運動車輛對隧道火災(zāi)頂棚射流溫度分布的影響

劉 斌， 毛 軍， 李桂強， 郗艷紅

(1.北京交通大學(xué) 土木建筑與工程學(xué)院， 北京 100044； 2.深圳市交通公用設(shè)施建設(shè)中心， 廣東 深圳 518040)

在我國的公路、鐵路和城市軌道交通中，建設(shè)有大量的隧道和隧道群.例如，截至2015年底，我國已有公路隧道14 006座，總長12 683.9 km，是世界上隧道工程建設(shè)規(guī)模最大、數(shù)量最多的國家[1].由于隧道空間狹窄，近似于封閉空間，一旦發(fā)生車輛火災(zāi)極易引發(fā)嚴重的后果，如2007年美國洛杉磯洲際公路隧道內(nèi)車輛相撞起火，致3人死亡，10人受傷.因此，隧道火災(zāi)逐漸成為火災(zāi)領(lǐng)域的熱點問題，引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注.

Li等[2]根據(jù)隧道火災(zāi)實驗數(shù)據(jù)，提出了火災(zāi)煙氣最高溫度經(jīng)驗公式，并指出隧道內(nèi)煙氣溫度最高不超過1 350 ℃；Zhong等[3]研究了地鐵隧道內(nèi)地鐵產(chǎn)生的活塞風對煙氣擴散的影響，發(fā)現(xiàn)在活塞風作用下煙氣的分層現(xiàn)象被破壞，更多的煙氣通過樓梯口向地鐵站廳擴散，并指出迂回風道和通風豎井可以明顯減小活塞風幅度；Xi等[4]提出了隧道運動火源的計算方法，建立了火災(zāi)熱釋放速率與列車運行速度的關(guān)系模型，并得到列車攜帶火源運動的合理運行速度；Zhang等[5]利用Fluent重疊網(wǎng)格功能研究了地鐵運行速度和阻塞比對隧道煙氣特性的影響，發(fā)現(xiàn)列車速度相同時，煙氣最高溫度點不隨著阻塞比變化，而當阻塞比相同時，不同列車速度下的最高溫度點也不相同.

在上述研究中，大多數(shù)場景均是隧道中單獨存在一個火源，少數(shù)考慮到隧道內(nèi)存在其他車輛，而且也只是將其他車輛簡化成靜止障礙物，均未考慮運動車輛經(jīng)過火源附近時對火災(zāi)燃燒的影響.因此，本文以公路隧道內(nèi)運動汽車經(jīng)過火源附近的情況為典型研究對象，分析不同車速對頂棚射流溫度分布的影響規(guī)律，深化對隧道火災(zāi)的認識，并為火災(zāi)救援和人員疏散提供一定的參考.

1 數(shù)值模擬方法驗證

與一般的隧道火災(zāi)問題不同，存在運動車輛的隧道火災(zāi)問題不僅涉及火源燃燒，還與車輛的運動過程有關(guān)，進行精確實驗十分困難，故采用數(shù)值模擬的方法進行研究，而且要模擬運動車輛對火災(zāi)的影響需要用到動網(wǎng)格技術(shù).FDS雖然在火災(zāi)動力學(xué)的研究中應(yīng)用廣泛[6-7]，但該軟件不具備動網(wǎng)格功能，無法對運動邊界等問題進行研究.故擬采用Star-cd/ccm+軟件進行模擬計算.

Star-cd/ccm+軟件在復(fù)雜運動邊界和火災(zāi)煙氣蔓延的相關(guān)計算中均得以應(yīng)用，如風障表面的高速列車風致空氣脈動壓力分布[8]，著火運動列車周圍煙氣場的分布特性[9]，秦嶺隧道火災(zāi)溫度場[10]，火災(zāi)煙氣密度跳躍對空氣卷吸的影響[11]等.為保證計算的準確性，參照Zhou等[12]的全尺寸隧道火災(zāi)實驗條件進行了數(shù)值模擬.隧道長600 m、寬14 m、高7 m，火源位于隧道中心，熱釋放速率為1 MW，縱向通風速度為0.9 m/s.火源在中心縱斷面隧道頂部的溫度對比結(jié)果如圖1所示.

圖1表明，計算與實驗的偏差范圍為4%～12%，數(shù)值模擬和實驗數(shù)據(jù)吻合較好，說明本文所用數(shù)值模擬方法的正確性.下面利用Star-cd/ccm+軟件的重疊網(wǎng)格和燃燒模擬功能，研究隧道內(nèi)汽車駛經(jīng)火源附近時對火災(zāi)頂棚射流煙氣溫度分布的影響.

