公路隧道受限火源頂棚射流最高溫度分布規(guī)律

李志文 陳榮芳 郭志國(guó)副教授 周令劍講師 譚清嵐

(江西理工大學(xué) 應(yīng)急管理與安全工程學(xué)院,江西 贛州 341000)

0 引言

在隧道火災(zāi)中,頂棚下聚集的高溫?zé)熡鹆魉纬傻臒岱答?對(duì)隧道結(jié)構(gòu)會(huì)造成嚴(yán)重?fù)p壞;此外,其擴(kuò)散方向與人員疏散路徑一致,威脅逃生人員的生命安全[1]。如果火災(zāi)探測(cè)器及時(shí)檢測(cè)到報(bào)警溫度,自動(dòng)報(bào)警,迅速啟動(dòng)其他消防聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng),將能有效避免大型火災(zāi)發(fā)生和控制火災(zāi)蔓延,從而減少損失。因此,掌握公路隧道火災(zāi)頂棚射流的最高溫度分布及其沿隧道縱向的衰減特征,對(duì)于科學(xué)布置探測(cè)器、設(shè)定其參數(shù)及人員疏散具有重要意義。

目前,有許多國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)交通隧道內(nèi)受限火災(zāi)進(jìn)行研究,并取得重要成果。Ji等[2]通過理論分析和2組火源位于縮尺地鐵縱向中心線的實(shí)驗(yàn),提出一種確定天花板下最高純煙氣溫度的簡(jiǎn)化計(jì)算方法;毛軍等[3]對(duì)地鐵隧道列車中部著火情況進(jìn)行研究,推導(dǎo)夾帶火焰的火焰頂棚射流的平均溫度特性經(jīng)驗(yàn)公式;Gao等[4-5]探索火源不同橫向位置和不同豎向高度對(duì)火焰長(zhǎng)度的影響,建立隧道內(nèi)火焰長(zhǎng)度計(jì)算模型;萬華仙[6]開展在隧道縱向中心線對(duì)稱雙火源的燃燒實(shí)驗(yàn),建立頂棚縱向火焰長(zhǎng)度與火源尺寸、間距、火源功率和頂棚高度等參數(shù)的關(guān)系模型;Li等[7]考慮熱釋放率、縱向通風(fēng)速度和隧道幾何形狀,對(duì)天花板下的最高氣體溫度進(jìn)行理論分析;Kashef等[8]在縮尺隧道模型實(shí)驗(yàn)中,以火災(zāi)發(fā)生處為中心分為“火災(zāi)區(qū)”和“非火災(zāi)區(qū)”2個(gè)區(qū)域,研究固定位置火災(zāi)的頂棚溫度分布和煙氣擴(kuò)散規(guī)律并提出對(duì)應(yīng)的預(yù)測(cè)公式。

綜上,前人關(guān)于火源位于隧道縱向中心線的研究頗多,且大多數(shù)主要針對(duì)火焰行為特征及弱羽流頂棚射流。然而在實(shí)際公路隧道火災(zāi)中,發(fā)生火災(zāi)的位置是隨機(jī)的,車輛著火的火源功率往往非常大(大于5 MW)。當(dāng)隧道內(nèi)發(fā)生火源功率較大的火災(zāi)時(shí),火焰容易直接撞擊隧道頂棚,形成火焰頂棚射流,且對(duì)不同近壁距離(即火源靠近側(cè)壁的橫向距離)的火源,固壁邊界對(duì)空氣存在不同程度地卷吸限制,使得頂棚下方的溫度分布呈現(xiàn)不同規(guī)律,前人對(duì)于此類的研究比較缺乏。故本文針對(duì)位于不同近壁距離、不同功率火源的火災(zāi)場(chǎng)景下,隧道天花板的最高溫度分布規(guī)律進(jìn)行研究。該研究有助于彌補(bǔ)和完善經(jīng)典頂棚射流理論在交通隧道等狹長(zhǎng)空間特殊邊界約束耦合作用的不足;可為狹長(zhǎng)空間的火災(zāi)探測(cè)、結(jié)構(gòu)防護(hù)及滅火與排煙系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。

1 理論基礎(chǔ)

