鐘　委，端木維可，李華琳，梁天水

(1.鄭州大學 化工與能源學院，河南 鄭州　450001；2.中國建筑科學研究院 建筑安全與環(huán)境國家重點實驗室，北京　100013)

若地鐵隧道內(nèi)發(fā)生火災事故，將造成大量的財產(chǎn)損失甚至人員傷亡[1-5]。統(tǒng)計結果表明，火災中超過85%的人員傷亡都是由煙氣導致的[6-8]。隧道的縱向通風常被用于隧道火災煙氣的控制，即通過向隧道提供縱向風來阻止火災煙氣逆流的產(chǎn)生，為人員疏散提供逃生環(huán)境[9-11]。阻止火災煙氣逆流產(chǎn)生的最小縱向風速稱為臨界風速，它是縱向通風方式的一個重要參數(shù)[12-13]。但縱向風速也不宜過大，因為過大的縱向風速將會影響煙氣層的穩(wěn)定性[14]。

關于縱向風速問題，陽東等[15]通過小尺寸模型試驗發(fā)現(xiàn)，較大縱向風速會加強煙氣與冷空氣的摻混，導致熱分層界面不再明顯，煙顆粒層顯著變化，煙氣層失穩(wěn)。李開源[16]采用FDS(Fire Dynamics Simulator, 火災動力學模擬軟件)研究隧道火災煙氣層失穩(wěn)后的流場，認為當縱向風速過大時，下游煙氣層不再是一個整體，而是分成兩部分沿著隧道側(cè)壁流動，并將此現(xiàn)象定義為煙氣分岔流動。鐘委[17]采用數(shù)值模擬方法研究分岔現(xiàn)象機理，發(fā)現(xiàn)煙氣分岔流動的發(fā)生主要取決于慣性力和浮力的共同作用，縱向風會加劇煙氣與空氣的摻混，減弱了頂棚射流撞擊側(cè)壁后反向流動的驅(qū)動力，從而導致了分岔流動現(xiàn)象的產(chǎn)生。這些研究主要采用數(shù)值模擬的方式，相關試驗研究尚未見報道。

Richardson數(shù)(Ri)常被用于研究熱煙氣和冷空氣分層穩(wěn)定性，表示密度分布的穩(wěn)定作用與因速度剪切引起的失穩(wěn)作用的比值。P.H.E.等人[18]研究了長走廊內(nèi)熱煙氣與冷空氣的分層特性，發(fā)現(xiàn)當Ri>0.5時，分層結構才能得以維持。陽東等[19]通過小尺寸模型試驗發(fā)現(xiàn)：當Ri>0.9時，煙氣層可以保持穩(wěn)定結構；當0.3

因此，本文通過小尺寸模型地鐵隧道火災試驗，對不同縱向風速和不同火源功率下隧道內(nèi)的煙氣流動特征、煙氣溫度分布進行研究，驗證隧道火災煙氣分岔流動的機理，分析煙氣分岔流動臨界風速和臨界Richardson數(shù)的變化規(guī)律；通過數(shù)值模擬煙氣分岔流動臨界風速和臨界Richardson數(shù)，驗證小尺寸模型試驗的結果，為地鐵隧道火災排煙設計提供理論依據(jù)。

1　小尺寸模型試驗的設計和數(shù)值模型的建立

1.1　小尺寸模型試驗設計

隧道模型以某矩形斷面地鐵隧道為原型，按照1∶10的相似比例尺設計試驗模型。試驗模型包括試驗段、風機和連接段3部分，總長9.8 m，其中試驗段的長×寬×高為8.0 m×1.0 m×0.5 m。設計的試驗臺如圖1所示。

圖1　試驗臺實體圖

試驗段兩端均保持開啟狀態(tài)。試驗段的頂棚、底板和一側(cè)側(cè)壁均采用6 mm厚的防火板，另一側(cè)側(cè)壁采用8 mm厚的防火玻璃，以便觀察試驗過程中煙氣流動形態(tài)等試驗現(xiàn)象。

