細水霧和縱向通風耦合作用對隧道火災(zāi)影響的數(shù)值模擬

王亞瓊，李培軍，任 銳，李 勇，宋 曉

(1. 長安大學 公路學院，陜西 西安 710064； 2. 長安大學 陜西省公路橋梁與隧道重點實驗室，陜西 西安 710064)

0 引 言

近年來，我國平均新增公路隧道1 100 km/年，2019年全國公路隧道共增加了1 329處、1 730.5 km[1-2]；特別是長大公路隧道的增長尤為突出。長大隧道空間狹長，半封閉的結(jié)構(gòu)不利于人員逃生[3]，且隧道的防災(zāi)救援是一個多因素的、復雜的系統(tǒng)工程問題[4]。隨著隧道里程的增長和數(shù)量的增多、公民安全意識的不斷提高，隧道運營安全與防災(zāi)救援日漸得到學界的重視。

細水霧作為一種有效的滅火手段，在隧道及城市地鐵火災(zāi)中被廣泛應(yīng)用[5-6]。國內(nèi)外學者對細水霧在隧道滅火中的應(yīng)用進行了相關(guān)研究。陳新文等[7]在云南省芹菜塘1號隧道內(nèi)進行了試驗，研究了細水霧的降溫效果，結(jié)果表明：在通風良好的情況下，開啟低壓細水霧后可有效降低隧道內(nèi)的環(huán)境溫度及火源周圍的CO濃度；李浩等[8]通過試驗得出：當發(fā)生20 MW火災(zāi)時，在細水霧作用下，能保證火災(zāi)救援、人員逃生和隧道結(jié)構(gòu)不受影響；LI Qi等[9]在1:3的隧道模型中進行了試驗，基于火源強度、噴嘴數(shù)量、水壓力及縱向通風風速對細水霧封堵火災(zāi)煙氣擴散和熱量傳播效果的影響進行了分析，結(jié)果表明：火源強度越大、噴嘴數(shù)量越多、水壓力越大，封堵效果越好；王潔等[10]使用FDS軟件研究了基于不同霧化角的隧道火災(zāi)最高煙氣溫度和縱向溫度分布規(guī)律，結(jié)果表明：最高煙氣溫度隨著霧化角的增大而變高；張玉春等[11]采用1：10模型試驗得出：細水霧能有效降低發(fā)生火災(zāi)時隧道上部空間溫度，但對下部較低溫度作用有限；LIANG Qiang等[12]提出了一種同時控制細水霧幕和橫向通風的系統(tǒng)裝置，通過細水霧幕來抑制煙氣擴散，有助于橫向通風系統(tǒng)的排煙過程，并能為人員逃生提供一個安全空間；YANG Peizhong等[13]對盾構(gòu)施工隧道中的水幕系統(tǒng)進行了研究，討論了不同水幕條件下的不同斷面溫度、煙塵濃度和可見度，發(fā)現(xiàn)水幕能阻止部分煙氣向外擴散，并能明顯冷卻煙氣；YANG Yongbin等[14]研究了細水霧粒徑對縱向通風隧道內(nèi)火災(zāi)煙氣的溫度、厚度及CO濃度的影響，結(jié)果表明：粒徑對煙層厚度和溫度分布影響較大，但對CO濃度影響較小。

關(guān)于縱向通風的研究，彭偉等[15]在某省公路隧道內(nèi)進行了全尺寸火災(zāi)模擬試驗，對不同縱向風速下火源上方典型位置的煙氣溫度值進行了測量和分析，結(jié)果表明：試驗數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)非常吻合，可用于今后的工程計算中；曹正卯等[16]在羊鹿山隧道進行了全射流縱向排煙試驗，證明了全射流縱向排煙在該隧道中的可行性；陽東等[17]研究了縱向通風對通道火災(zāi)熱分層和煙顆粒分層特性的影響，得到了當出現(xiàn)K-H流動不穩(wěn)定和熱分層不穩(wěn)定時的臨界條件；徐琳等[18]利用CFD技術(shù)研究了環(huán)境溫度、火災(zāi)熱釋放強度、斷面形狀對臨界風速影響，發(fā)現(xiàn)Kennedy公式并不適用于大型火災(zāi)的臨界風速計算；TAO Haowen等[19]提出了縱向通風隧道內(nèi)火災(zāi)煙氣流上升時間的預(yù)測公式；TANG Fei等[20]研究了洞頂集中機械排煙與縱向通風耦合作用下隧道臨界速度的演變特征，結(jié)果表明：隨著機械排煙流量增加，臨界風速變??；LI Liming等[21]利用前人試驗數(shù)據(jù)結(jié)合理論推導，得出火災(zāi)放熱率與縱向空氣體積流量及火源質(zhì)量損失率的關(guān)系。

