大風(fēng)速下火源橫向位置對(duì)緩坡隧道煙氣特性的影響

宋文武，萬 倫，羅 旭，虞佳穎，陳建旭

(西華大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院， 四川 成都 610039)

近年來，隨著交通的高速發(fā)展，公路路網(wǎng)的建設(shè)也在同步增長(zhǎng)。由于我國是一個(gè)擁有70%山區(qū)面積的國家，公路交通發(fā)展的同時(shí)，必然會(huì)出現(xiàn)更多的隧道。截止到2016年底，我國公路隧道已達(dá)15 181處，里程14 039.7 km[1]。在隧道運(yùn)營過程中，隧道的安全問題顯得十分重要。隧道火災(zāi)是安全運(yùn)營的主要考慮因素之一。由于隧道狹長(zhǎng)的地理空間限制，一旦發(fā)生火災(zāi)將會(huì)產(chǎn)生大量的有害煙氣，同時(shí)隧道內(nèi)的溫度不易下降，不清楚煙氣運(yùn)動(dòng)規(guī)律和溫降特性會(huì)給隧道內(nèi)的人員逃生造成很大的安全隱患[2]。

發(fā)生在1999年3月勃朗峰隧道內(nèi)的特大火災(zāi)，造成了38人死亡；2008年英吉利海峽隧道內(nèi)發(fā)生的火災(zāi)導(dǎo)致14人中毒和受傷；2000年奧地利薩爾茨州基茨施坦霍縣隧道內(nèi)發(fā)生的火災(zāi)造成155人死亡，18人受傷[3]。于麗等通過對(duì)隧道火災(zāi)事故進(jìn)行研究或者基于模型試驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)，發(fā)現(xiàn)隧道發(fā)生火災(zāi)時(shí)，隧道頂棚煙氣分布、煙氣溫度、可見度與人員的安全逃生具有十分緊密的相關(guān)性[4-10]。在發(fā)生火災(zāi)時(shí)，給予隧道一定的縱向通風(fēng)，當(dāng)縱向風(fēng)速大于臨界風(fēng)速時(shí)，煙氣不會(huì)產(chǎn)生逆流，并且適宜的縱向通風(fēng)能夠加快煙氣溫度的降低速度，增大可見度距離，加快煙氣及有毒有害氣體的排出，可以提高人員安全逃生的機(jī)率[11]。

隧道發(fā)生火災(zāi)時(shí)，溫度急劇上升，受浮力效應(yīng)的影響，燃料釋放的熱量積聚在隧道頂部，對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有很大的影響，研究隧道頂棚的煙氣流場(chǎng)及溫度分布對(duì)人員的安全逃生具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[12]；此外研究發(fā)現(xiàn)人的平均身高1.60 m處的煙氣溫度及速度流場(chǎng)矢量變化對(duì)人員的安全逃生也具有十分重要的參考價(jià)值[13]。

從國內(nèi)外研究現(xiàn)狀來看，公認(rèn)的比較成熟的隧道頂棚煙氣溫度分布是Kurioka模型規(guī)律[14]。ZHU等[15]基于該模型規(guī)律來研究縱向通風(fēng)作用下隧道頂棚煙氣溫度的變化，但是通過大量的試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，該模型只適用于沒有坡度的隧道，對(duì)于有坡度的隧道的可靠性有待提高；易亮等[16]通過模型試驗(yàn)對(duì)坡度隧道中煙氣在縱向風(fēng)的作用下煙氣溫度的分布進(jìn)行了驗(yàn)證，得到了坡度修正系數(shù)隨坡度變化的線性表達(dá)式；鐘委等[17]通過試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究了火源橫向位置對(duì)無坡度隧道煙氣分岔運(yùn)動(dòng)的分岔影響，發(fā)現(xiàn)煙氣頂棚流動(dòng)由對(duì)稱分岔流動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榉菍?duì)稱分岔流動(dòng)。以上研究多數(shù)為基于火源位置位于隧道橫向中部展開的研究，并且研究中鮮有考慮到隧道的坡度問題，而實(shí)際的隧道發(fā)生火災(zāi)時(shí)，火源位置是不固定的。

本文將研究坡度為3%的隧道，并且將其定義為緩坡隧道，因?yàn)樗淼榔露纫话銥?3%～3%。選取一個(gè)應(yīng)用最為廣泛的坡度3%作為研究對(duì)象具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[18]。將緩坡隧道與水平隧道進(jìn)行數(shù)值模擬對(duì)比研究，基于此，研究隧道內(nèi)火源不同的橫向位置對(duì)隧道頂棚煙氣分布、1.6m高處的速度流場(chǎng)矢量分布、隧道頂棚煙氣沿程溫降規(guī)律的影響，為研究隧道內(nèi)火源在不同橫向位置發(fā)生火災(zāi)時(shí)的煙氣分布及溫度分析提供一定的參考依據(jù)。