風機位于試驗段右側(cè)，為試驗段提供縱向風。在試驗中可以通過改變無級變速器的頻率以調(diào)節(jié)風機的送風量，進而控制隧道內(nèi)的風速大小。

在風機與試驗段之間的連接段，利用多個3 mm孔徑的鐵絲網(wǎng)對縱向風進行整流，以提供均勻穩(wěn)定的縱向風。試驗中縱向風速在0～1.5 m·s-1之間連續(xù)可調(diào)。

采用電子天平記錄燃料質(zhì)量隨時間的變化，其最大量程為8 kg，精確度為0.01 g，采樣頻率為1 Hz。試驗段內(nèi)縱向風速的測量采用熱線風速儀，其測量范圍為0.1～30.0 m·s-1，精確度為0.01 m·s-1，采樣頻率為1 Hz。

將片光源置于煙氣下游出口處，采用激光片光源來顯示流場，從而清楚地觀察隧道中心煙氣層的厚度和分層狀態(tài)，并利用攝像機進行實時記錄。

火源采用純度為99%的工業(yè)酒精作為燃料，由于酒精燃燒的產(chǎn)物無色透明，因此在火源附近添加示蹤煙氣，以便觀察煙氣的運動狀態(tài)。火源中心點位于試驗段縱向軸線上，距縱向風入口2.5 m處。油盤采用2 mm厚鋼板制成，選用0.06，0.08，0.10，0.12，0.14，0.16 m等共6種尺寸的方形油盤，油盤內(nèi)燃料初始高度均為0.01 m。由此共組成6種試驗工況，見表1。

表1　試驗工況

采用直徑為1 mm的K型熱電偶進行溫度測量。在頂棚下方7.5 mm處，沿試驗段的縱向方向布置2串熱電偶。熱電偶串1位于試驗段中心線處，熱電偶串2位于距側(cè)壁0.05 m處。熱電偶串1共有20個測點，從縱向風入口右側(cè)1.5 m處布置到7.0 m處，編號依次為T1—T20，其中T1—T17測點之間的間隔為0.25 m，T17—T20號測點的間隔為0.50 m。熱電偶串2的測點從火源開始沿試驗段水平方向布置，編號從左向右依次為T21—T36，其中T21—T33測點的間隔為0.25 m，T33—T36號測點的間隔為0.50 m。

在試驗段中部，火源下游1，2，3，4 m處共布置了4串豎向熱電偶，每串由7個測點組成，最頂端測點距離頂棚0.05 m，各相鄰測點的間隔為0.05 m。測點布置如圖2所示。

圖2　試驗臺示意圖(單位：m)

1.2　數(shù)值模型的建立

為了驗證小尺寸模型試驗所得煙氣分岔流動臨界風速和臨界Richardson數(shù)變化規(guī)律的合理性，選用5.5.3版本的FDS場模擬軟件對相同場景下火災煙氣分岔流動現(xiàn)象進行數(shù)值模擬。

模擬隧道的長×寬×高為200 m×10 m×5 m，建立的模型如圖3所示?；鹪次恢镁嗫v向風入口水平距離50 m，以煤油為燃料，火源功率分別與小尺寸實驗模型火源功率折算后的實際功率相同。通過改變縱向風速設置，來獲取不同工況下的臨界風速。環(huán)境溫度設定為20 ℃，模擬時間為100 s。

圖3　FDS模型圖(單位：m)

在FDS數(shù)值模擬中，網(wǎng)格尺寸是關鍵因素之一。通過對網(wǎng)格獨立性研究發(fā)現(xiàn)，在本文場景下，在網(wǎng)格尺寸為0.167，0.125和0.100 m時模擬結果較好，并且僅有輕微的不同；當網(wǎng)格尺寸小于0.167 m時，對模擬結果精度沒有明顯的提高，但要消耗更多的時間[17]；但是，火源附近的網(wǎng)格尺寸應較小。因此，在火源附近，即從火源上游距火源中心5 m處至下游距火源中心35 m處，網(wǎng)格尺寸取0.083 m，其余地方網(wǎng)格尺寸取0.167 m，由此劃分的數(shù)值模型網(wǎng)格圖如圖4所示。