學者們主要是針對細水霧或縱向通風進行了研究，但對細水霧和縱向通風耦合的分析尚不深入。作為一種降溫控煙的有力手段，細水霧因其用水量少、無實體水流等優(yōu)點而在隧道及地下工程中被廣泛應(yīng)用；縱向通風是目前應(yīng)用最多的通風方式，因此對細水霧和縱向通風耦合作用的研究顯得非常有必要。筆者以云南省某隧道工程為依托，基于細水霧和縱向通風的耦合作用對隧道火災(zāi)影響進行了數(shù)值模擬。

1 模型建立

1.1 FDS計算原理

綜合考慮計算成本和計算精度，F(xiàn)DS數(shù)值模擬一般采用大渦模擬；大渦模擬過程中需要引入相應(yīng)的湍流模型，其基本思想是通過某種濾波函數(shù)將流場中的運動分成大尺度運動和小尺度運動，對于大尺度量直接解N-S方程，對小尺度量則通過建立亞格子應(yīng)力模型進行模擬[22]。

1)質(zhì)量守恒方程如式(1)：

(1)

式中：ρ為密度，kg/m3；u為速度矢量，m/s。

2)動量守恒方程如式(2)：

(2)

式中：p為內(nèi)部壓力，Pa；f為外部壓力，N；τij為燃料黏性，Pa·s。

3)能量守恒方程如式(3)：

(3)

式中：h為燃燒組分的焓值，kJ/kg；q?為燃料熱釋放率，kW/m3；q為輻射熱量，kW/m2；φ為燃料耗散率，kW/m3。

4)組分方程如式(4)：

(4)

式中：Yi為燃料的第i組分的質(zhì)量分數(shù)；Di為燃料的第i組分的擴散分數(shù)，m2/s；m″為單位體積生成率，kg/(m3·s)。

在細水霧作用下，細水霧液滴與煙氣顆粒相互作用，發(fā)生吸熱、凝聚、沉降等物理反應(yīng)[23-24]。

5)液滴運動方程如式(5)：

(5)

式中：FD為拖拽力產(chǎn)生的加速度分量系數(shù)，1/s；gr為重力加速度，m/s2；ρd、ρ分別為液滴密度、煙氣密度，kg/m3；vd、v分別為液滴速度、煙氣速度，m/s。

FD可由式(6)計算：

(6)

式中：d為液滴粒徑；CD為阻尼系數(shù)；μ為摩擦系數(shù)；Re為雷諾數(shù)。

6)液滴質(zhì)量與能量方程如式(7)、式(8)：

(7)

(8)

1.2 參數(shù)設(shè)置

1.2.1 模型建立與網(wǎng)格劃分

模擬隧道模型長度為150 m，寬和高分別為11、7.1 m。對于網(wǎng)格劃分，D*/δx值應(yīng)在4～16之間，其中：D*表示火源特征尺寸；δx表示網(wǎng)格單元大小。FDS用戶指導手冊中給出的火源特征尺寸D*[25]的計算如式(9)：

(9)

式中：Q為火源熱釋放速率，kW；ρ∞為環(huán)境空氣密度，kg/m3；cp為空氣比熱容，kJ/(kg·K)；T∞為環(huán)境溫度，K；g為重力加速度，m/s2。

經(jīng)計算可知，D*=3.175，δx=0.198～0.794 m。綜合考慮計算結(jié)果精度，筆者采用火源局部網(wǎng)格加密方式，取火源附近網(wǎng)格為(0.3×0.3×0.3)m；距離火源較遠處網(wǎng)格為(0.6×0.6×0.6)m，如圖1。

