縱向通風(fēng)作用下隧道火災(zāi)特性實(shí)驗(yàn)研究

趙利宏 方 萍

（1、中國(guó)建筑科學(xué)研究院有限公司建筑防火研究所，北京 100013 2、建研防火科技有限公司，北京 100013）

我國(guó)是目前世界上擁有最長(zhǎng)里程和最大規(guī)模交通隧道的國(guó)家。隨著隧道里程的增加，隧道事故的發(fā)生頻率和數(shù)量也不斷增多，其中火災(zāi)是隧道事故的頭號(hào)殺手。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，隧道火災(zāi)的頻率大約為2 次/億車(chē)·公里，即1km 長(zhǎng)的隧道每4～7 年就會(huì)發(fā)生一次火災(zāi)，而2km 長(zhǎng)的隧發(fā)生火災(zāi)的頻率為2～3 年/次，越是大長(zhǎng)隧道其發(fā)生火災(zāi)的頻率越高。隧道發(fā)生火災(zāi)后的通風(fēng)方式分為縱向通風(fēng)、半橫向通風(fēng)和橫向通風(fēng)，由于縱向通風(fēng)具有需風(fēng)量小、工程費(fèi)用低、維護(hù)成本低等特點(diǎn)，已經(jīng)在我國(guó)隧道通風(fēng)中成為主流形式?？v向通風(fēng)一般利用射流風(fēng)機(jī)的高速氣流形成沿隧道長(zhǎng)度方向的斷面風(fēng)速，阻止火災(zāi)煙氣從著火點(diǎn)位置逆著隧道行車(chē)方向流動(dòng)，從而保障火源上游人員安全疏散。

因此，縱向通風(fēng)的斷面風(fēng)速不宜過(guò)小也不宜過(guò)大，斷面風(fēng)速過(guò)小時(shí)不能阻止煙氣逆流，斷面風(fēng)速過(guò)大時(shí)易造成火源下游煙氣層紊亂，不利于下游車(chē)輛疏散。不同斷面風(fēng)速對(duì)隧道內(nèi)火災(zāi)特性的影響不同，主要表現(xiàn)在煙氣流動(dòng)、火災(zāi)規(guī)模、溫度分布及火源形態(tài)等方面。

針對(duì)隧道火災(zāi)特性問(wèn)題，徐志勝等進(jìn)行了1:9 的隧道縮尺模型實(shí)驗(yàn)，確定了理論模型中的待定系數(shù)，驗(yàn)證了理論模型的可靠性。唐偉等研究了障礙物對(duì)隧道火災(zāi)煙氣最高溫度的影響，指出在縱向通風(fēng)情況下，當(dāng)障礙物在火源上游時(shí)，隨著障礙物與火源之間的距離逐漸變大，煙氣溫度先下降，后趨于一個(gè)穩(wěn)定值。鐘委等采用小尺寸模型模擬地鐵隧道火災(zāi)，研究了不同縱向風(fēng)速和不同火源功率下隧道內(nèi)的煙氣層形態(tài)特征和煙氣溫度分布。胡嘉偉運(yùn)用FDS 軟件對(duì)縱向通風(fēng)作用下隧道火災(zāi)火源下游頂棚溫度、煙氣層縱向傳播及豎直沉降進(jìn)行了模擬研究。

截止目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于隧道火災(zāi)特性研究還處于小尺寸模型實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究階段，大尺寸的隧道火災(zāi)特性仍待進(jìn)一步研究。鑒于此，本文通過(guò)1:4 大尺寸縮尺模型進(jìn)行隧道火災(zāi)實(shí)驗(yàn)，對(duì)不同縱向風(fēng)速下隧道內(nèi)火災(zāi)熱釋放速率、溫度分布及火源形態(tài)進(jìn)行研究，以期為隧道火災(zāi)防治及隧道消防設(shè)計(jì)提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

1.1 幾何模型

本文以某海底隧道為原型，建立了1:4 的縮尺模型，模型隧道長(zhǎng)86 m、寬3.3 m、高1.8 m，為了能夠在隧道外部觀察火災(zāi)燃燒情況，隧道左側(cè)布置了5 個(gè)由8 mm厚耐高溫玻璃組成的觀察窗?？s尺實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D1 所示。

圖1 縮尺實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

1.2 縱向通風(fēng)系統(tǒng)

在長(zhǎng)86 m 的模型隧道中布置兩組射流風(fēng)機(jī)，每組兩臺(tái)，兩組射流風(fēng)機(jī)分別命名為西側(cè)射流風(fēng)機(jī)組和東側(cè)射流風(fēng)機(jī)組。東側(cè)風(fēng)機(jī)組為可移動(dòng)式風(fēng)機(jī)組，可以改變其在隧道中的位置調(diào)節(jié)兩組風(fēng)機(jī)的間距，從而實(shí)現(xiàn)0～4.6 m/s 斷面風(fēng)速的縱向通風(fēng)效果。射流風(fēng)機(jī)縱向布置如圖2 所示。

