縱向通風(fēng)下障礙物對(duì)隧道火災(zāi)燃燒速率的影響研究

張波 陳麗霞 馬雋湫 賈天耀 李海航

摘要：采用模型隧道實(shí)驗(yàn)的方法，研究不同縱向通風(fēng)速度和障礙物距離下池火燃燒速率的變化規(guī)律。結(jié)果表明，在縱向通風(fēng)的條件下，障礙物的距離為5cm時(shí)池火的燃燒速率最高。在障礙物距離一定時(shí)，池火的燃燒速率隨縱向通風(fēng)速度增加而增加。障礙物距離在一定范圍內(nèi)，池火的燃燒速率高于無(wú)障礙物的情況，而障礙物距離超出一定范圍時(shí)，池火燃燒速率與無(wú)障礙物的情況相差不大。障礙物的存在對(duì)池火燃燒速率的影響主要?dú)w因于側(cè)壁輻射效應(yīng)和氣流場(chǎng)的變化?？v向通風(fēng)對(duì)池火燃燒的影響更為明顯。當(dāng)障礙物距離改變時(shí)，氣流場(chǎng)會(huì)改變火焰的傾斜方向，進(jìn)而改變側(cè)壁輻射效應(yīng)。這些發(fā)現(xiàn)對(duì)于深入理解隧道火災(zāi)特性、優(yōu)化消防安全設(shè)計(jì)以及制定有效的火災(zāi)防控措施具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：縱向通風(fēng)；燃燒速率；障礙物；輻射效應(yīng)

中圖分類號(hào)：D631.6? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ?文章編號(hào)：2096-1227（2023）12-0008-03

在實(shí)際情況下，火災(zāi)發(fā)生時(shí)隧道內(nèi)部可能存在車輛和貨物等障礙物，占據(jù)隧道橫截面較大的面積比例，障礙物會(huì)對(duì)隧道內(nèi)部溫度分布、煙氣流動(dòng)等火場(chǎng)參數(shù)產(chǎn)生影響。近年來(lái)，有些研究者開始探究障礙物對(duì)隧道火災(zāi)的影響，其中阻塞比（障礙物橫向面積占據(jù)隧道橫截面的比例）是研究的關(guān)鍵參數(shù)。

黃有波等人[1]通過(guò)數(shù)值模擬研究了隧道阻塞比對(duì)臨界風(fēng)速的影響，發(fā)現(xiàn)臨界風(fēng)速隨著阻塞比的增加而減小，且當(dāng)阻塞比達(dá)到一定值時(shí)，臨界風(fēng)速不再減小。王君等人[2-3]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，得出了與黃有波等人類似的結(jié)論。Tang等人[4]發(fā)現(xiàn)煙層厚度更受縱向通風(fēng)的影響，隨著風(fēng)速增加而增大；存在車輛堵塞時(shí)的煙氣層厚度小于不存在車輛堵塞時(shí)的煙層厚度。關(guān)于隧道阻塞對(duì)臨界風(fēng)速和煙氣層厚度的影響，丹麥理工大學(xué)[5]也得出了相似的結(jié)論。范夢(mèng)琳等人[6]采用數(shù)值模擬研究了阻塞對(duì)煙氣溫度及逆流長(zhǎng)度的影響，發(fā)現(xiàn)存在障礙物的情況下煙氣逆流長(zhǎng)度隨著火源高度的升高而減小。

目前的研究主要探究的是阻塞對(duì)煙氣運(yùn)動(dòng)和臨界風(fēng)速的影響，而缺乏障礙物對(duì)火源燃燒特性影響的研究。有障礙物的情況下，隧道內(nèi)的氣流場(chǎng)與無(wú)障礙物的情況不同。障礙物會(huì)影響流場(chǎng)，而流場(chǎng)將直接影響火源的燃燒特性。因此，本文將對(duì)障礙物影響火源燃燒展開重點(diǎn)探究。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1? 模型隧道和障礙物