2 運動汽車駛經(jīng)火源附近的數(shù)值模擬過程

2.1 計算模型

依托深圳市某公路隧道建設(shè)工程建立幾何模型，設(shè)定火源和運動車輛.隧道為單向雙車道，長2 000 m，由于實際工程中存在大量矩形隧道，且拱形隧道和馬蹄形隧道可經(jīng)水力直徑等效變換為矩形隧道[13]，因此本文將隧道截面設(shè)為矩形，寬10 m、高7 m.假定轎車著火，位于左車道中心線，距離隧道入口500 m，將其簡化為長3.4 m、寬2.2 m、高1.5 m的長方體火源.在右車道中心線行駛經(jīng)過火源附近的汽車為某型大容量公交電動車，該車長12 m、寬2.55 m、高3.3 m，且根據(jù)制動距離和制動穩(wěn)定性要求，滿載汽車、列車、無軌電車的最大制動距離為10 m，因此，本文將車輛模型與火源的縱向距離設(shè)置為10 m.計算模型如圖2所示.

2.2 模擬工況及邊界條件

由Ingason[14]提出的交通隧道火災(zāi)設(shè)計標準可知，私人轎車的熱釋放速率為5 MW，且在120 s后達到最大值.按此設(shè)置火源，并使運動汽車在火源燃燒130 s后開始分別以5.56(20),8.33(30),11.11(40),13.89(50),16.67(60)和22.22 m/s(80 km/h)等不同的速度經(jīng)過火源.

按非定常流動理論，初始時刻，隧道內(nèi)各處壓力均為一個大氣壓，空氣處于靜止狀態(tài)，環(huán)境溫度為20 ℃.隧道進出口均為壓力出口邊界，相對大氣壓為0，隧道進出口邊界氣流速度為0；地面及隧道壁面均為無滑移壁面.

2.3 網(wǎng)格無關(guān)性驗證

在數(shù)值模擬中，網(wǎng)格尺寸是計算精度和計算耗費時間的關(guān)鍵影響因素.通常來說，網(wǎng)格加密可以提高計算精度，但是，過密的網(wǎng)格又會大大增加計算時間.因此，數(shù)值模擬計算中需要進行網(wǎng)格無關(guān)性驗證，以確定最合適的網(wǎng)格.具體網(wǎng)格尺寸可由特征長度D*計算得到

(1)

其中:Q為熱釋放速率，kW;ρo為空氣密度，kg/m3;cp為空氣比熱容，kJ/(kg·K)；To為環(huán)境溫度，K.

根據(jù)文獻[7]，網(wǎng)格尺寸的范圍為(D*/16)～(D*/4)，5MW火源的網(wǎng)格尺寸處于0.1～0.5 m之間.分別選取0.16，0.32和0.42 m三種尺寸的網(wǎng)格進行驗證計算，得到相應(yīng)的火源正上方隧道頂部的溫度曲線，如圖3所示.

由圖3可知，網(wǎng)格尺寸為0.18和0.36 m得到的溫度變化曲線基本重合，但當網(wǎng)格尺寸為0.42 m的最高溫度要比前兩種情況低，且溫度波動加大.綜合考慮計算精度和計算時間兩方面因素，網(wǎng)格尺寸確定為0.36 m，加密運動汽車和火源附近的網(wǎng)格，且運動汽車周圍的網(wǎng)格分為重疊區(qū)域和背景區(qū)域，如圖4所示.

兩個區(qū)域之間通過線性插值進行數(shù)據(jù)交換，由此實現(xiàn)對運動體的計算.

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

圖5是不同車速下的火源中心正上方隧道頂部煙氣溫度時變曲線.

由圖5可知車輛駛經(jīng)火源附近對火災(zāi)煙氣蔓延的影響程度與其相對于火源的位置有關(guān).隨著時間的推進，運動車輛與火源的相對位置不斷變化，溫度也在不斷變化，汽車運動10 s內(nèi)不同車速下的溫度差異不大，而后溫度差異逐漸增加.因此，該點為運動車輛誘導(dǎo)氣流對火源燃燒作用的轉(zhuǎn)折點，即誘導(dǎo)氣流對火源燃燒的作用逐漸減弱而后趨于穩(wěn)定.據(jù)此，運動車輛對火源燃燒的影響可分為兩個階段：①130～140 s，隨著汽車運動，火源的正上方隧道頂部的煙氣溫度開始下降，而后逐漸上升；②140 s之后，隧道頂部煙氣溫度逐漸趨于穩(wěn)定，且不同車速下的溫度差異明顯.下面重點研究階段①的情況.