1.1 湍流模型的選取

本論文利用火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模擬器(Fire Dynamics Simulator,FDS)對(duì)隧道火災(zāi)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模擬,FDS默認(rèn)運(yùn)行方式是大渦模擬(Large Eddy Simulation,LES)。其中,FDS中采用的湍流模型是修正的Smagorinsky亞格子模型[9],該模型基于一種混合長(zhǎng)度假設(shè),認(rèn)為湍流黏性正比于亞格子的特征長(zhǎng)度△和特征湍流速度。根據(jù)Smagorinsky模型,流體動(dòng)力黏性系數(shù)μ表示為:

(1)

式中:

ρ—密度,kg/m3;

i,j—維數(shù);

Cs—Smagorinsky常數(shù),一般取0.2。

流體的導(dǎo)熱系數(shù)和物質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)分別表示為:

(2)

(3)

式中:

D—熱擴(kuò)散系數(shù),m2/s;

kLES—導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K);

Sc—流體的施密系數(shù);

Pr—普朗系數(shù);

cp—流體定壓比熱。

1.2 煙氣溫度預(yù)測(cè)模型

Kurioka通過小尺寸隧道實(shí)驗(yàn)臺(tái)的實(shí)驗(yàn),嘗試開發(fā)一個(gè)替代的經(jīng)驗(yàn)公式,最高溫度作為熱釋放速率Q的函數(shù)[10]:

(4)

(5)

式中:

Fr—弗雷德數(shù);

Hd—頂棚距火源的高度,m;

g—重力加速度,m/s2;

ρa(bǔ)—環(huán)境密度,kg/m3;

Tmax—最高煙氣溫度,℃;

T0—環(huán)境溫度,℃;

δ,α—常數(shù),值可以根據(jù)下列條件確定:

(6)

Hu等[10]曾通過全尺寸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和FDS流體動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,對(duì)Kurioka等[11]最高煙氣溫度預(yù)測(cè)模型進(jìn)行驗(yàn)證,結(jié)果表明Kurioka等通過小尺寸實(shí)驗(yàn)所建立的模型具有較好的可靠度,可以推廣應(yīng)用到實(shí)際隧道工程中。

1.3 隧道頂棚下最大煙溫經(jīng)驗(yàn)公式

(7)

2 隧道模型

2.1 隧道幾何模型

由于實(shí)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。建立隧道模型為一級(jí)兩車道公路隧道,其尺寸長(zhǎng)度為300m,建筑限界寬度為11.5m,隧道厚度為0.5m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[14]。隧道建筑限界高度:一、二級(jí)公路取5.0m?，F(xiàn)實(shí)中公路隧道的高度一般為7～9m,寬度為10～14m。故在FDS中隧道尺寸為12.5m×8m×300m,為方便定位火源、各溫度探測(cè)器的位置及減少模擬計(jì)算量,取網(wǎng)格邊界與隧道尺寸相同?；馂?zāi)模擬的隧道模型,如圖1。

圖1 FDS模擬隧道模型結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 FDS simulation tunnel model structure diagram

美國(guó)工廠聯(lián)合組織研究中心曾開展一系列的全尺寸火災(zāi)實(shí)驗(yàn)[15],測(cè)量不同高度頂棚的溫度分布。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),頂棚下方自由發(fā)展的軸對(duì)稱煙氣頂棚射流,豎直分布的溫度最大值在頂棚0.01Hd內(nèi),但并不緊貼頂棚壁面?？紤]到頂棚受限,結(jié)合計(jì)算,以下模擬實(shí)驗(yàn)的熱電偶均布在頂棚下方10cm位置處,用以測(cè)量不同火源功率火源上方典型位置的煙氣溫度值。將火源置于隧道縱向中心線上,隧道縱向以中心火源為對(duì)稱點(diǎn),在近火源處中心火源兩側(cè)每隔0.55m設(shè)一個(gè)熱電偶,共40個(gè);在遠(yuǎn)火源(與火源的縱向距離大于5.5m)中心火源兩側(cè)每隔5m設(shè)一個(gè)熱電偶,共36個(gè),即在整個(gè)模擬中共設(shè)76個(gè)熱電偶。