1 數(shù)值模擬

1.1 計(jì)算模型

本研究中，采用了單向通車隧道模型，隧道尺寸采用300 m(長(zhǎng))、10 m(寬)、5 m(高)，得到的最后模型如圖1所示。研究火源不同橫向位置對(duì)隧道頂棚煙氣分布及1.6 m高處的速度流場(chǎng)矢量分布、隧道頂棚煙氣沿程溫降規(guī)律的影響，并與坡度為0的水平隧道進(jìn)行對(duì)比分析。類比相關(guān)文獻(xiàn)，坡度采用重力加速度來表征[19]?；鹪纯v向位置為X=51.5 m處，對(duì)模型網(wǎng)格進(jìn)行獨(dú)立性研究，前人通過研究發(fā)現(xiàn)網(wǎng)格尺寸一般選擇為火源直徑的0.1倍～0.2倍。由火源直徑公式可以得到特征直徑為1.61 m[20]，網(wǎng)格尺寸小于0.32時(shí)，計(jì)算結(jié)果精度滿足要求。整個(gè)模型網(wǎng)格采用不均勻網(wǎng)格，經(jīng)過網(wǎng)格無關(guān)性分析，火源附近50～100 m處網(wǎng)格加密為其他處隧道模型網(wǎng)格采用，整個(gè)隧道模型網(wǎng)格總數(shù)為587 015個(gè)。

圖1 隧道計(jì)算模型圖

1.2 數(shù)值計(jì)算設(shè)置

隧道數(shù)值模型邊界條件設(shè)置左端為進(jìn)風(fēng)口，右端為出風(fēng)口。模擬實(shí)際公路隧道中的以小汽車為火源，火源功率為3 MW，數(shù)值模擬時(shí)簡(jiǎn)化為3 m的長(zhǎng)方形油盤，離地面高0.5 m，單位面積的熱釋放速率為1 000 kW/m2b,縱向通風(fēng)速度為4 m/s?；鹪礄M向位置分別為Y=0 m、Y=1 m、Y=2 m、Y=3 m、Y=4 m?；鹪粗行牡剿淼辣诘木嚯xD分別為5、4、3、2、1 m。初始環(huán)境溫度為20 ℃，模擬時(shí)間設(shè)置為200 s。研究在這5種工況下隧道內(nèi)頂棚端煙氣流動(dòng)分布以及在1.6 m高處的速度流場(chǎng)矢量分布規(guī)律、煙氣在頂棚沿程溫降規(guī)律。

2 結(jié)果分析

2.1 隧道頂棚煙氣分布

隧道內(nèi)火源的不同橫向位置發(fā)生火災(zāi)后煙氣運(yùn)動(dòng)是不一樣的。當(dāng)燃燒達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，煙氣在隧道頂棚分布呈現(xiàn)一定的規(guī)律。圖2揭示了火源不同橫向位置時(shí)緩坡隧道和水平隧道內(nèi)煙氣達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)流動(dòng)的分布圖，可以看出火源橫向位置在隧道中間時(shí)煙氣的流動(dòng)呈V型對(duì)稱運(yùn)動(dòng)，煙氣與隧道壁碰撞運(yùn)動(dòng)一定距離以后再合成運(yùn)動(dòng)，與隧道壁碰撞再分岔運(yùn)動(dòng)；隨著火源位置與隧道壁距離的減小，煙氣由對(duì)稱運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)為非對(duì)稱運(yùn)動(dòng)，同時(shí)當(dāng)火源位置貼近隧道壁時(shí)，煙氣運(yùn)動(dòng)呈現(xiàn)S型運(yùn)動(dòng)，緩坡隧道煙氣變化較為明顯，在D=3時(shí)就開始變化。這是由于坡度效應(yīng)引起的火風(fēng)壓作用的效果。根據(jù)“鏡像效應(yīng)”，與火源位置位于隧道中部時(shí)煙氣對(duì)稱運(yùn)動(dòng)的一側(cè)相似。