弗勞德相似準(zhǔn)則被廣泛地用于研究火災(zāi)的流動(dòng)與傳熱問(wèn)題[7-8]。本文根據(jù)弗勞德相似準(zhǔn)則，設(shè)計(jì)隧道模型、障礙物。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)搭建了一個(gè)根據(jù)實(shí)際隧道以1：15的比例縮小的隧道模型。如圖1所示，隧道模型尺寸為0.4m（高）×0.4m（寬）×6m（長(zhǎng)）。隧道頂棚、底面和后側(cè)側(cè)壁采用0.01m厚的玻鎂板制成，前側(cè)側(cè)壁采用透明防火玻璃。在隧道左側(cè)安裝了一臺(tái)可調(diào)速風(fēng)機(jī)，并通過(guò)金屬網(wǎng)整流使得隧道內(nèi)的流速均勻。障礙物則根據(jù)實(shí)際車輛縮小，尺寸為0.1m（高）×0.1m（寬）×0.25m（長(zhǎng)），采用0.01m厚的玻鎂板拼接而成，具有較強(qiáng)的耐火性，可以有效阻礙隧道內(nèi)風(fēng)速的流動(dòng)，起到模擬效果。

1.2? 實(shí)驗(yàn)工況參數(shù)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)研究的內(nèi)容為不同縱向通風(fēng)風(fēng)速下、改變障礙物與火源之間的距離，池火燃燒速率的變化規(guī)律。為了模擬實(shí)際隧道火災(zāi)中車輛起火的情況，根據(jù)隧道比例采用12cm油盆進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)組別見(jiàn)表1，采用乙醇作為燃料。調(diào)節(jié)縱向風(fēng)機(jī)頻率，使得隧道內(nèi)的風(fēng)速范圍為0～0.6m/s。調(diào)整障礙物與火源之間的距離范圍為5～60cm，并同時(shí)設(shè)計(jì)無(wú)障礙物的情況。在不同的工況下進(jìn)行池火燃燒實(shí)驗(yàn)，通過(guò)天平記錄質(zhì)量損失速率。

2 結(jié)果與討論

2.1? 縱向通風(fēng)條件下燃燒速率的變化

在縱向通風(fēng)條件下，隧道內(nèi)池火的燃燒速率隨障礙物距離變化見(jiàn)圖2。

從圖2可知，由于實(shí)驗(yàn)使用的是導(dǎo)熱系數(shù)較高的鐵質(zhì)油盆，在水平隧道內(nèi)不存在障礙物的情況下，池火的燃燒速率依舊隨著風(fēng)速的增大而遞增，與之前的結(jié)論相似。

在障礙物存在的情況下，不同障礙物距離下的池火燃燒速率變化趨勢(shì)基本相同。根據(jù)燃燒速率的變化趨勢(shì)，與無(wú)障礙物的情況下相比，可將其分為陡增和下降兩個(gè)階段。

2.1.1? 陡增階段

在縱向通風(fēng)情況下，當(dāng)障礙物的距離為5cm（障礙物近乎貼近油盆）時(shí)，與無(wú)障礙物的情況相比，池火的燃燒速率陡增，因?yàn)樵谡系K物貼近油盆時(shí)，火焰附著于障礙物，鐵質(zhì)油盆吸收了更多的來(lái)自壁面（障礙物）的熱輻射，增加了熱反饋，進(jìn)而增加了池火的燃燒速率。這種現(xiàn)象在Ji等人[9]的研究中稱為側(cè)壁輻射效應(yīng)，與Fan等人[10]研究池火靠近側(cè)壁燃燒的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相似。

2.1.2? 下降階段

池火的燃燒速率在障礙物距離油盆5～60cm時(shí)處于下降段，主要是因?yàn)殡S著距離的增加，側(cè)壁輻射效應(yīng)減弱，進(jìn)而降低了池火的燃燒速率。

隨著障礙物距離的增加，池火的燃燒速率整體均高于無(wú)障礙物的情況，這是因?yàn)檎系K物的存在影響了隧道內(nèi)的空氣流場(chǎng)。根據(jù)陳長(zhǎng)坤等人[11]的研究發(fā)現(xiàn)，障礙物位于上游時(shí)，通過(guò)障礙物的紊亂氣流直接作用于燃燒區(qū)域，在火源與障礙物之間形成了氣流旋渦和回流，氣流加速了油盆內(nèi)燃料的蒸發(fā)，進(jìn)而促進(jìn)了池火的燃燒。