2.2 模擬工況及邊界條件

暫不考慮通風(fēng)帶來的影響,研究火源功率、近壁距離對(duì)頂棚下方最高溫度的縱向分布規(guī)律的影響。將隧道中央到側(cè)壁橫向距離平均取3個(gè)位置點(diǎn)作為實(shí)驗(yàn)中的3種火源位置,即實(shí)驗(yàn)中工況。模擬試驗(yàn)工況設(shè)置中近壁距離為2.75m和0m的火源屬于偏置火源(偏離隧道中央放置的火源),見表1。初始條件與邊界條件,見表2。

表1 火災(zāi)模擬工況設(shè)置Tab.1 Setting of fire simulation conditions

表2 模擬設(shè)置的初始條件和邊界條件Tab.2 Initial conditions and boundary conditions of the simulation

其中,火災(zāi)增長(zhǎng)系數(shù)α=0.0469kW/s2。當(dāng)隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時(shí),火源位置離出口越遠(yuǎn),越不易被發(fā)現(xiàn),人員越難以疏散,即火災(zāi)發(fā)生在隧道中央對(duì)人員的安全疏散最危險(xiǎn)。本文考慮火源設(shè)在隧道最中間位置時(shí)的火災(zāi)發(fā)展情況,火源尺寸0.5m×0.5m×0.5m。每個(gè)模型模擬時(shí)長(zhǎng)均為1000s。

2.3 定義材料和反應(yīng)

根據(jù)JTG 3370.1—2018《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定,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1.04kJ/(kg·k)和1.8W/(m·k),密度為2280.0kg/m3。公路隧道中的火災(zāi)大多數(shù)為油類火災(zāi),如油罐車爆炸,汽車油箱著火等,依據(jù)燃燒源的類型和燃燒特性定義燃燒反應(yīng)為:庚烷燃燒反應(yīng)。

在模擬中,火災(zāi)模擬都沒有燃燒模型,大多數(shù)使用體積熱源對(duì)火災(zāi)進(jìn)行建模,該體積熱源由時(shí)間函數(shù)的熱釋放速率來表示。通常情況下,火災(zāi)發(fā)展到一定階段后,由于受到燃料等限制,火源功率到達(dá)最大值后不再增加,此時(shí)可認(rèn)為火源是從時(shí)間t2火源變成穩(wěn)定火源。為了簡(jiǎn)化模型,本文將火源設(shè)定為穩(wěn)定火源,火源呈正方體,熱釋放速率近似按時(shí)間t2規(guī)律發(fā)展。PIARC和法國(guó)CETU給出的大型客車火災(zāi)熱釋放速率15～20MW,本文將基于t2火災(zāi)增長(zhǎng),采用LES方法建立火源功率為5和20MW的公路隧道火災(zāi),并應(yīng)用于火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模擬器FDS模擬。

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 受限條件下頂棚最高溫度縱向分布規(guī)律

針對(duì)工況1和工況6,在近火源處和遠(yuǎn)火源處,各取3個(gè)熱電偶,分別是火源正上方、28號(hào)、18號(hào)、12號(hào)、06號(hào)及00號(hào)6個(gè)位置處的熱電偶,查看其溫度隨時(shí)間的變化,如圖2。由圖2可以看出,各工況下溫度隨時(shí)間的變化而不斷上升,經(jīng)過一段時(shí)間后,溫度趨于穩(wěn)定,即此時(shí)燃燒已進(jìn)入準(zhǔn)穩(wěn)定階段。

圖2 頂棚下方典型位置溫度變化Fig.2 Temperature changes at typical locations under the ceiling

對(duì)于火源功率為5MW的3個(gè)工況達(dá)到穩(wěn)定燃燒的平均穩(wěn)定時(shí)間約為486s。而火源功率為20MW的工況4、5、6達(dá)到穩(wěn)定燃燒的平均時(shí)間約為736s,通過查看相關(guān)運(yùn)行后的Smokeview軟件,在t=444s時(shí),出現(xiàn)夾帶火焰頂棚射流,之后直到596s,一直為間歇性火焰頂棚射流,t=656s之后,出現(xiàn)持續(xù)的火焰頂棚射流。由此可以看出,火源功率越大,達(dá)到穩(wěn)定燃燒的時(shí)間就越長(zhǎng)。對(duì)相同火源功率的工況取其趨于燃燒穩(wěn)定階段的溫度的平均值作為該工況位置的平均最高溫度,得到頂棚下方平均最高溫度縱向分布規(guī)律,如圖3。

