特長(zhǎng)V形隧道火災(zāi)數(shù)值模擬研究

王 濤

(四川省機(jī)場(chǎng)集團(tuán)有限公司，四川成都 610000)

隨著西部大開(kāi)發(fā)的持續(xù)發(fā)展，我國(guó)高速鐵路迅速發(fā)展，西部山區(qū)隧道的數(shù)量和長(zhǎng)度也不斷提升，因此使隧道火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)和火災(zāi)后果的嚴(yán)重性不斷增大。國(guó)內(nèi)外隧道火災(zāi)事件屢見(jiàn)不鮮，1999年法國(guó)的勃朗峰隧道發(fā)生嚴(yán)重火災(zāi)，造成23人受傷，5人死亡；2011年甘肅七道梁隧道發(fā)生火災(zāi)，造成1人受傷，4人死亡。由于隧道所處環(huán)境復(fù)雜，內(nèi)部空間狹長(zhǎng)、相對(duì)封閉、與外界連通口較小，火災(zāi)發(fā)生時(shí)有毒煙氣迅速蔓延擴(kuò)散難以排出，人員疏散和消防撲救都將十分困難，往往會(huì)造成極具破壞性和危險(xiǎn)性的后果[3]。盡管長(zhǎng)大隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)的頻率很小，但其造成的影響及損害是巨大的。為了更好的預(yù)防隧道火災(zāi)的發(fā)生以及火災(zāi)發(fā)生后的人員疏散，有必要對(duì)隧道的通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行更加深入的研究。

國(guó)內(nèi)針對(duì)隧道火災(zāi)的防災(zāi)救援開(kāi)展了一系列的研究[1-6]，但所涉及的隧道都以單坡和“人”字坡為主，渭河隧道是V形坡特長(zhǎng)隧道，而國(guó)內(nèi)對(duì)V形坡特長(zhǎng)隧道火災(zāi)的煙氣分布特性和溫度分布的研究較少，本文以渭河隧道為研究背景，運(yùn)用CFD的Fluent軟件對(duì)隧道發(fā)生火災(zāi)時(shí)的煙氣分布特性和溫度分布情況進(jìn)行研究，分析了臨界風(fēng)速下隧道火災(zāi)及煙氣的蔓延規(guī)律，并得到了不同火災(zāi)情況下最恰當(dāng)?shù)木仍桨?，為隧道火?zāi)通風(fēng)設(shè)計(jì)提供一定的理論指導(dǎo)。

1 工程概況

渭河隧道全長(zhǎng)10 016 m，隧道內(nèi)縱坡分別為-4 ‰/1490 m，25 ‰/2550 m，15 ‰/1264，-8 ‰/2005 m，-23 ‰/2707 m,隧道內(nèi)縱坡呈“V”字型，隧道最小埋深36 m，最大埋深350 m[7]。豎井位于隧道最低點(diǎn)附近，深56.78 m，凈空尺寸14.2 m×8.0 m，豎井通過(guò)橫通道與正洞連接，出口平導(dǎo)位于線路左側(cè)，與左線線路中線間距40 m，連接橫通道與正線的夾角為60 °，運(yùn)營(yíng)期間作為截排水和通風(fēng)通道，平導(dǎo)總長(zhǎng)1995 m。

2 模型建立

本文以渭河隧道為研究對(duì)象，建立火災(zāi)數(shù)值模擬仿真模型，為了模擬結(jié)果更加真實(shí)，按照1∶1建立模型(圖1)。該隧道長(zhǎng)10 016 m，隧道半徑6.41 m，隧道高8.68 m。建立模型時(shí)以隧道入口平面為xy平面，豎向?yàn)閥方向，向上為正，沿隧道縱向?yàn)閦方向，隧道出口方向?yàn)檎?。豎井位于v形坡的谷底處，平導(dǎo)位于線路左側(cè)，與左線線路中線間距40 m，連接橫通道與正線的夾角為60 °，長(zhǎng)1 995 m。

在豎井底部布置軸流風(fēng)機(jī)，確保豎井的送風(fēng)速度不小于0.75 m/s，并在豎井橫通道中布置直徑為1.5 m的風(fēng)管；在隧道入口布置射流風(fēng)機(jī)，確保隧道入口處風(fēng)速不小于1.5 m/s。