表1 不同車速對火源燃燒開始產(chǎn)生影響時的運動時間和距離

由表1可知，不同車速下的運動距離均近似為10 m，即當運動車輛頭部與火源尾部平齊時，運動車輛的誘導(dǎo)氣流開始對火源燃燒產(chǎn)生影響.為了更好對階段①進行研究，選取4個不同的車輛相對于火源的典型位置：①車輛頭部與火源尾部平齊；②車輛尾部與火源頭部平齊；③火源燃燒受車輛運動影響最大，即火源正上方隧道頂部煙氣溫度達到最小值；④運動車輛作用轉(zhuǎn)折點，即車輛運動10 s后.以車速為11.11 m/s的工況為例，具體位置如圖6所示.

3.1 橫向溫度分布

運動車輛在不同位置時，火源中心橫斷面隧道頂部的煙氣溫度分布如圖7所示.

當車輛達到位置①時，煙氣仍主要受熱浮力的影響而垂直向上運動，撞擊到隧道頂棚后，再逐漸向周圍擴散；不同車速下煙氣溫度分布基本相同，最高溫度為625 K，位于火源的正上方，火源兩側(cè)的溫度逐漸降低，不同車速對煙氣運動的影響不大.

當車輛到達位置②時，煙氣溫度隨著車速的增加先減小，再逐漸上升，車速11.11 m/s對應(yīng)的煙氣溫度要比其他車速下的低.這是由于車輛運動產(chǎn)生的誘導(dǎo)氣流不僅可以帶走一部分燃燒產(chǎn)生的熱量，還能增大燃燒物與氧氣的接觸面積，從而使得燃燒產(chǎn)生的熱量增加.在車速為5.56～11.11 m/s的范圍內(nèi)，誘導(dǎo)氣流帶走的熱量要多于增加的熱量，因此，隧道頂部的煙氣溫度隨著車速的增加而減小；但是，當車速超過11.11 m/s時，誘導(dǎo)氣流使燃燒面積增大產(chǎn)生的熱量開始比帶走的熱量增多，從而使得煙氣溫度隨著車速的增加不斷升高.

當車輛位于位置③時，由于運動車輛產(chǎn)生的誘導(dǎo)氣流帶動左車道火源附近的煙氣向右車道運動，且在右車道逐漸聚集，從而使得不同車速下煙氣溫度分布均呈從著火車道到車輛經(jīng)過車道先降后升的變化趨勢，且溫度在車速為5.56 m/s時達到極大值，在車速為11.11 m/s時出現(xiàn)極小值.當車輛運動到位置④時，煙氣溫度的分布規(guī)律與位置①的類似，煙氣溫度在火源上方附近出現(xiàn)極大值，且在車速為11.11 m/s時達到最低.

由上述分析可知，當運動車輛處于位置②和③時，煙氣擴散受到的影響較大，與汽車運動誘導(dǎo)氣流產(chǎn)生的卷吸和渦旋流動有關(guān).圖8給出了這兩個位置的火源中心橫截面煙氣速度矢量圖.

由圖8可知，當車輛處于位置②時，煙氣在車輛誘導(dǎo)氣流作用下，一部分隨著車輛運動被帶走，而另一部分在熱浮力和誘導(dǎo)氣流的作用下，先向上運動，撞擊頂棚后再向周圍擴散；當車輛處于位置③時，隧道右側(cè)產(chǎn)生旋渦，一部分煙氣向左側(cè)隧道壁傾斜，使隧道左側(cè)煙氣濃度升高，而另一部分煙氣在渦流的作用下向隧道右側(cè)運動，使得隧道中部煙氣濃度降低，隧道右側(cè)煙氣濃度逐漸上升，隧道橫向煙氣溫度出現(xiàn)了兩側(cè)高、中間低的結(jié)構(gòu).

3.2 縱向溫度分布

由于運動車輛處于位置②和③時，煙氣擴散受到的影響最大.因此，重點分析運動車輛到達這兩個位置時的隧道頂棚射流的縱向溫度分布.圖9給出了火源中心縱剖面上煙氣溫度縱向分布.

當汽車處于位置②時，最高溫度點向火源下游偏移，且不同車速下的偏移距離大致相同，均為2.5 m；最高溫度值隨著車速的增加呈先減小后增加的規(guī)律，車速為22.22 m/s時達到最大，為606 K， 而車速為 11.11 m/s 時的最低， 為492 K.