圖4　數(shù)值模型的網(wǎng)格圖

2　試驗結果與討論

2.1　煙氣層形態(tài)

試驗中逐漸增大縱向風速，觀察煙氣分岔流動現(xiàn)象出現(xiàn)前后的煙氣流動。6種工況下的煙氣層隨縱向風速增加的變化趨勢基本相同，這里以工況2為例對試驗結果進行分析。圖5為工況2下不同風速時煙氣層典型的變化過程。從圖5可以看出：當隧道內(nèi)無風時，隧道內(nèi)上部煙氣層與下部冷空氣層保持穩(wěn)定分層結構，如圖5(a)所示；隨著縱向風速的逐漸增大，首先煙氣層顯著變厚，如圖5(b)所示；接著羽流撞擊區(qū)向下游移動，而后煙氣層產(chǎn)生向上的凹陷，凹陷區(qū)煙氣減少，凹陷下游煙氣層變厚，如圖5(c)所示；然后煙氣回流逐漸消失，由于沒有回流煙氣的補充，凹陷區(qū)基本沒有煙氣存在，此時煙氣層發(fā)生分岔流動現(xiàn)象，如圖5(d)所示；最后凹陷范圍加大，如圖5(e)所示。

圖5　工況2下不同縱向風速時煙氣層典型的變化過程

2.2　隧道頂棚下方溫度沿隧道縱向的分布

工況2下不同縱向風速時隧道頂棚中心煙氣溫度與側(cè)壁煙氣溫度的對比如圖6所示，圖中橫坐標上的負和正分別代表測點位于火源的上游和下游。

頂棚中心煙氣溫度最高處可認為就是羽流撞擊區(qū)的中心，因此可通過溫度的驟升判斷羽流撞擊區(qū)與回流煙氣的界限。由圖6可知：當隧道內(nèi)無風時，羽流撞擊區(qū)附近頂棚中心煙氣溫度高于側(cè)壁處，隨著煙氣向下游蔓延，頂棚中心煙氣溫度與側(cè)壁處趨于一致，可認為此時頂棚下方煙氣層處于穩(wěn)定狀態(tài)，如圖6(a)所示；隨著縱向風速的逐漸增大，如圖6(b)所示，側(cè)壁煙氣溫度逐漸高于頂棚中心處，但溫度相差不大；當縱向風速增至0.43 m·s-1時，羽流匯聚區(qū)逐漸遠離撞擊區(qū)，且回流煙氣逐漸減少，導致側(cè)壁與隧道中心的煙氣溫差加大，如圖6(c)所示；當縱向風速增至0.59 m·s-1時，撞擊區(qū)上游恰好沒有煙氣，然后由于沒有上游煙氣的補充，羽流撞擊區(qū)下游頂棚中心煙氣溫度與側(cè)壁處出現(xiàn)較大差異，隧道中部形成明顯的中心低溫區(qū)，如圖6(d)所示；當縱向風速增至0.64 m·s-1時，中心低溫區(qū)域范圍逐漸增大，如圖6(e)所示。

其余各工況下火災煙氣撞擊區(qū)無回流煙氣時頂棚中心煙氣溫度分布如圖7所示。由圖7可知：當回流煙氣消失時，羽流撞擊區(qū)上游煙氣溫度幾乎不變且接近室溫，下游則出現(xiàn)明顯的中心低溫區(qū)。

