基于FDS的公路隧道大型客車火災(zāi)數(shù)值模擬及分析

王 蕾,夏永旭,姚 毅,韓興博

(長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064)

0 引言

隨著公共交通事業(yè)的蓬勃發(fā)展，公交車、大客車已成為人們長(zhǎng)短途出行的主要選擇之一[1-3]，與之而來的是，其發(fā)生火災(zāi)的頻率也呈上升趨勢(shì)，并且一旦發(fā)生火災(zāi)，往往會(huì)造成極大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失[4-6]。2011年7月，京珠高速信陽段一輛大客車由于非法攜帶易燃化工品引發(fā)大火，造成41人死亡，6人受傷； 2016年1月，寧夏省銀川市一輛公交車由于人為縱火，造成17人死亡，29人受傷；2016年6月，湖南宜鳳高速一輛滿載56人的旅游巴士碰撞隔離帶后起火燃燒，造成35人死亡，13人受傷；2016年7月，臺(tái)灣省桃園市一輛旅游客車由于機(jī)電設(shè)備走火，車上26人無一生還。通過上述案例，可知大型客車火災(zāi)危害之重大，特別是當(dāng)其發(fā)生在公路隧道這個(gè)相對(duì)封閉的空間環(huán)境中時(shí)，其危害更是成倍增加。因此研究大型客車火災(zāi)，尤其是公路隧道大型客車火災(zāi)的煙霧場(chǎng)和溫度場(chǎng)，對(duì)逃生策略和防災(zāi)預(yù)案的制定具有重大意義。

國(guó)內(nèi)外許多機(jī)構(gòu)和學(xué)者都對(duì)機(jī)動(dòng)車火災(zāi)問題進(jìn)行了研究，并取得了大量成果。其中，以小汽車為火源的研究占絕大多數(shù)。TRUCHOT B[7]等通過燃燒汽油、塑料、輪胎、電纜等取自真實(shí)小汽車的材料，對(duì)汽車火災(zāi)的煙氣毒性進(jìn)行了分析；陳貽來[8-9]以國(guó)內(nèi)外大量小汽車全尺寸火災(zāi)試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為依托，重點(diǎn)分析了小汽車火災(zāi)的燃燒特性和熱釋放率的影響因素；孫旋[10]等在小汽車火災(zāi)實(shí)體燃燒試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，給出了火災(zāi)溫度場(chǎng)的變化曲線。

目前，也有學(xué)者對(duì)大客車、公交車的燃燒進(jìn)行了研究。畢昆[11-12]等通過兩步反應(yīng)機(jī)理的擴(kuò)展混合分?jǐn)?shù)燃燒模型，研究了公交車火災(zāi)的煙氣流溫度和速度的變化規(guī)律，并使用FDS軟件對(duì)火災(zāi)過程進(jìn)行了重構(gòu)；康泉?jiǎng)賉13]等采用數(shù)值模擬方法探討了公交車火災(zāi)的發(fā)展過程和車門開啟狀態(tài)對(duì)人員疏散的影響；王策[14]采用FDS數(shù)值模擬軟件分析了車窗不同開啟位置、門窗開啟時(shí)間和火源位置這3種因素分別對(duì)溫度、能見度和煙氣流動(dòng)的影響。楊秀娟[15]等通過Building Exodus軟件得到了公交車發(fā)生火災(zāi)時(shí)的最佳逃生出口位置；夏永旭[16]等利用FDS軟件對(duì)大巴車在室外的燃燒過程進(jìn)行了研究。但是，這些大型客車的燃燒都是在室外開闊環(huán)境中進(jìn)行的，這與其在隧道中燃燒的特性勢(shì)必存在一定差異。