圖1 網(wǎng)格劃分示意Fig. 1 Grid division diagram

為保證數(shù)值模擬準確性，對網(wǎng)格進行無關(guān)性驗證，分別選取0.5、0.4、0.3、0.2 m網(wǎng)格進行計算，如圖2。

圖2 不同位置的溫度對比Fig. 2 Temperature comparison at different locations

由圖2可知：0.2、 0.3 m處網(wǎng)格的計算結(jié)果十分接近，故采用0.3 m網(wǎng)格進行火源附近溫度計算。

1.2.2 工況設(shè)置

隧道內(nèi)空間狹小，可燃物通常會發(fā)生不充分燃燒，產(chǎn)生大量有毒有害氣體和不完全燃燒產(chǎn)物，燃燒產(chǎn)物會與氣流發(fā)生復雜的相互作用而產(chǎn)生紊流，在細水霧和縱向風共同作用下，會導致隧道內(nèi)空氣流動發(fā)生巨大改變。為研究細水霧和不同風速耦合作用下煙霧蔓延與溫度變化情況，設(shè)置工況如表1。

表1 工況設(shè)置Table 1 Working condition setting

1.2.3 火源與輻射模型

1)火源設(shè)計

火源模型分為穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)。為更好地模擬隧道火災(zāi)發(fā)展狀態(tài)，筆者采用非穩(wěn)態(tài)火源模型(圖1)?；鹪次恢梦挥诰W(wǎng)格加密段的中間位置且位于隧道中心線上，火源采用FDS反應(yīng)庫中的聚氨酯燃燒，為更好地模擬火災(zāi)熱釋放率變化[26]，火源熱釋放率如圖3。

圖3 火源熱釋放率Fig. 3 Heat release rate of fire source

2)輻射模型

輻射模型采用點源輻射模型[27]，如式(10)：

(10)

式中：χr為輻射分數(shù)，χr=0.12～0.16；r為與火源的距離，m。

1.2.4 細水霧噴頭參數(shù)設(shè)計及布置

隧道內(nèi)噴頭布置如圖4。根據(jù)自動噴水滅火系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范的相關(guān)規(guī)定[28]，在隧道中心線上方布置一排噴頭，間距為4 m；噴頭流量為10 L/min，液滴粒徑200 μm。

圖4 縱斷面噴頭布置(單位：m)Fig. 4 Nozzle arrangement on vertical section

1.2.5 邊界條件與測點布置

1)邊界條件

設(shè)置初始環(huán)境壓力為一個標準大氣壓，初始環(huán)境溫度為298 K，隧道出口設(shè)置為自由邊界，即煙氣可自由地出入計算區(qū)域。為更好地模擬火災(zāi)作用下襯砌的換熱，設(shè)置混凝土襯砌厚度為0.5 m，傳導率為1.8 W/(m·K)；比熱容為1.04 kJ/(kg·K)；密度為2 280 kg/m3。

2)測點布置

為了檢測環(huán)境中溫度及可見度變化，在數(shù)值模型中設(shè)置了溫度測點、溫度測面和可見度測面，如圖5。在隧道中心線上設(shè)置了5組溫度測點，分別在火源上方和兩側(cè)，每組測點間距10 m，每組4個測點，分別距離地面1.5、 4、 6、 7 m。

1.3 模型驗證

在現(xiàn)場試驗中，筆者使用K型鎧裝熱電偶用于現(xiàn)場溫度數(shù)據(jù)測試。設(shè)置縱向風速為2 m/s，將數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果進行對比。隧道內(nèi)火源上方7 m處的溫度對比如圖6。由圖6可知：隧道內(nèi)溫度的變化趨勢和溫度值較為接近，說明數(shù)值模擬結(jié)果可靠。

圖6 模擬結(jié)果與試驗結(jié)果對比Fig. 6 Comparison of simulation results and experimental results