當汽車到達位置③時，火源正上方的溫度隨著車速的增加而降低，在車速為5.56 m/s時最大，為416 K；而車速為13.89～22.22 m/s時最低，均為330 K.這是由于運動車輛的誘導(dǎo)氣流對火焰高度有一定的抑制作用，且車速越快、誘導(dǎo)氣流速度越大，對火焰高度的抑制作用也就越大.因此，火源正上方的溫度隨著車速的增加而降低，當車速大于13.89 m/s時，火焰高度達到最低，溫度也達到了最小值，不再隨著車速的增加而發(fā)生變化.在運動汽車誘導(dǎo)氣流的作用下，最高溫度點向火源上游偏移，偏移范圍在15～18 m，且不同車速下的最高溫度值均相同，大小為425 K.

3.3 縱向溫度衰減規(guī)律

由圖9可知，溫度最高點在車輛到達位置③時向火源上游偏移的距離超過15 m，該條件下火源上游的被困人員是最危險的.而且，由于火源附近煙氣濃度較高，溫度衰減較慢；而當超出一定范圍后煙氣濃度減小，溫度衰減加快.因此，隧道上游煙氣溫度衰減范圍可分為兩個區(qū)域，即由最高溫度點起至上游15 m的平穩(wěn)衰減區(qū)域以及15 m以外的快速衰減區(qū)域.由于不同車速下平穩(wěn)衰減區(qū)域的溫度均比較高(最低溫度大于375 K)，因此，主要研究該區(qū)域的縱向溫度衰減規(guī)律.

前人通過實驗和數(shù)值模擬對隧道火災(zāi)縱向溫度分布進行了大量的研究[15-17]，得到了指數(shù)形式的經(jīng)驗公式：

(2)

上述研究均是火源位于隧道中軸線距離隧道側(cè)壁較遠的情況，Ji等[18]考慮了火源靠近隧道側(cè)壁的情形，提出了如下經(jīng)驗公式：

(3)

圖10表明，當車速為5.56～11.11 m/s時，縱向溫度衰減速率隨著車速的增大而逐漸增大；當車速大于11.11 m/s時，縱向溫度衰減速率隨著車速的增大而逐步減小，當車速為11.11 m/s時縱向溫度衰減速率最大.

通過數(shù)據(jù)擬合，發(fā)現(xiàn)無量綱溫度與無量綱距離的關(guān)系與公式(3)的相關(guān)系數(shù)在0.97～0.99之間，其中系數(shù)A，B可參見表2.

表2 縱向溫度衰減擬合曲線的系數(shù)

(4)

式中，v為車輛運動速度(m/s).

由表2的數(shù)據(jù)標出系數(shù)k與無量綱速度v*的6個對應(yīng)點的擬合關(guān)系如圖11所示.

通過數(shù)據(jù)擬合可知

k=0.29+0.30e-2.36(v*-1.65)2.

(5)

因此，不同車速作用下的火源上游縱向溫度衰減關(guān)系可用式(6)表示：

(6)

由以上分析可知，當車速為11.11 m/s即40 km/h時，在不同截面的溫度值最小，且運動汽車在位置③時該速度下上游煙氣縱向衰減速率最大，對上游被困人員的影響最小.

4 結(jié) 論

1) 當運動車輛頭部與火源尾部平齊時，誘導(dǎo)氣流開始對火源燃燒產(chǎn)生影響；不同速度的車輛運動10 s后，誘導(dǎo)氣流對火源燃燒的作用逐漸減弱并趨于平穩(wěn).

2) 當運動車輛頭部超過火源尾部時，誘導(dǎo)氣流對溫度分布產(chǎn)生影響.車速在5.56～11.11 m/s的范圍內(nèi)時，煙氣溫度隨著車速的增加而降低；車速大于13.89 m/s時，煙氣溫度隨著車速的增加而升高；且當車速為11.11 m/s時不同截面的溫度相對最低.

3) 當火源燃燒受車輛運動影響最大時，火源中心橫斷面隧道頂部煙氣溫度呈現(xiàn)出由左向右先降低后升高的結(jié)構(gòu)；而不同車速下火源中心縱剖面隧道頂部煙氣最高溫度點在上游15～18 m范圍內(nèi)偏移，且最高溫度值均為425 K；最高溫度點上游15 m內(nèi)為縱向溫度平穩(wěn)衰減區(qū)，衰減速率隨著車速的增加先加快后逐漸減慢，且車速為11.11 m/s時溫度衰減速率最快.