后續(xù)，也有學(xué)者研究車輛在隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時(shí)的特性。BARI S[17]以柴油燃燒代替汽車火災(zāi)，詳細(xì)研究了車輛燃燒時(shí)的煙霧擴(kuò)散規(guī)律和隧道內(nèi)的污染水平；曹鏐[18]等采用FDS軟件以5 MW恒定火源模擬汽車燃燒，分析了射流風(fēng)機(jī)不同通風(fēng)模式對(duì)隧道火災(zāi)的影響；徐湃[19]等分別以油池火、木垛火及廢棄車輛為火源在足尺寸沉管隧道模型中進(jìn)行火災(zāi)試驗(yàn)，分析了火災(zāi)熱釋放率的影響因素；李浩[20]等以油盤火為火源代替大型貨車火災(zāi)，研究了低壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)在隧道火災(zāi)中抑制火勢(shì)、降低溫度的能力。這些研究中均以其他火源代替真實(shí)車輛的燃燒。

總結(jié)上述研究發(fā)現(xiàn)，目前文獻(xiàn)多以小型汽車為研究對(duì)象，所建立的模型常以其他火源代替復(fù)雜的汽車燃燒過程，且對(duì)于大型客車在隧道中的燃燒鮮有研究。本文擬通過FDS軟件定義大型客車不同部件的燃燒特性，以1∶1的比例進(jìn)行精細(xì)化建模，考慮將大型客車模型置于隧道中，研究其在隧道模型中燃燒時(shí)的煙霧場(chǎng)及溫度場(chǎng)，并與20 MW平方增長(zhǎng)火源進(jìn)行對(duì)比，以期為此類事故的消防減災(zāi)提供一定的參考。

1 理論基礎(chǔ)

目前，常用的火災(zāi)模擬軟件有：SES、FLUENT、CFX、PHOENICS、FDS等，其中SES主要用于鐵路設(shè)計(jì)模擬，F(xiàn)LUENT、PHOENICS和CFX側(cè)重于計(jì)算流體的運(yùn)動(dòng)和分布，多用于隧道通風(fēng)模擬中，F(xiàn)DS在模擬燃燒過程中的煙氣流動(dòng)和傳熱過程時(shí)有著很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，其準(zhǔn)確性經(jīng)過大量試驗(yàn)驗(yàn)證[21-22]，廣泛應(yīng)用于隧道火災(zāi)領(lǐng)域[23-24]，基本控制方程如下：

質(zhì)量守恒方程：

(1)

動(dòng)量守恒方程：

(2)

能量守恒方程：

(3)

狀態(tài)方程：

(4)

其中,ρ為氣體密度；

根據(jù)國(guó)內(nèi)外大量學(xué)者研究成果[25-28]及FDS技術(shù)指導(dǎo)文件可知，當(dāng)網(wǎng)格尺寸d為火源特征直徑D*的0.06～0.12倍時(shí)數(shù)值計(jì)算結(jié)果較為準(zhǔn)確，本文火災(zāi)區(qū)域網(wǎng)格尺寸設(shè)為0.075D*，無火區(qū)域?yàn)?.1D*，火源特征直徑D*計(jì)算如式(5)所示。

(5)

2 模型建立

2.1 大巴車模型

本文以宇通ZK6127H型大客車為原型進(jìn)行建模，其主要參數(shù)如下：尺寸12 000 mm×2 550 mm×3 955 mm，行李艙容積10 m3，座椅44+1，中開車門，密閉式車窗。由于其構(gòu)成復(fù)雜，可燃燒部件眾多，基于技術(shù)和計(jì)算量?jī)纱笤颍诮r(shí)作如下簡(jiǎn)化：忽略車上所有電子設(shè)備；在油箱處設(shè)置溫度傳感器，忽略油箱爆炸問題；只考慮各復(fù)合物部件中的主要材質(zhì)。根據(jù)上述簡(jiǎn)化假定，按最不利情況考慮，行李架上擺滿了行李箱，所建立的模型如圖1所示，其中，各部件模擬材質(zhì)如下：輪胎為橡膠，座椅為聚酯泡沫，椅罩為布織物，車窗為玻璃，行李架、內(nèi)飾、駕駛室均為塑料，行李箱為布織物+塑料，窗簾為滌綸，車體為鋼材，地板為鋼材+橡膠，材質(zhì)屬性見表1。