圖2 射流風(fēng)機(jī)縱向布置圖

1.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)工況設(shè)置

1.3.1 溫度采集系統(tǒng)

沿隧道縱向共布置21 個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，從模型隧道西側(cè)入口開(kāi)始每隔4m 布置一個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，火區(qū)周?chē)鷦t將溫度測(cè)點(diǎn)加密至2m，T1～T8 和T14～T21 為T(mén) 型型熱電偶，T9～T13 為K 型熱電偶。沿隧道垂直方向布置兩個(gè)熱電偶樹(shù)分布在火源上游和下游2m 處，每一個(gè)熱電偶樹(shù)均由8 個(gè)間隔10cm 的T 型熱電偶組成。溫度采集系統(tǒng)如圖3 所示。

圖3 隧道空間溫度測(cè)點(diǎn)布置圖

1.3.2 熱釋放速率測(cè)量系統(tǒng)

本研究采用失重法測(cè)量火災(zāi)熱釋放速率。這種方法是通過(guò)稱(chēng)重設(shè)備測(cè)量燃料在燃燒時(shí)的重量變化，通過(guò)數(shù)據(jù)采集器直接測(cè)定其質(zhì)量隨時(shí)間的變化規(guī)律，并換算為質(zhì)量損失速率，從而計(jì)算熱釋放速率。稱(chēng)重設(shè)備為電子秤，通過(guò)與電腦連接，電腦能夠讀取每秒鐘燃燒物質(zhì)量的變化，從而得出質(zhì)量損失速率，將質(zhì)量損失速率乘上可燃物的熱值就能求出熱釋放速率。

其中，χ-可燃物的燃燒效率；m˙- 質(zhì)量損失速率（kg/s）；ΔHc-可燃物的熱值（kJ/kg）。

對(duì)于混合可燃物的熱值可以采用平均熱值。

其中，Hi-第i 種可燃物的熱值（kJ/kg）；Pi-第i 種可燃物所占比例（%）；n——混合物中可燃物的種類(lèi)。

1.3.3 實(shí)驗(yàn)工況設(shè)置

在模型隧道中采用油池火對(duì)實(shí)體隧道火災(zāi)的火源進(jìn)行模擬，采用相同重量和尺寸的廢舊輪胎作為燃料，正庚烷作為助燃劑，具體的實(shí)驗(yàn)工況設(shè)置如表1 所示。

表1 隧道火災(zāi)實(shí)驗(yàn)工況表

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同縱向風(fēng)速對(duì)隧道溫度場(chǎng)的影響分析

不同縱向風(fēng)速下隧道內(nèi)溫度沿隧道縱向分布曲線如圖4 所示。由圖可知，不同縱向風(fēng)速下隧道內(nèi)拱頂溫度沿隧道縱向分布的規(guī)律基本相同。在點(diǎn)火開(kāi)始，溫度有明顯的升高，這是因?yàn)橐妓玫恼橛土⒓慈紵鶎?dǎo)致的結(jié)果。

圖4 不同風(fēng)速下隧道內(nèi)溫度沿隧道縱向分布曲線

隨著正庚烷的燃盡，輪胎也被引燃，溫度呈現(xiàn)規(guī)律性的先升高后降低。低縱向風(fēng)速條件下（0 m/s、1 m/s），隧道內(nèi)高溫集中分布在近火源區(qū)域，且該區(qū)域溫度隨火災(zāi)不斷發(fā)展逐漸增大，并以火源處為中點(diǎn)近似呈現(xiàn)對(duì)稱(chēng)分布。高縱向風(fēng)速條件下（2 m/s、3 m/s、4 m/s），隧道內(nèi)高溫集中分布在近火源區(qū)域，且向火源下游偏移，隨著風(fēng)速增大高溫區(qū)逐漸朝下游延伸。

圖5 和圖6 分別是不同縱向風(fēng)速下火源正上方溫度分布曲線及火源正上方最高溫度。由圖可知，隨著縱向風(fēng)速的增加火源正上方溫度不斷降低，且縱向風(fēng)速越大，火災(zāi)達(dá)到最高溫度的時(shí)間越短。經(jīng)數(shù)據(jù)分析知，0m/s縱向風(fēng)速下，火災(zāi)發(fā)生828s 時(shí)火源正上方溫度達(dá)到極值1061℃；1m/s 縱向風(fēng)速下，火災(zāi)發(fā)生229s 時(shí)火源正上方溫度達(dá)到極值1012℃；2m/s 縱向風(fēng)速下，火災(zāi)發(fā)生134s時(shí)火源正上方溫度達(dá)到極值257℃；3m/s 縱向風(fēng)速下，火災(zāi)發(fā)生187s 時(shí)火源正上方溫度達(dá)到極值248℃；4m/s 縱向風(fēng)速下，火災(zāi)發(fā)生206s 時(shí)火源正上方溫度達(dá)到極值172℃。