圖3顯示了縱向通風(fēng)風(fēng)速為0.6m/s時(shí)池火燃燒速率的變化?？梢钥闯觯?dāng)障礙物與火源之間的距離大于60cm時(shí)，池火燃燒速率的下降趨勢(shì)大幅度放緩，逐漸接近無(wú)障礙物的情況，這主要是因?yàn)楫?dāng)距離過(guò)大時(shí)，障礙物與火源之間形成的氣流旋渦和回流基本無(wú)法影響到池火的燃燒，燃燒區(qū)域的氣流近乎水平，所以燃燒速率與無(wú)障礙物情況下近乎相同。

2.2? 無(wú)風(fēng)條件下燃燒速率的變化

如圖4所示，在無(wú)風(fēng)的情況下，池火的燃燒速率幾乎不受障礙物與池火距離的影響，僅在障礙物的距離為5cm（障礙物近乎貼近油盆）的情況下略微增長(zhǎng)，而在此種工況下，火焰附著障礙物的情況并不明顯。由此可以得出，側(cè)壁輻射效應(yīng)在縱向通風(fēng)的情況下更為明顯，因?yàn)檎系K物的存在而在火源與障礙物之間形成的氣流旋渦和回流，使得火焰向障礙物傾斜，導(dǎo)致了側(cè)壁輻射效應(yīng)的增強(qiáng)，進(jìn)而增加了池火的燃燒速率。

3 結(jié)論

本研究在隧道內(nèi)通過(guò)改變縱向通風(fēng)風(fēng)速和障礙物與火源之間的距離，采用乙醇作為燃料，記錄并計(jì)算了不同工況下池火的燃燒速率，揭示了水平隧道內(nèi)障礙物的存在對(duì)池火燃燒的影響。得到以下結(jié)論：

與無(wú)障礙物存在的情況下相比，障礙物的距離為5cm（障礙物近乎貼近油盆）時(shí)池火的燃燒速率陡增，隨著障礙物距離的增加，池火的燃燒速率呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。

在障礙物存在的情況下，池火燃燒速率的變化主要?dú)w因于側(cè)壁輻射效應(yīng)和氣流場(chǎng)的變化，氣流場(chǎng)改變了火焰的傾斜方向，進(jìn)而改變了側(cè)壁輻射效應(yīng)。所以縱向通風(fēng)對(duì)池火燃燒的影響更為明顯。

池火的燃燒速率在障礙物距離為5～60cm時(shí)迅速降低，當(dāng)障礙物距離大于60cm時(shí)，池火的燃燒速率幾乎不再降低。

參考文獻(xiàn)：

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Influence of obstacles on the burning rate of tunnel fire under longitudinal ventilation

Zhang Bo1， Chen Lixia2， Ma Junqiu2， Jia Tianyao2， Li Haihang3

（1. Hangzhou Metro Group Co.， Ltd.， Zhejiang Hangzhou 310000; 2. Zhejiang Academy of Emergency Management Sciences， Zhejiang Hangzhou 310000; 3. School of Quality and Safety Engineering， China Jiliang University， Zhejiang Hangzhou 310018）

AbstraCt： Using the method of model tunnel experiment， the change law of pool fire burning rate under different longitudinal ventilation speeds and obstacle distances is studied. The results show that under the condition of longitudinal ventilation， the burning rate of pool fire is the highest when the distance of obstacles is 5 cm. When the obstacle distance is constant， the burning rate of pool fire increases with the increase of longitudinal ventilation speed. When the obstacle distance is within a certain range， the burning rate of pool fire is higher than that of unobstructed objects. When the obstacle distance exceeds a certain range， the burning rate of pool fire is not much different from that of unobstructed objects. The influence of the existence of obstacles on the burning rate of pool fire is mainly attributed to the side wall radiation effect and the change of airflow field. The influence of longitudinal ventilation on pool fire combustion is more obvious. When the obstacle distance changes， the airflow field will change the inclination direction of the flame， and then change the side wall radiation effect. These findings have certain guiding significance for in-depth understanding of tunnel fire characteristics， optimizing fire safety design and formulating effective fire prevention and control measures.

Keywords： longitudinal ventilation; burning rate; obstacle; radiation effect