（09）：1221-1224.

[6]范寧.基于CFAST的狹長受限空間火災(zāi)模擬方法研究[D].安徽理工大學(xué)，2009.

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

[8]童艷，施明恒，茅靳風，等.豎井型公路隧道自然通風過程的實驗研究[J].暖通空調(diào)，2009，39（9）：61-65.