3 風(fēng)流組織

隧道是一種場(chǎng)地狹長(zhǎng)、相對(duì)封閉、與外界連通口較小的地下狹小空間，發(fā)生火災(zāi)時(shí)，著火列車停在隧道內(nèi)，列車周圍溫度迅速升高，火勢(shì)迅速蔓延，著火范圍不斷擴(kuò)大，列車燃燒生成的有毒煙氣也將迅速蔓延擴(kuò)散，使隧道內(nèi)煙氣彌漫、能見(jiàn)度低、可視性差，救援設(shè)備和救援人員難以接近著火點(diǎn)，人員疏散困難?；馂?zāi)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、消防撲救困難，隧道結(jié)構(gòu)也將受到破壞，造成重大經(jīng)濟(jì)損失。因此，隧道設(shè)計(jì)中必須考慮防災(zāi)通風(fēng)的具體措施。

對(duì)于鐵路長(zhǎng)大隧道防災(zāi)通風(fēng)的設(shè)計(jì)，一般需要綜合考慮隧道運(yùn)營(yíng)通風(fēng)方案，并通過(guò)多種計(jì)算模型對(duì)隧道內(nèi)的空氣流動(dòng)和煙氣流動(dòng)進(jìn)行計(jì)算機(jī)動(dòng)態(tài)模擬，以檢驗(yàn)通風(fēng)方案的效能，為合理設(shè)計(jì)隧道運(yùn)營(yíng)通風(fēng)及防排煙提供理論依據(jù)。

當(dāng)列車在隧道中失火，因失去動(dòng)力不能繼續(xù)運(yùn)行或列車火災(zāi)規(guī)模過(guò)大，不得不在隧道內(nèi)停車時(shí)，旅客逃生是首要的，此時(shí)隧道內(nèi)應(yīng)進(jìn)行隧道機(jī)械通風(fēng)，保證人的生命安全，旅客的逃生原則是“逆風(fēng)而行”。根據(jù)失火列車在隧道內(nèi)所處的位置，采取不同的送風(fēng)、排煙模式和旅客逃生方案。

4 火災(zāi)工況模擬

當(dāng)火災(zāi)發(fā)生在豎井與隧道出口間(即火災(zāi)發(fā)生點(diǎn)1、Z=4 860m處)，距離隧道洞口較遠(yuǎn)且無(wú)法駛出洞外時(shí)，則應(yīng)該在隧道內(nèi)進(jìn)行人員的疏散和救援。隧道內(nèi)射流風(fēng)機(jī)由正常運(yùn)營(yíng)通風(fēng)轉(zhuǎn)為防災(zāi)應(yīng)急通風(fēng)，射流風(fēng)機(jī)進(jìn)行送風(fēng)增壓防止煙霧反向蔓延，并將煙氣通過(guò)平導(dǎo)和隧道出口排出洞外，豎井底部的軸流風(fēng)機(jī)進(jìn)行供氧增壓，使避難空間處保持空氣流通并防止煙氣反向蔓延，在隧道豎井底部布置軸流風(fēng)機(jī)，設(shè)定豎井的送風(fēng)速度為0.75 m/s，隧道入口端布置射流風(fēng)機(jī)，設(shè)定隧道入口風(fēng)速為1.5 m/s，隧道通風(fēng)示意圖見(jiàn)圖2。

(a)火災(zāi)點(diǎn)1

(b)火災(zāi)點(diǎn)2

4.1 求解模型參數(shù)設(shè)置

(1)運(yùn)用熱量源項(xiàng)來(lái)模擬火災(zāi)的燃燒和放熱，隧道內(nèi)列車火災(zāi)的熱釋放率參照德國(guó)城際特快的試驗(yàn)結(jié)果，將列車火災(zāi)熱釋放率設(shè)為20 MW[8]。

(2)受火災(zāi)高溫的影響，隧道內(nèi)空氣密度分布不均勻，因此使用Rosseland熱輻射模型，設(shè)定空氣介質(zhì)的散射系數(shù)為0.01，吸收系數(shù)為0.1[9]。

(3)假設(shè)燃燒為充分燃燒，且產(chǎn)物為CO2，根據(jù)氧耗原理可得貨車火源在單位時(shí)間內(nèi)單位體積生成的CO2煙氣質(zhì)量為6.17×10-3kg[10]，且認(rèn)為煙氣流動(dòng)具有各向同性。