由圖3可知,在火源兩側(cè),沿隧道縱向溫度分布基本對(duì)稱,且每一側(cè)的溫度測(cè)點(diǎn)讀數(shù)呈指數(shù)變化。在遠(yuǎn)火源處最高溫度變化受火源距離影響不明顯,但當(dāng)貼壁距離減小至0m時(shí),在遠(yuǎn)火源處,其平均最高溫度小于其他2個(gè)橫向位置溫度。在近火源處,特別是火源正上方,貼壁火災(zāi)(即當(dāng)火源與隧道側(cè)壁距離為0m時(shí)的火災(zāi))的平均最高溫度明顯大于非貼壁火災(zāi)。也就說明,不論是火焰還是煙氣羽流撞擊頂棚的頂棚射流,對(duì)不接觸側(cè)壁的火源,平均最高溫度幾乎與火災(zāi)位置無關(guān),而對(duì)貼壁火災(zāi),由于固壁邊界限制效應(yīng)明顯增強(qiáng),而火源在貼壁處持續(xù)燃燒,加熱側(cè)壁壁面,此時(shí)側(cè)壁對(duì)火源的熱反饋相應(yīng)增大,故火源正上方天花板的最高溫度顯著增加。

3.2 溫度比值與偏距間存在的分布關(guān)系

頂棚下方徑向蔓延的煙氣隨著火源橫向近壁距離的改變,將受到隧道兩側(cè)壁不同程度的非對(duì)稱卷吸,而不同火源功率的火災(zāi)煙氣撞擊側(cè)壁后所形成的反浮力壁面射流大小也不同。比較2種火源功率下無量綱偏距d/(w/2)改變時(shí),距火源x處頂棚溫升ΔTx與中心火源處頂棚溫升ΔTc比值,如圖4。不同火源功率,貼壁火災(zāi)的無量綱溫升數(shù)據(jù)結(jié)果不同?；鹪丛狡x隧道縱向中心,卷吸受限強(qiáng)度越高,火源功率為5MW的貼壁火災(zāi),不同下游橫截面的溫升值小于非貼壁火源,這是由于其在近火源處,徑向蔓延的煙氣不能到達(dá)兩側(cè)壁,此時(shí)橫向距離起主導(dǎo)作用,煙氣擴(kuò)散到遠(yuǎn)壁面時(shí)損失熱量較多,使得煙氣沿縱向蔓延時(shí),下游的溫升也較小。當(dāng)火源功率增大至20MW時(shí),釋放的熱量增加,反浮力壁面射流量越大,引發(fā)的煙層溫度越高。近火源處,固壁邊界的熱反饋?zhàn)饔妹黠@大于橫向的熱量損失,促使貼壁火災(zāi)上方的最高溫升增加,不同下游位置貼壁火災(zāi)的溫升與其他位置基本持平。而在遠(yuǎn)火源處,與火源功率大小無關(guān),側(cè)壁對(duì)溫升的衰減逐步降低,縱向距離起主導(dǎo)作用。

注:d為火源近壁距離;w為隧道凈寬度圖4 5個(gè)典型縱向距離的偏置火源與中心火源的頂棚溫升比值Fig.4 Ceiling temperature rise ratio of five typical longitudinal distance offset fire sources to central fire sources

4 結(jié)論

(1)火源位于隧道不同橫向位置時(shí),頂棚下方最高溫度隨著火源縱向距離的增加均呈指數(shù)形式衰減。

(2)隨著偏置火源到側(cè)壁距離的減小,頂棚下的最高溫升不斷升高。貼壁火災(zāi)正上方的頂棚射流最高溫度明顯高于非貼壁的。

(3)火源功率越大的偏置火源,受側(cè)壁熱反饋?zhàn)饔幂^橫向距離上溫度的削弱越大;縱向距離對(duì)遠(yuǎn)火源處溫升起主導(dǎo)作用。