表1 大型客車主要材料屬性表Table 1 Properties of bus materials材料名稱密度/kg·m-1 比熱容/kJ·(kg·K)-1 導(dǎo)熱系數(shù)/W·(m·K)-1 燃燒熱/kJ·kg-1 橡膠1 2001.700.183.5×104聚酯泡沫601.000.055.0×104布織物1 5401.000.101.7×104玻璃2 5000.791.10—塑料1 5001.500.202.5×104滌綸1 3801.340.102.5×104鋼材7 8500.4645.80—

圖1 大型客車數(shù)值計(jì)算模型圖Figure 1 Numeric model of bus

模型網(wǎng)格的計(jì)算范圍為13 m×4 m×5 m，均勻劃分為26萬個(gè)10 cm×10 cm×10 cm的立體網(wǎng)格。模擬環(huán)境溫度設(shè)置為20 ℃，其余參數(shù)采用默認(rèn)值。由于人為縱火的破壞性較大，數(shù)值模型中的火災(zāi)原因設(shè)定為車輛內(nèi)部的人為縱火，熱釋放速率設(shè)為500 kW/m2。

2.2 公路隧道模型

建立長(zhǎng)度為300 m的雙車道隧道模型，建筑限界寬度為10.75 m，襯砌內(nèi)輪廓凈寬度為11.4 m，客車位于隧道中部的右側(cè)車道，其標(biāo)準(zhǔn)斷面如圖2所示。由于FDS難以生成光滑曲線，所以隧道內(nèi)輪廓的模擬采用了立方體疊加的方式，如圖3、圖4所示。隧道的襯砌材料采用混凝土，其比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)分別設(shè)為1.04 kJ/(kg·K)和1.8 W/(m·K)，厚度為0.5 m，且只考慮火源與襯砌間的能量交換，不考慮內(nèi)部鋼筋和圍巖的影響作用。

網(wǎng)格計(jì)算范圍為11.5 m×300 m×7.2 m，擬采用非均勻網(wǎng)格并且按火源處密集、遠(yuǎn)離火源處稀疏的原則進(jìn)行劃分，網(wǎng)格尺寸見表2，根據(jù)上述原則可將隧道劃分為552 960個(gè)網(wǎng)格。環(huán)境溫度、濕度和重力加速度等參數(shù)與大巴車模型一致。

圖2 兩車道公路隧道標(biāo)準(zhǔn)斷面Figure 2 Standard section of two-lane highway tunnel

圖3 FDS中隧道模型立體效果圖Figure 3 Stereoscopic effect of tunnel model in FDS

圖4 FDS中隧道模型橫斷面圖Figure 4 Cross section of tunnel model in FDS

表2 隧道模型計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格尺寸表Table 2 Mesh size of tunnel model area坐標(biāo)軸長(zhǎng)度/mm網(wǎng)格尺寸/mm網(wǎng)格數(shù)量50012X(寬)11 5002001550051 00011050080Y(長(zhǎng))300 000100130500461 000114Z(高)7 20020036

3 數(shù)值模擬及分析

文獻(xiàn)[29]研究發(fā)現(xiàn)，著火點(diǎn)位于客車后部座椅時(shí)溫度上升最快且易引爆油箱，本文將著火點(diǎn)設(shè)于危害最大的后部座椅，采用FDS軟件對(duì)其在隧道中的燃燒情況進(jìn)行數(shù)值模擬。PIARC和法國(guó)CETU給出的大型客車火災(zāi)熱釋放率為15～20 MW，本文特取相同尺寸的20 MW火災(zāi)為比較工況，分析不同環(huán)境風(fēng)速下FDS客車模型火源與t2增長(zhǎng)火源的差異，具體工況詳見表3。

表3 數(shù)值模擬火災(zāi)工況表Table 3 Simulation of the fire cases工況類型火源環(huán)境風(fēng)速/(m·s-1)一0二FDS大型客車模型1三2四3五0六20 MW火災(zāi)1七2八3