(4)由于涉及熱量交換和氣體組分的流動(dòng)擴(kuò)散，計(jì)算時(shí)激活能量方程Energy Equation和組分輸運(yùn)模型，為充分模擬溫度場(chǎng)中氣體隨時(shí)間的流動(dòng)和分布特性，將氣體設(shè)定為非定常流動(dòng)，重力加速度取9.81 m/s2，隧道內(nèi)溫度為27 ℃(300 K)，依此對(duì)模型進(jìn)行求解。

4.2 邊界條件

根據(jù)建立的計(jì)算模型，結(jié)合隧道實(shí)際情況，設(shè)置的邊界條件如下：

(1)隧道入口和豎井入口設(shè)為速度入口，方向與入口斷面垂直。

(2)隧道出口和平導(dǎo)出口設(shè)為自由出口，方向與入口斷面垂直。

(3)隧道壁面設(shè)為固體壁面單元，材料為混凝土，傳熱系數(shù)為0.58 W/m2·K。

(4)豎井入口的風(fēng)速為0.75 m/s；豎井橫通道內(nèi)的風(fēng)管兩端分別設(shè)為速度入口和速度出口，其值為23.48 m/s。

(5)根據(jù)相關(guān)公式計(jì)算得出質(zhì)量源項(xiàng)其值為6.17×10-3kg/(m3·s)，熱量源項(xiàng)其值為59 260 W/m3 [10]。

4.3 模擬結(jié)果及分析

為分析縱向通風(fēng)對(duì)V形坡隧道內(nèi)煙氣擴(kuò)散的影響，對(duì)渭河V形坡特長(zhǎng)隧道火災(zāi)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，縱向風(fēng)速取1.5 m/s，豎井風(fēng)速取0.75 m/s。通過(guò)分析計(jì)算，在整個(gè)擴(kuò)散過(guò)程中，隧道內(nèi)煙氣濃度逐漸增大，并在風(fēng)流作用下逐漸向洞口蔓延，1 200 s時(shí)擴(kuò)散至隧道與平導(dǎo)的交接處，2 200 s時(shí)風(fēng)流達(dá)到穩(wěn)定，局部最高煙氣濃度達(dá)到1.1 %。

在分析過(guò)程中選取火源處截面、隧道出口處截面、平導(dǎo)出口處截面和Z=4500m處截面進(jìn)行分析，其中Z=4500m處于上風(fēng)區(qū)的避難空間，該截面可以反映避難空間的空氣質(zhì)量和溫度，為人員疏散路線的選擇提供依據(jù)。

由圖3可知，在1.5 m/s的縱向通風(fēng)狀態(tài)下，隧道火災(zāi)上風(fēng)段基本沒(méi)有煙氣分布；下風(fēng)段的煙氣在擴(kuò)散過(guò)程中，在風(fēng)流作用下煙氣與空氣充分混合，整個(gè)斷面內(nèi)煙氣濃度極差很小，二氧化碳濃度基本保持在0.75 %左右，火源附近的二氧化碳濃度最大，達(dá)到了1.1 %。從而說(shuō)明煙氣在隧道內(nèi)隨整個(gè)斷面穩(wěn)定擴(kuò)散，當(dāng)擴(kuò)散至隧道口時(shí)(圖3(c)),煙氣又逐漸呈現(xiàn)分層狀態(tài)，這是由于在該斷面已接近煙氣羽流的前鋒，熱煙氣沿隧道頂面向外擴(kuò)散，還沒(méi)有與新鮮空氣充分接觸，因此出現(xiàn)了較為明顯的分層現(xiàn)象，說(shuō)明縱向通風(fēng)作用有利于煙氣的流動(dòng)擴(kuò)散。

圖3 隧道煙氣濃度分布狀況(t=2200s)