圖6　工況2下不同縱向風速時隧道頂棚中心和側(cè)壁的煙氣溫度分布

圖7　各工況下回流煙氣消失時頂棚中心的煙氣溫度分布

2.3　火源下游豎向溫度分布

工況2下不同縱向風速時火源下游豎向溫度分布如圖8所示。從圖8可以得出：當隧道內(nèi)無縱向風時，如圖8(a)所示，由于頂棚附近的煙氣與頂棚存在熱量傳遞，煙氣溫度在豎向高度從上到下呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，且煙氣溫度均在距頂棚0.05 m處出現(xiàn)陡降，在0.15 m處接近室溫，說明此時煙氣層處于穩(wěn)定狀態(tài)，存在明顯的熱煙氣與冷空氣的分層結構；當縱向風速較小時，如圖8(b)所示，此時火源下游1 m處雖也存在煙氣溫度陡降，但其變化幅度較其他位置要?。划斂v向風速較大時，如圖8(d)和圖8(e)所示，火源下游各位置處煙氣溫度下降趨勢變緩，而對于火源下游2 m處，在其高度范圍內(nèi)，豎向溫度相較另外3個位置要低，且在頂棚下方0.10 m處時已接近室溫，表明火源下游2 m處頂棚幾乎沒有煙氣存在。

其余各工況下煙氣撞擊區(qū)無回流煙氣時火源下游豎向煙氣溫度分布如圖9所示。從圖9可知：此時各火源下游3和4 m處煙氣層厚度增大，2 m處煙氣層變薄，在0.10 m處煙氣溫度已接近室溫，說明此時煙氣層存在凹陷，且凹陷已接近頂棚。

圖8　工況2下不同縱向風速時火源下游豎向溫度分布

圖9　各工況下回流煙氣消失時火源下游豎向溫度分布

3　分岔流動臨界風速

隧道火災煙氣發(fā)生分岔流動的臨界條件為羽流撞擊區(qū)上游的回流煙氣完全消失。因此可以確定煙氣分岔流動的臨界風速即為羽流撞擊區(qū)上游不再出現(xiàn)煙氣回流時的最小風速。各試驗工況下煙氣分岔流動的臨界風速見表2?；鹪吹臒後尫潘俾释ǔ＠萌剂腺|(zhì)量損失法求得，其計算公式見式(1)；再根據(jù)比例關系計算得到對應全尺寸熱釋放速率；各試驗工況下的計算結果均見表2。

(1)

(2)

為表征火源熱釋放速率和煙區(qū)分岔流動臨界風速之間的關系，分別將其無量綱化。

(3)

(4)

表2　各試驗工況的分岔現(xiàn)象臨界風速和相應熱釋放速率

圖10為小尺寸模型試驗和數(shù)值模擬結果無量綱化得到的熱釋放速率與煙氣分岔流動臨界風速的關系圖，其中數(shù)值模擬所采用的火源熱釋放速率為表2中的全尺寸熱釋放速率值。從圖10可以看出：數(shù)值模擬結果與小尺寸試驗結果符合良好，無量綱煙氣分岔流動臨界風速與無量綱熱釋放速率的1/3次方呈線性增長關系，這也證明了小尺寸模型試驗的準確性。它給隧道火災縱向通風模式下縱向風速的選擇提供了理論參考依據(jù)。

圖10　無量綱煙氣分岔流動臨界風速隨熱釋放速率變化的規(guī)律

4　分岔流動臨界Richardson數(shù)

煙氣流動狀態(tài)可用Richardson數(shù)來定量分析。臨界Richardson數(shù)(Ric)被定義為[20]

(5)

煙氣層平均溫度為[21]

(6)

根據(jù)式(4)和式(5)，分岔流動臨界Richardson數(shù)(Ribc)可表示為

(7)

式中：Δρ為煙氣層密度與冷空氣密度之差；h為煙氣層厚度；ρb為煙氣層密度；uc為臨界速度；Tb為煙氣層溫度；Qc為熱釋放速率中的對流部分；A為隧道橫截面積。

圖11給出了分岔流動臨界Richardson數(shù)隨無量綱熱釋放速率變化的規(guī)律。由圖11可見：煙氣分岔流動臨界Richardson數(shù)維持在一定范圍內(nèi)，基本不隨無量綱火源熱釋放速率變化，可視為常數(shù)且取0.095。