J=3%

J=0

(a)D=5 m

J=3%

J=0

(b)D=4 m

J=3%

J=0

(c)D=3 m

J=3%

J=0

(d)D=2 m

J=3%

J=0

(e)D=1 m

圖2 火源不同橫向位置的煙氣分布圖

2.2 1.6 m高處流場(chǎng)矢量分布

煙氣在隧道中以一定的速度流動(dòng)，研究發(fā)現(xiàn)人體平均身高1.6 m處的溫度流場(chǎng)分布對(duì)人員的逃生具有很大的影響。圖3揭示了火源的不同橫向位置在緩坡隧道和水平隧道中1.6 m高度處煙氣流場(chǎng)速度矢量分布。引起煙氣流場(chǎng)變化的原因有火源與隧道壁側(cè)墻的距離、火源的幾何尺寸、火源在隧道中占據(jù)的幾何空間產(chǎn)生的阻塞效應(yīng)。本數(shù)值模擬時(shí)把火源簡(jiǎn)化成一個(gè)長(zhǎng)方形的油盤，所以流場(chǎng)分析主要考慮火源與隧道壁的側(cè)距?；鹪次挥谒淼罊M向中部時(shí)，坡度隧道煙氣的流場(chǎng)矢量呈現(xiàn)基本對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因?yàn)槠露刃?yīng)的作用，水平隧道流線比較紊亂。隨著火源向隧道壁的靠近，緩坡隧道火源位置一側(cè)的流場(chǎng)趨勢(shì)由正S型變成反S型方向，特別地，當(dāng)火源位置貼近隧道壁時(shí)特別明顯，兩側(cè)流場(chǎng)基本相同。這是因?yàn)榛鹪聪験正向一側(cè)的火羽流與隧道壁碰撞以后，能量損失大，遠(yuǎn)離火源一側(cè)流場(chǎng)與火源位于隧道中心向負(fù)Y方向的流場(chǎng)趨勢(shì)相同；由圖3可知，與水平隧道流線相比，緩坡隧道的流線較優(yōu)。

J=3%

J=0 (a)D=5 m

J=3%

J=0 (b)D=4 m

J=3%

J=0 (c) D=3 m

J=3%

J=0 (d) D=2 m

J=3%

J=0 (e) D=1 m圖3 1.6 m高度處煙氣流場(chǎng)速度矢量圖

由圖3可知，煙氣在50～150 m處煙氣的流動(dòng)變化比較大，靠近火源一側(cè)的流場(chǎng)變化比遠(yuǎn)離火源一側(cè)的隧道壁的煙氣流動(dòng)變化要大，水平隧道變化特別明顯。這是因?yàn)榭拷鹪礋煔鉁囟缺容^高，火羽流與隧道壁發(fā)生碰撞后，損失比較大。

2.3頂棚煙氣沿程溫降分析

在縱向風(fēng)的作用下，火羽流與隧道頂壁撞擊的過程中會(huì)形成中心低溫區(qū)，中心低溫區(qū)引起的溫降大，曲線波動(dòng)幅度大且沒有規(guī)律，研究隧道頂棚沿程溫降規(guī)律過程中，要避開中心低溫區(qū)。根據(jù)模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，該隧道模型火源的不同橫向位置出現(xiàn)的中心低溫區(qū)在80 m處附近，同時(shí)在隧道90 m處開始隧道頂棚的溫度分布達(dá)到穩(wěn)定。為了避開中心低溫區(qū)，選取隧道X= 90 m處作為參考位置。在Origin中得到縱向100～300 m隧道頂棚煙氣溫降分布，對(duì)模擬的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)處理及擬合，可以得到緩坡隧道內(nèi)100～300 m的溫降系數(shù)以及擬合度R。根據(jù)相關(guān)參考文獻(xiàn)可得擬合度R大于0.9認(rèn)為模擬結(jié)果是可以接受的[21]。隧道頂棚煙氣沿程溫降規(guī)律如圖4所示。

J=3%

J=0圖4 火源不同橫向位置隧道頂棚沿程溫度分布規(guī)律

由圖4可知，溫度擬合系數(shù)R都大于0.9，說明擬合結(jié)果是符合要求的。緩坡隧道溫降曲線在不同的火源橫向位置變化比水平隧道變化小。同時(shí)可以看出在緩坡隧道和水平隧道中煙氣的溫降系數(shù)隨著火源與隧道壁距離的減小而增大，表示頂棚中心煙氣的溫降幅度隨著隧道火源與隧道壁距離的減小而增大。這是因?yàn)殡S著火源與隧道壁距離的減小，一側(cè)火羽流與隧道壁接觸的時(shí)間減少，速度更快，碰撞隧道壁后煙氣動(dòng)量損失更大，造成煙氣溫度下降的幅度更大。

