火源寬度對公路隧道火災煙氣逆流長度的影響研究

尹海欽

摘要：本文以公路雙車道直線隧道與曲率半徑300m曲線隧道中不同寬度的火源作為研究對象，利用FDS軟件，對在縱向通風1.7m/s情況下兩座隧道中不同寬度火源產(chǎn)生的煙氣進行數(shù)值模擬。結果表明：火源煙氣逆流長度隨著火源寬度的增加而減??；相同火源寬度的情況下，直線隧道的煙氣逆流長度均高于曲線隧道的煙氣逆流長度；隨著火源寬度的增加，曲線隧道的煙氣逆流長度越來越接近直線隧道。研究結果對公路隧道通風排煙設計和規(guī)范制定提供一定的參考。

關鍵詞：公路隧道；煙氣逆流長度；隧道火災

引言

隧道作為公路交通網(wǎng)的重要部分，不僅保障了公路的連貫性，更是對提升運輸效率起到了關鍵作用，因而得到了廣泛的應用。截止2022年底，全國公路隧道已修建24850處，長度共計2678.43萬延米[1]。雖然公路隧道帶來的優(yōu)點較多，但是由于其自身具有縱向狹長，內部較為封閉，通風受限等結構特點[2]，一旦發(fā)生火災，會導致有害高溫氣體迅速蔓延，同時人員和車輛不能及時疏散，最終會造成嚴重的后果。1999年勃朗峰隧道內一輛滿載貨物的卡車突發(fā)火情，隨后火勢迅速擴散并點燃隧道內其他車輛，事故最終造成了41人死亡，36輛汽車被燒毀[3]。因此需要對隧道火災展開研究，提出火災的控制與應對措施。目前為止，主流的隧道火災控制手段都是利用隧道內部原有的通風系統(tǒng)對火災產(chǎn)生的煙氣進行抑制，包括自然排煙和機械排煙，機械排煙又包含橫向、半橫向和縱向排煙[4]?？v向排煙相較于橫向排煙具有成本低、靈活性高等特點，被大多數(shù)隧道設計者采用，因此大量學者對隧道內縱向通風控制火災展開了研究。

以上為主流學者廣泛引用驗證的隧道煙氣逆流研究成果，其研究焦點主要在隧道本身結構對煙氣造成的影響。此外還有一小部分學者圍繞火源形狀對煙氣的影響開展研究，馮凱[8]、于年灝[9]對隧道中一系列長寬不同的火源展開數(shù)值模擬研究，結果表明在隧道結構不變的情況下，火源寬度越寬，抑制煙氣所需的臨界風速就越大；火源長度的變化基本不會造成臨界風速的變化。除了直線隧道，還有相當一部分學者分析了曲線隧道等復雜結構隧道對煙氣造成的影響。徐柳[10]、Zhang[11]等學者指出，曲線隧道不同于直線隧道，彎曲的壁面會對火災產(chǎn)生的熱煙氣造成額外沿程阻力，導致擴散速度減慢。轉彎半徑越小阻力越大，煙氣逆流長度越短。目前為止，尚無學者針對曲線隧道中的不同寬度的火源進行研究，由于新能源車輛種類和隧道數(shù)量的日益增加，隧道發(fā)生火災的情況也在日趨復雜化，因此有必要對此類情況進行研究，為隧道火災通風控制措施提供參考。

一、數(shù)值模擬

（一）物理模型設計

依據(jù)JTG3370.1-2018《公路隧道設計規(guī)范》，本研究對雙車道隧道進行建模，分別建立一條直線隧道和曲率半徑為300m的曲線隧道模型。為方便模擬分析，根據(jù)等效原則，隧道的斷面被設置為矩形，寬9m高6m，壁面厚度為1m，隧道總共長200m，隧道整體模型如圖1所示。

火源熱釋放速率HRR是衡量隧道火災規(guī)模的主要因素，其大小直接反映了火災中煙氣的蔓延速率和溫度分布。在隧道防火設計中，應根據(jù)道路狀況，確定適當?shù)能囕v火災熱釋放率，根據(jù)《城市地下道路工程設計規(guī)范》統(tǒng)計，小汽車的熱釋放速率為3～5MW、巴士為15～20MW、重型車為20～30MW。因此設定火源功率7.5MW來模擬大部分火災發(fā)生的情況。燃料種類設置為庚烷?；鹪粗行奈挥诰嚯x隧道通風入口75m處的中心線。