3.1 煙霧場(chǎng)

圖5和圖6分別為工況一和工況五的煙霧擴(kuò)散圖，工況一中火災(zāi)發(fā)生50 s時(shí)開始有濃煙向隧道兩端對(duì)稱蔓延，約200 s時(shí)煙霧布滿整條隧道；工況五中由于火源直接暴露于隧道中，所以煙霧從在火災(zāi)發(fā)生后就開始向隧道兩端擴(kuò)散，50 s時(shí)隧道中間部分約100 m的長(zhǎng)度已布滿煙霧，且其擴(kuò)散速度明顯加快，至100 s時(shí)煙霧已擴(kuò)散至洞口。圖7為不同工況下煙霧擴(kuò)散至上游洞口的時(shí)間，可知，環(huán)境風(fēng)速越大，煙霧蔓延速度越慢，擴(kuò)散至上游洞口所需時(shí)間越長(zhǎng)。此外，20 MW火災(zāi)時(shí)由于缺少車體結(jié)構(gòu)遮擋，煙霧擴(kuò)散速度明顯過快，以該方法進(jìn)行模擬時(shí)，所得逃生救援?dāng)?shù)據(jù)過于保守，而以FDS大客車模型為火源時(shí)更為符合實(shí)際情況。

3.2 熱釋放率

(a) 10 s

(b) 50 s

(c) 100 s

(d) 300 s

(a) 50 s

(b) 100 s

圖7 不同工況下煙霧擴(kuò)散至火源上游洞口所需時(shí)間Figure 7 Time of smoke diffusion to tunnel entrance under different conditions

(6)

其中,χ為考慮非完全燃燒的有效燃燒系數(shù)；ΔHc為材料的燃燒熱。

基于上述原理，F(xiàn)DS軟件可在數(shù)值模擬的同時(shí)自動(dòng)生成熱釋放率曲線，圖8即為20 WM火災(zāi)與FDS燃燒模型的熱釋放率曲線，由圖可知，大型客車火災(zāi)熱釋放率峰值為45 MW，平均熱釋放率為8.1 MW。將20 MW火災(zāi)與FDS客車燃燒模型的熱釋放率曲線進(jìn)行比較，差異明顯較大，分別對(duì)其積分，可得到赫賽爾登模型燃燒總能量為36 GJ，遠(yuǎn)大于模擬實(shí)測(cè)值的14.5 GJ，因此若以恒定火源進(jìn)行火災(zāi)研究，得到的結(jié)果太過保守，將造成一定的資源浪費(fèi)。

圖8 熱釋放率FDS模型實(shí)測(cè)曲線與20MW火災(zāi)曲線Figure 8 Heat release rate curves of 20 MW fire and FDS bus model fire

3.3 溫度場(chǎng)

3.3.1隧道拱頂最高煙氣溫度分析

火災(zāi)煙氣的主要成分為有毒氣體，嚴(yán)重危害人體健康，且由于其具有熱輻射性，當(dāng)煙氣大量聚集于拱頂時(shí)，給隧道結(jié)構(gòu)也帶來了一定的威脅。圖9為不同工況下火源處拱頂位置的溫度變化曲線，由圖可以看出，20 MW火災(zāi)時(shí)，隧道拱頂升溫速度極快，100 s即可接近最高溫度，約為800 ℃；而以FDS大型客車模型為火源，火災(zāi)發(fā)生100 s時(shí)拱頂溫度約為60 ℃，前200 s溫度上升趨勢(shì)較緩，200 s后溫度急速增高，約在270 s時(shí)上升至頂峰，約為1 040 ℃。這是由于剛開始時(shí)，火災(zāi)煙氣被車體結(jié)構(gòu)所阻隔，隨著煙氣濃度的持續(xù)增大，部分煙氣開始從車輛門窗處向上溢散，從而導(dǎo)致拱頂溫度不斷緩慢上升。將不同工況溫度曲線進(jìn)行比較，可以發(fā)現(xiàn)以FDS大型客車模型為火源時(shí)，隨著縱向風(fēng)速的增大，煙氣被吹向下游，隧道拱頂升溫速度也有所減緩；20 MW火災(zāi)時(shí)隨著縱向風(fēng)速的增大，煙氣溫度并沒有明顯變化，其主要原因在于火焰直接接觸到了隧道拱頂。由此可見，以精細(xì)化建模的大型客車為火源更為合理。