圖11　分岔流動臨界Richardson數(shù)隨無量綱熱釋放速率變化的規(guī)律

5　結　論

(1)通過小尺寸模型試驗驗證了分岔流動現(xiàn)象的存在。當縱向風速較小時，煙氣羽流撞擊區(qū)上游存在回流煙氣，在縱向風作用下這部分煙氣將進入下游煙氣層中，此時隧道火災煙氣能夠維持較好穩(wěn)定分層結構，煙氣分岔流動現(xiàn)象不會發(fā)生；隨著縱向風速的增大，羽流撞擊區(qū)上游的煙氣回流逐漸減少，煙氣層將產(chǎn)生向上的凹陷，然后煙氣層凹陷越來越明顯，范圍越來越大，當煙氣回流完全消失時，最終導致了煙氣分岔流動現(xiàn)象的發(fā)生。

(2)在較大縱向風速下，煙氣分岔流動的發(fā)生將導致隧道中部煙氣量減少，造成火源下游段隧道中心溫度明顯低于側(cè)壁處溫度，形成中心低溫區(qū)。

(3)煙氣分岔流動無量綱臨界風速與無量綱火源熱釋放速率的1/3次方呈線性增長規(guī)律。煙氣分岔流動臨界Richardson數(shù)基本不隨無量綱火源熱釋放速率變化，可視為常數(shù)且取0.095。小尺寸模型試驗與數(shù)值模擬的結果吻合良好。

[1]CARVEL R, BEARD A. The Handbook of Tunnel Fire Safety[M]. London:Thomas Telford, 2005.

[2]彭立敏, 劉寶琛. 隧道火災后襯砌結構力學特性與損傷機理研究[J]. 中國鐵道科學, 2002，23(1)：136-139.

(PENG Limin, LIU Baochen. Study on Mechanical Behavior and Damage Mechanism of Tunnel Lining after Fire Accident [J]. China Railway Science, 2002,23(1): 136-139. in Chinese)

[3]邢小崇. 晉濟高速“3·1”特別重大責任事故原因調(diào)查[J]. 消防科學與技術, 2014， 33(8):969-971.

(XING Xiaochong. Cause Investigation on Jinji High Speed “3·1” Negligently Causing Serious Accident [J]. Fire Science and Technology, 2014,33(8):969-971. in Chinese)

[4]謝寧, 馮煉, 王婉娣, 等. 隧道火災三維數(shù)值模擬的瞬態(tài)分析[J]. 中國鐵道科學, 2005，26(6)：89-92.

(XIE Ning, FENG Lian, WANG Wandi, et al. Transient Analyses of 3D Numerical Simulation in Tunnel Fire[J]. China Railway Science, 2005,26(6): 89-92. in Chinese)

[5]徐玉香. 鐵路隧道火災爆炸事故原因及行車安全[J]. 中國鐵道科學，1997，18(2)：22-35.

(XU Yuxiang. The Cause of Fire and Explosion Accidents in Railway Tunnel and Traffic Safety [J]. China Railway Science, 1997,18(2):22-35. in Chinese)

[6]YANG D, HUO R, ZHANG X L, et al. Comparative Study on Carbon Monoxide Stratification and Thermal Stratification in a Horizontal Channel Fire[J]. Building and Environment, 2012,49:1-8.

[7]LATTIMER B Y, VANDSBURGER U, ROBY R J. Species Transport from Post-Flashover Fires[J]. Fire Technology, 2005,41(4):235-254.

[8]鐘委, 涂銳, 楊健鵬, 等. 活塞風作用下地鐵車站站廳火災煙氣流動特性的數(shù)值模擬研究[J]. 中國鐵道科學, 2013, 34(4): 118-124.