（三）初始條件與邊界條件設置

本次模擬中環(huán)境溫度與壓強被設置為常溫常壓，湍流模型為大渦模擬。隧道的材料設置為混凝土，密度為2280kg/m3，比熱容為1.04kJ/（kg·K），導熱系數(shù)為1.8W/（m·K）。隧道兩端各有一個開口，隧道縱向通風入口處設置為供給，給隧道提供一個恒定的縱向風速。隧道出口則設為開放，連通外界環(huán)境。

（四）測點設置

隧道中的熱電偶測點設置為隧道頂棚中心線下方0.1m處，沿隧道縱向每1m布置一個，共計200個，如圖2所示。

（五）工況設置

本文將通過改變火源寬度、火源單位面積熱釋放速率和隧道曲率半徑這三個參數(shù)對隧道火災進行數(shù)值模擬，以確定煙氣分布特性。此外我國公路隧道的縱向通風速度普遍為2～4m/s[12]?？紤]到較低的通風速度能夠使火災煙氣發(fā)展更完整，易于觀察并減少誤差，此外為了模擬現(xiàn)實射流風機可能存在的功率損失，遂將通風速度設置為1.7m/s，具體工況設置如表1。

（六）網(wǎng)格設置

二、模擬結果及分析

根據(jù)表1的模擬工況得出的結果如3所示，可以看出在火源長度和火源功率固定的情況下，直線隧道與曲線隧道中煙氣逆流長度都隨著火源寬度的上升和單位熱釋放速率下降而下降，與馮凱、于年灝研究結果一致。

從圖4可以看出，火源寬度越寬，火源單位熱釋放速率越小會導致火源偏轉角顯著增加，火焰向后傾斜，迫使煙氣撞擊頂棚的位置越偏向火源下游，從而使得煙氣逆流距離減少。當火源寬度為2.5m時，直線隧道和曲線隧道火焰形態(tài)有比較明顯的傾斜；而當火源寬度增加至5m時，兩條隧道中的火焰形態(tài)都已經(jīng)嚴重傾斜，基本趨于貼地。在火源寬度相同的情況下，曲線隧道的火焰形態(tài)傾斜要略微低于直線隧道，這是由于曲線隧道中壁面會給通風造成額外的沿程阻力，導致到達火源處的風速降低，從而使得火源形態(tài)的傾斜減小。

其中在火源寬度相同的條件下，直線隧道的煙氣逆流長度均高于曲線隧道中的煙氣逆流長度，這與前人研究得到的趨勢一致，由于曲線隧道的壁面會導致額外的沿程阻力，最終使煙氣逆流距離減少。

但從圖5可以得出，隨著火源寬度的增加和單位熱釋放速率的下降，直線隧道和曲線隧道的煙氣逆流距離差不斷地減小。這是由于曲線隧道的壁面給煙氣的擴散和通風都造成了額外的沿程阻力，當火源寬度較低時，壁面給火源擴散造成的阻礙起主導作用，所以曲線隧道的煙氣逆流距離小于直線隧道；然而隨著火源寬度的增大，由于單位面積熱釋放速率的隨之降低，導致煙氣擴散速率的減慢，此時壁面給火源擴散造成的阻礙就會相應地減少，給通風造成的阻礙就會成為主導，曲線隧道的煙氣逆流長度會逐漸接近直線隧道。因此總體上曲線隧道煙氣逆流長度具有隨著火源寬度的增加而減小的趨勢，但是和直線隧道相比逆流長度仍然較短。

結語

本文通過對直線和曲線隧道中相同熱釋放速率、相同長度、相同縱向通風速度下不同火源寬度、單位面積熱釋放速的火源煙氣逆流長度進行了數(shù)值模擬研究。結果顯示，火源煙氣逆流長度隨著火源寬度的增加以及單位面積熱釋放速率的減小而減??；相同火源寬度和單位面積熱釋放速率的情況下，直線隧道的煙氣逆流長度均高于曲線隧道的煙氣逆流長度；隨著火源寬度的增加和單位熱釋放速率的下降，曲線隧道的煙氣逆流長度越來越接近直線隧道。

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