圖9 不同工況下火源處隧道拱頂溫度變化圖Figure 9 Temperature variations of tunnel vault at fire source in different cases

3.3.2隧道橫斷面內(nèi)溫度分析

圖10和圖11分別為不同工況下火源處左右兩側(cè)人行道的溫度變化曲線。由圖可知，20 MW火災(zāi)時(shí)兩側(cè)人行道升溫較快，但溫度峰值僅為80 ℃，明顯偏低。而以FDS大型客車模型為火源時(shí)，由于車體結(jié)構(gòu)對(duì)高溫?zé)煔獾淖钃?，左?cè)人行道前200 s溫度基本保持在25 ℃左右，200 s后開始升溫，250 s后溫度急速上升，最高可達(dá)150 ℃；由于右側(cè)人行道更為接近火源，且高溫?zé)煔饪蓮能囬T處溢散，75 s左右溫度就開始上升，最高溫度為160 ℃。

圖10 不同工況下火源處左側(cè)人行道溫度變化圖Figure 10 Temperature variations of left sidewalk at fire source in different cases

圖11 不同工況下火源處右側(cè)人行道溫度變化圖Figure 11 Temperature variations of right sidewalkat fire source in different cases

由于火源設(shè)于右側(cè)車道，所以右側(cè)人行道溫度應(yīng)高于左側(cè)，現(xiàn)分別將工況二和工況六的兩側(cè)人行道溫度進(jìn)行對(duì)比，見圖12和圖13，可以發(fā)現(xiàn)以FDS大型客車模型為火源時(shí)，人行道右側(cè)溫度高于左側(cè)，火源為20 MW火災(zāi)時(shí)結(jié)果卻與一般規(guī)律相反，不太合理。

圖12 工況二中火源處兩側(cè)人行道溫度對(duì)比圖Figure 12 Comparison of sidewalk temperature on two sides of fire source in condition 2

圖13 工況六中火源處兩側(cè)人行道溫度對(duì)比圖Figure 13 Comparison of sidewalk temperature on two sides of fire source in condition 6

通過上述對(duì)比分析可知，采用t2增長(zhǎng)火源時(shí)，由于忽略了材料性能和車體結(jié)構(gòu)的影響，導(dǎo)致對(duì)人行道的溫度變化估值不準(zhǔn)，最高溫度估值偏低，而采用精細(xì)化的大型客車燃燒模型則更為接近實(shí)際工況。

4 結(jié)語

a.建立了精細(xì)化的大型客車火災(zāi)燃燒模型，對(duì)客車部件的主要材料和燃燒特性進(jìn)行了詳細(xì)定義，為后續(xù)汽車火災(zāi)模擬研究提供了借鑒經(jīng)驗(yàn)。

b.20 MW火災(zāi)時(shí)，最高溫度為800 ℃，燃燒釋放能量為36 GJ；FDS大型客車燃燒模型為火源時(shí)，最高溫度為1 040 ℃，燃燒釋放能量為14.5 GJ。

c.FDS大型客車燃燒模型能更真實(shí)地模擬出隧道火災(zāi)場(chǎng)景。平方增長(zhǎng)模型對(duì)煙氣擴(kuò)散速度估值過快，火災(zāi)初期溫度場(chǎng)估計(jì)偏高，且難以模擬出車門一側(cè)溫度較高這一實(shí)際情況。

d.有關(guān)油箱爆炸和車輛內(nèi)飾材料的阻燃影響，將另外進(jìn)行后續(xù)研究。