(ZHONG Wei, TU Rui, YANG Jianpeng, et al. Numerical Simulation on the Characteristics of Smoke Flow under Piston Wind in Subway Station Hall Fire[J]. China Railway Science, 2013,34(4):118-124. in Chinese)

[9]BRAHIM K, MOURAD B, AFIF E C, et al. Control of Smoke Flow in a Tunnel[J]. Journal of Applied Fluid Mechanics, 2013,6(1):49-60.

[10]HU L H, PENG W, HUO R. Critical Wind Velocity for Arresting Upwind Gas and Smoke Dispersion Induced by Near-Wall Fire in a Road Tunnel[J]. Journal of Hazardous Materials, 2008,150(1):68-75.

[11]VAUQUELIN O. Experimental Simulations of Fire-Induced Smoke Control in Tunnels Using an “Air-Helium Reduced Scale Model”: Principle, Limitations, Results and Future[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2008, 23(2):171-178.

[12]VAUQUELIN O, WU Y. Influence of Tunnel Width on Longitudinal Smoke Control[J]. Fire Safety Journal, 2006,41(6):420-426.

[13]姜學鵬, 張劍高, 丁玉潔. 隧道阻塞比對臨界風速影響的模型試驗研究[J]. 中國鐵道科學, 2015, 36(4):80-86.

(JIANG Xuepeng, ZHANG Jiangao, DING Yujie. Model Test Study on Effect of Blockage Ratio on Critical Wind Velocity in Tunnel[J]. China Railway Science,2015,36(4):80-86. in Chinese)

[14]夏正文, 劉曉陽, 張麗莉. 縱向通風條件下隧道坡度對火災煙氣流動影響的實驗研究[J]. 火災科學, 2011, 20(3): 152-160.

(XIA Zhengwen, LIU Xiaoyang, ZHANG Lili. Experimental Study on the Effect of Longitudinal Ventilation and Gradient on Smoke Movement in Tunnels[J]. Fire Safety Science,2011,20(3):152-160. in Chinese)

[15]陽東, 胡隆華, 霍然, 等. 縱向風對通道火災煙氣豎向分層特性的影響[J]. 燃燒科學與技術, 2010,16(3):252-256.

(YANG Dong, HU Longhua, HUO Ran, et al. Effects of Longitudinal Air Flow on Smoke Stratification in Channel Fire [J]. Journal of Combustion Science and Technology, 2010,16(3):252-256. in Chinese)

[16]李開源, 霍然, 劉洋. 隧道火災縱向通風下羽流觸頂區(qū)溫度變化研究[J]. 安全與環(huán)境學報, 2006, 6(3): 38-41.

(LI Kaiyuan, HUO Ran, LIU Yang. On Temperature Change of Tunnel Top Plume in a Longitudinal Ventilation[J]. Journal of Safety and Environment, 2006,6(3):38-41. in Chinese)

[17]ZHONG Wei, LV Jinjin, LI Zhaozhou, et al. A Study of Bifurcation Flow of Fire Smoke in Tunnel with Longitudinal Ventilation[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2013, 67(6):829-835.

[18]VAN DE LEUR P H E， KLEIJN C R，HOOGENDOORN C J. Numerical Study of the Stratified Smoke Flow in a Corridor: Full-Scale Calculations[J]. Fire Safety Journal, 1989,14(4):287-302.

[19]YANG D, HU L H, HUO R, et al. Experimental Study on Buoyant Flow Stratification Induced by a Fire in a Horizontal Channel[J]. Applied Thermal Engineering, 2010,30(8):872-878.

[20]LI Y Z, LEI B, INGASON H. Study of Critical Velocity and Backlayering Length in Longitudinally Ventilated Tunnel Fires[J]. Fire Safety Journal, 2010,45(6):361-370.

[21]CALVIN K LEE，ROBERT F CHAIKEN，JOSEPH M SINGER. Interaction Between Duct Fires and Ventilation Flow: An Experimental Study[J]. Combustion Science and Technology, 2007,20(1):59-72.