2.4 隧道頂棚溫度分布

煙氣在4 m/s的縱向通風(fēng)作用下緩坡隧道和水平隧道內(nèi)頂棚溫度分布規(guī)律如圖5所示。從火區(qū)流出的煙流在縱向通風(fēng)以及火災(zāi)動(dòng)力效應(yīng)的作用條件下，向出風(fēng)口移動(dòng)，隨著時(shí)間的增加，煙流前沿到火區(qū)的距離增大，煙氣區(qū)域范圍不斷擴(kuò)大。坡度隧道增加梯度比水平隧道大，越靠近隧道壁，變化梯度越大且坡度隧道中靠近火源的低溫區(qū)消失時(shí)間比水平隧道早，這是因?yàn)榫徠滤淼罆?huì)產(chǎn)生火風(fēng)壓。由于在運(yùn)動(dòng)過程中，煙流溫度高于隧道內(nèi)其他環(huán)境溫度，煙流不斷與周圍空氣進(jìn)行熱交換，使沿程空氣的溫度升高。煙流熱能減少，溫度下降，隧道周圍的物體不斷接受煙流熱能，溫度隨著時(shí)間的增加而升高，靠近火源的溫升梯度比接近出風(fēng)口的溫升梯度要大。

J=3%

J=0 (a)D=5 m

J=3%

J=0 (b)D=4 m

J=3%

J=0 (c) D=3m

J=3%

J=0 (d) D=2 m

J=3%

J=0 (e) D=1 m圖5 隧道頂棚煙氣溫度分布圖

當(dāng)火源位于隧道橫向中心位置時(shí)，由中心向隧道壁兩側(cè)的溫度分布是中心對(duì)稱的；隨著火源與隧道壁距離的減小，火源附近的中心低溫區(qū)開始發(fā)生偏移，緩坡隧道變化更為明顯，由隧道中心向隧道壁轉(zhuǎn)移；火源靠近隧道壁時(shí)，溫度分布為火源位于隧道中心時(shí)的鏡像一側(cè)，同時(shí)低溫區(qū)的范圍比火源位于隧道橫向中部時(shí)要大，水平隧道低溫區(qū)比緩坡隧道低溫區(qū)大。

3 結(jié)論與討論

通過理論基礎(chǔ)與數(shù)值模擬相結(jié)合的分析方法，本文對(duì)火源不同橫向位置且燃燒已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)的煙氣分布特性進(jìn)行研究，得到緩坡隧道內(nèi)隨著火源與隧道壁距離的減小，頂棚煙氣分布由最初的V型對(duì)稱運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)為非對(duì)稱運(yùn)動(dòng)。特別地，當(dāng)火源貼近隧道壁時(shí)，煙氣運(yùn)動(dòng)為V型的一側(cè)，且呈“S”型；水平隧道1.6 m高處的流線比較紊亂；但是緩坡隧道1.6 m高處速度流場(chǎng)矢量分布隨著火源位置向隧道壁的逐漸靠近，火源一側(cè)縱向隧道內(nèi)縱斷面溫度變化幅度較大，且由火源位置位于隧道中心的正“S”型變?yōu)榛鹪促N近隧道壁的反“S”型。盡管火源橫向位置不同，緩坡隧道和水平隧道內(nèi)頂棚煙氣溫度均是呈指數(shù)型減小的規(guī)律，隨著火源向隧道壁的靠近，溫降系數(shù)增大，表示頂棚中心煙氣溫降幅度隨距離的減小而增大。頂棚煙氣溫度低溫區(qū)隨火源與隧道壁距離的減小而發(fā)生偏移，逐漸向隧道壁靠近，且低溫區(qū)的范圍隨距離的減小而增大，且水平隧道低溫區(qū)增加梯度較坡度隧道大。

本文的研究結(jié)論可以為隧道火災(zāi)的煙氣特性分析提供參考和借鑒。值得注意的是，國內(nèi)外研究證明，實(shí)際的隧道火災(zāi)情況比較復(fù)雜，車輛的運(yùn)行速度、車輛的阻塞效應(yīng)、風(fēng)機(jī)的通風(fēng)速度、火源的幾何尺寸等對(duì)煙氣特性會(huì)產(chǎn)生影響，因此在以后的隧道火災(zāi)煙氣特性分析中，要綜合考慮車輛的運(yùn)行速度、車輛的阻塞效應(yīng)、風(fēng)機(jī)的通風(fēng)速度以及火源的幾何尺寸。此外，公路隧道中的氣象條件對(duì)隧道火災(zāi)的煙氣特性影響還有待進(jìn)一步研究。