2 結(jié)果分析

2.1 溫度變化

2.1.1 火源上方溫度變化

圖7為不同風速時火源上方的溫度變化曲線。由圖7可知：無論是否開啟無細水霧，風速的加快使得火源上方最高溫度大幅下降；細水霧開啟后，由于縱向風的存在，加強了細水霧對火源上方不同位置處的降溫效果。

圖7 不同風速時火源上方溫度變化情況Fig. 7 Temperature changes above the fire source at different wind speeds

無細水霧時，火源上方最高溫度隨風速加快而降低；風速為3 m/s時，隨著火勢的變化，火源上方6 m處的溫度逐漸高于1.5、 4 m處的溫度，之后再逐漸降低，這說明隧道頂部煙氣在回流到火源上方后又被吹向下游。

有細水霧時，不同風速下細水霧降溫效果存在差別。當風速為0 m/s時，細水霧對火源上方溫度降低效果不明顯，但開啟細水霧后溫度波動變大；當風速為1 m/s時，隨著火勢的變化，火源上方1.5 m處的溫度逐漸高于6 m處的，細水霧對1.5 m處降溫效果最為明顯；當風速為2、3 m/s時，細水霧對火源上方6 m處降溫效果較好。

2.1.2 火源下游5 m處溫度變化

圖8為不同風速下火源下游5 m處溫度變化曲線。由圖8可知：當開啟細水霧后，不同風速下的溫度相對無細水霧情況出現(xiàn)明顯降低，但不同風速下開啟細水霧后的效果存在著一定差別。當風速為0、 3 m/s時，開啟細水霧時的溫度即為最高溫度或與最高溫度接近；當風速為1、 2 m/s時，溫度先小幅降低再大幅升高。

圖8 不同縱向風速下火源下游5 m處溫度變化Fig. 8 Temperature changes at 5 m downstream of fire source under different longitudinal wind speeds

無細水霧時，該處不同高度位置的溫度基本呈現(xiàn)出隨風速加快而升高的趨勢，但不同風速下的情況有所區(qū)別。當風速不大于2 m/s時，斷面上溫度呈現(xiàn)出測點越高溫度越高的趨勢；當風速增長至3 m/s時，4 m處的溫度升至最高。

有細水霧時，隨著風速加快，該處溫度總體呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢。當風速為2 m/s時，6 m處的溫度低于無細水霧時，但1.5、 4 m處的溫度高于無細水霧的情況。值得注意的是，無論有無細水霧，縱向風的存在會導致溫度波動變大。

2.1.3 火源下游10 m處溫度變化

圖9為不同風速下火源下游10 m處溫度變化曲線。由圖9可知：開啟細水霧后，溫度短暫下降而后出現(xiàn)小幅波動升高，但不同風速下的總體溫度相對無細水霧情況出現(xiàn)明顯降低。

圖9 不同縱向風速下火源下游10 m處溫度變化Fig. 9 Temperature changes at 10m downstream of fire source under different longitudinal wind speeds

無細水霧時，6 m處的溫度隨著風速的加快而降低； 4 m處的溫度隨風速加快先升高后降低；1.5 m處的溫度隨風速加快而變化不大。

有細水霧時，隨著風速加快，6、 4 m處的溫度先升高后降低，但不同風速下最高溫度相對無細水霧時降低；1.5 m處的溫度僅在較高風速時出現(xiàn)小幅波動和上升。

2.1.4 考慮火焰形態(tài)的細水霧降溫效果分析

圖10為不同風速下火源附近的溫度云圖。雖然不同風速下溫度絕對值不盡相同，但同一風速下的相對溫度分布可以用于表征火焰形態(tài)。

圖10 不同風速下的火源形態(tài)Fig. 10 Fire source morphology under different wind speeds

結(jié)合圖7～圖9來看，無細水霧時，風速對火源上方溫度有著顯著的降溫作用；火源下游5 m處的最高溫度隨著風速加快而升高；火源下游10 m處的最高溫度隨著風速加快而降低。因為在環(huán)境風的作用下，火羽流形態(tài)發(fā)生改變，使得火源下游5 m處溫度升高；而對火源下游10 m處而言，被吹向火源下游的熱量小于被環(huán)境風帶走的熱量，從而使得火源下游10 m處溫度隨風速加快而降低。