圖5 不同風(fēng)速下火源正上方溫度分布曲線

圖6 不同風(fēng)速下火源正上方處最高溫度

圖7 不同風(fēng)速下火災(zāi)熱釋放速率

圖8 不同風(fēng)速下最大火災(zāi)熱釋放速率

2.2 不同縱向風(fēng)速對(duì)火災(zāi)熱釋放速率的影響分析

不同縱向風(fēng)速下隧道內(nèi)火災(zāi)熱釋放速率如圖7、8所示。由圖7、8 可知，隨著燃燒時(shí)間的不斷增加，熱釋放速率先緩慢增加，而后快速達(dá)到最大值，符合火災(zāi)發(fā)生發(fā)展的一般燃燒規(guī)律，不同縱向風(fēng)速對(duì)火災(zāi)最大熱釋放速率的影響不大。五組實(shí)驗(yàn)工況的最大熱釋放速率值分別為476.8kw、408kw、439kw、414kw、438.4kw，達(dá)到最大熱釋放速率的時(shí)間為326s、286s、316s、316s、336s。

2.3 不同縱向風(fēng)速對(duì)火焰形態(tài)的影響分析

不同縱向風(fēng)速下對(duì)火焰形態(tài)的影響如圖9、圖10 所示。由圖9、10 可知，風(fēng)速為0m/s 時(shí)，在火災(zāi)充分發(fā)展階段其火焰高度為1.7m 左右，火源幾乎不發(fā)生傾斜，有微小偏轉(zhuǎn)是因?yàn)樽匀画h(huán)境風(fēng)的影響；風(fēng)速為1m/s 時(shí)，火災(zāi)充分發(fā)展階段火焰高度為1.65m 左右，火焰發(fā)生明顯傾斜，約為25°左右；風(fēng)速為2m/s 時(shí)，災(zāi)充分發(fā)展階段火焰高度為1.1m，火焰偏轉(zhuǎn)明顯，為55°；風(fēng)速為3m/s 時(shí)，火災(zāi)充分發(fā)展階段火焰高度為1m，火焰傾角為70°；風(fēng)速為4m/s 時(shí)，火災(zāi)充分發(fā)展階段火焰高度為0.6m，火焰傾角為最大，火焰幾乎貼近地面，傾角為78°。

圖9 不同風(fēng)速下火焰高度

圖10 不同風(fēng)速下火焰傾角

3 結(jié)論

3.1 隧道內(nèi)縱向風(fēng)速越大溫度場(chǎng)極值越低，這是因?yàn)楦唢L(fēng)速帶走了大量的熱量，使整個(gè)高溫區(qū)不再積聚在火源周?chē)２煌v向風(fēng)速下，火區(qū)的溫度極值出現(xiàn)的位置不同，當(dāng)速度大于2m/s 時(shí)，溫度極值不再在拱頂下方，而是在火源下游。

3.2 火災(zāi)熱釋放速率是火災(zāi)中可燃物所包含能量釋放強(qiáng)度的表征，決定了火場(chǎng)內(nèi)溫度的高低及產(chǎn)煙量的多少。隧道內(nèi)不同縱向風(fēng)速對(duì)火災(zāi)最大熱釋放速率的影響不大，這是由于隧道設(shè)置縱向通風(fēng)后，雖通風(fēng)會(huì)加快火災(zāi)燃燒速率，但使隧道內(nèi)火災(zāi)燃燒類(lèi)型由通風(fēng)控制型火災(zāi)變?yōu)槿剂峡刂菩突馂?zāi)，火災(zāi)最大熱釋放速率主要又可燃物數(shù)量確定。

3.3 隧道內(nèi)縱向風(fēng)速越大，火焰高度越小，由0m/s時(shí)1.7m 降低到4m/s 時(shí)0.6m，對(duì)火焰上方拱頂?shù)闹苯記_燒作用越小。同樣，隧道內(nèi)縱向風(fēng)速越大，火焰傾角越大，由0m/s 時(shí)0°增大到4m/s 時(shí)78°，對(duì)隧道中下部熱作用越大。因此，不同縱向風(fēng)速下，對(duì)隧道內(nèi)壁的結(jié)構(gòu)防火保護(hù)應(yīng)采取不同的策略方法。