圖4可以看出，隧道內(nèi)各斷面的空氣流速比較合理，上風(fēng)區(qū)沒(méi)有出現(xiàn)煙氣回流。由于火源(圖4(a))距豎井送風(fēng)口距離較近，因此風(fēng)速較大，有利于防止煙氣的反向蔓延，也有利于煙氣和送入的新鮮空氣進(jìn)行對(duì)流換熱，使火源處溫度降低。避難空間處(即Z=4500 m處)風(fēng)速約為5 m/s，大于臨界風(fēng)速，使煙氣不會(huì)蔓延至避難空間，為避難人員提供了安全的疏散環(huán)境。通過(guò)隧道出口(圖4(c))和平導(dǎo)出口(圖4(d))的風(fēng)速，可以發(fā)現(xiàn)火災(zāi)下風(fēng)區(qū)的風(fēng)速逐漸趨于穩(wěn)定，使火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣穩(wěn)定的向洞口擴(kuò)散，且煙氣的整體擴(kuò)散速度大于2 m/s，滿足鐵路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范要求的2～6 m/s的煙氣流速。

圖4 隧道風(fēng)速分布狀況(t=2200s)

發(fā)生火災(zāi)時(shí)，人員通過(guò)避難空間疏散出洞外，因此應(yīng)保證避難空間內(nèi)有足夠的新鮮空氣，且避難空間的新鮮空氣送風(fēng)量應(yīng)滿足《鐵路隧道防災(zāi)救援疏散工程設(shè)計(jì)規(guī)范》，通過(guò)豎井可以從隧道外引入清潔的新鮮空氣，且新鮮空氣送風(fēng)量滿足相關(guān)規(guī)范要求。

由圖5可知，由于隧道內(nèi)穩(wěn)定的風(fēng)流，使隧道上風(fēng)區(qū)處于常溫(27 ℃左右)，整個(gè)隧道幾乎沒(méi)有出現(xiàn)煙氣反向蔓延的情況，避難空間處也沒(méi)有煙氣出現(xiàn)。而下風(fēng)區(qū)的煙氣和溫度在蔓延過(guò)程中，不斷與送入的新鮮空氣混合并與隧道壁進(jìn)行對(duì)流換熱，導(dǎo)致溫度和煙氣濃度逐漸降低。由于火源(圖5(a))距離豎井的通風(fēng)口較近，風(fēng)速較大，因此溫度沒(méi)有太高，火源處的最高溫度為142 ℃，說(shuō)明縱向通風(fēng)降低了隧道內(nèi)的溫度，在一定程度上對(duì)人員疏散和隧道結(jié)構(gòu)起到了保護(hù)作用，隨著通風(fēng)的進(jìn)行，隧道下風(fēng)區(qū)的溫度逐漸穩(wěn)定，維持在100 ℃左右。

5 結(jié)論

(1)隧道的下風(fēng)區(qū)域?qū)儆诎踩枭⒌奈ｋU(xiǎn)地帶，此區(qū)域溫度較高，煙氣聚集濃度較大，同時(shí)能見(jiàn)度較低，因此在疏散時(shí)應(yīng)組織人員迅速向火源上風(fēng)區(qū)域疏散。

(2)縱向通風(fēng)作用下，火焰中心向下移動(dòng)，隧道內(nèi)溫度和煙氣濃度明顯降低，說(shuō)明縱向通風(fēng)能有效減小高溫對(duì)隧道結(jié)構(gòu)造成的破壞，并使煙氣不發(fā)生回流，能較好的抑制煙氣溫度和有害氣體濃度。

圖5 隧道溫度分布狀況(t=2200s)

(3)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，火源產(chǎn)生的高溫有毒煙氣在縱向強(qiáng)制氣流作用下未發(fā)生回流，隧道司乘人員可逆向隧道氣流方向逃生，本文所討論的通風(fēng)方案可滿足火災(zāi)情況下人員逃生要求。

(4)豎井臨界風(fēng)速為0.75 m/s，根據(jù)風(fēng)機(jī)功率及相關(guān)規(guī)范計(jì)算出在豎井底部應(yīng)布置兩臺(tái)DTF-15-6P型號(hào)的軸流風(fēng)機(jī)風(fēng)機(jī)。隧道入口臨界風(fēng)速為1.5 m/s，根據(jù)風(fēng)機(jī)功率及相關(guān)規(guī)范計(jì)算出在隧道入口端應(yīng)布置6臺(tái)SDS90K-4P-22型號(hào)的射流風(fēng)機(jī)，人員疏散和通風(fēng)方案如圖2所示。