開啟細水霧之后，火源上方、下游5 m和下游10 m處的最高溫度均出現(xiàn)下降趨勢，但局部位置處的溫度變化有所差別。對于火源上方，風速為1m/s時，開啟細水霧后使得1.5 m處的溫度出現(xiàn)明顯下降，如圖7(c)、圖7(d)；結(jié)合圖10分析，在細水霧作用下的火焰進一步被壓低和偏向火源下游，從而導致1.5 m處的溫度出現(xiàn)明顯下降。對于火源下游5 m處，風速為2 m/s時，開啟細水霧后使得4、 1.5 m處的溫度出現(xiàn)明顯上升，如圖8(e)、圖8(f)。細水霧有吸熱、黏附、凝聚的作用[23]，其會將煙霧顆粒凝聚并在重力作用下發(fā)生沉降。結(jié)合圖11，在風速作用下，細水霧會使得煙氣發(fā)生降溫并下沉到火源下游5 m附近較低的位置。

此外由圖7～圖9可看出：在縱向風和細水霧共同作用下，能顯著降低隧道內(nèi)的溫度。其中：風速為3 m/s時，在隧道縱向風和細水霧共同作用可以起到最佳控溫效果。

2.2 可見度

當火災(zāi)發(fā)生250 s后，不同工況下的隧道內(nèi)可見度如圖11。無細水霧時，當風速為0，整條隧道內(nèi)上部可見度降到最低，隨著風速加快，隧道內(nèi)煙氣逐漸被控制在火源的一側(cè)；當風速為2.5 m/s，火源上游可見度出現(xiàn)明顯好轉(zhuǎn)；當風速為3 m/s，火源上游煙氣基本上得到控制，無回流煙氣。有細水霧時，低風速下控煙效果不明顯；當風速為2 m/s，火源上游可見度出現(xiàn)明顯好轉(zhuǎn)；當風速為2.5 m/s時，風速完全可控制煙氣不發(fā)生回流，即在有細水霧控制隧道內(nèi)火災(zāi)煙氣的臨界風速變小。

圖11 不同縱向風速下隧道內(nèi)可見度云圖Fig. 11 Visibility nephogram in tunnel under different longitudinal wind speeds

對比圖11(a)、圖11(b)可知：有細水霧時，不同工況下隧道下部可見度較無細水霧時更低。這主要是細水霧將隧道內(nèi)煙氣層帶到了較低位置，從而降低了隧道內(nèi)下部可見度。由于火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣溫度較高，這與2.1.4節(jié)中分析結(jié)果(細水霧把隧道內(nèi)較高處的熱量吸收并帶到了較低處)是一致的。

3 結(jié) 論

筆者對通風條件下隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)情況進行了數(shù)值模擬。設(shè)置環(huán)境風速為0、 1、 2、 3 m/s，在每個風速工況中添加了細水霧，并研究了不同風速和細水霧耦合作用的效果。

1)發(fā)生火災(zāi)時，縱向風將火源上方的熱量帶至火源下游部分區(qū)域，使得火源下游部分區(qū)域溫度升高。具體表現(xiàn)為：無細水霧時，隨著風速加快，火源上、下游10 m處溫度降低，下游5 m處溫度升高。

2)開啟細水霧后，火源上方、下游5 m和下游10 m處的最高溫度均出現(xiàn)下降趨勢，但局部位置處的溫度變化有所差別，主要表現(xiàn)為在縱向風和細水霧共同作用下的火源下游局部溫度升高。

3)風速為2 m/s時，細水霧使得煙氣發(fā)生降溫并下沉到火源下游5 m位置較低處；同時有細水霧時隧道下部可見度小于無細水霧時，說明開啟細水霧后使得隧道頂部煙氣下沉并向火源下游運動。

4)在縱向風和細水霧共同作用下，隧道內(nèi)流場變化趨于復雜，不同工況下的變化規(guī)律有所區(qū)別，且細水霧使得臨界風速變小。但總體而言，當風速為3 m/s時，在縱向風和細水霧共同作用可起到最佳控煙降溫效果。