黃洋　張英　陳先鋒　牛奕

(武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院　武漢 430070)

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安全工程

基于CFD坡度隧道火災(zāi)煙氣蔓延特性模擬研究*

黃洋張英陳先鋒牛奕

(武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院武漢 430070)

摘要隧道是狹長(zhǎng)受限空間的一種，其特殊性導(dǎo)致隧道火災(zāi)的危害比一般火災(zāi)更大，煙氣層的溫度以及煙氣逆流距離與隧道火災(zāi)后果緊密相連。將火風(fēng)壓考慮在內(nèi)，對(duì)坡度隧道火災(zāi)過程中煙氣逆流距離進(jìn)行了理論分析，得出煙氣逆流距離的理論預(yù)測(cè)公式。運(yùn)用CFD軟件對(duì)不同坡度隧道火災(zāi)進(jìn)行模擬發(fā)現(xiàn)坡度越大，溫降幅度越大，煙氣向上游蔓延的速度越慢，逆流距離越小，因此上游更安全。通過比較逆流距離的理論預(yù)測(cè)值和模擬值，發(fā)現(xiàn)理論值比模擬值偏小，但是兩者仍然能夠很好的吻合，理論預(yù)測(cè)公式能夠運(yùn)用于實(shí)際火災(zāi)中，為消防措施的制定提供一定的參考。

關(guān)鍵詞隧道火災(zāi)坡度效應(yīng)逆流距離溫度CFD

0引言

近幾年，隨著城鎮(zhèn)化的發(fā)展，城市人口快速增多，導(dǎo)致交通擁擠，在這種狀況下，交通隧道得到了空前的發(fā)展。交通隧道在帶來交通便利的同時(shí)，也帶來了巨大的火災(zāi)危險(xiǎn)。交通隧道為狹長(zhǎng)型空間，出入口比較少，這些特點(diǎn)致使火災(zāi)時(shí)煙氣難以排出，溫度升高迅速，因此隧道火災(zāi)比一般火災(zāi)危害更大，造成更大的經(jīng)濟(jì)損失以及更多的人員傷亡[1-2]。控制煙氣回流現(xiàn)象是降低隧道火災(zāi)事故損失的關(guān)鍵因素之一，引起了國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者的重視。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、小尺寸試驗(yàn)及數(shù)值模擬是研究隧道火災(zāi)的三種主要方法，前兩種費(fèi)用較高、存在安全威脅且難以實(shí)現(xiàn)，而隨著數(shù)學(xué)、流體力學(xué)、火災(zāi)動(dòng)力學(xué)等相關(guān)學(xué)科的發(fā)展及火災(zāi)仿真軟件的日趨成熟，采用數(shù)值模擬的方法對(duì)隧道火災(zāi)事故進(jìn)行研究得到了越來越廣泛的應(yīng)用。因此，本文采用專業(yè)火災(zāi)動(dòng)態(tài)模擬軟件CFD開展坡度效應(yīng)對(duì)隧道火災(zāi)溫度分布、煙氣逆流距離的影響研究。

1CFD模型建立

1.1CFD簡(jiǎn)介

CFD軟件 (Computational Fluid Dynamics，即計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)，簡(jiǎn)稱CFD)是進(jìn)行流體力學(xué)研究的重要技術(shù)，F(xiàn)DS是其中一款專業(yè)模擬火災(zāi)的軟件。FDS的計(jì)算主要基于質(zhì)量守恒、能量守恒、動(dòng)量守恒以及組分守恒[3]。

質(zhì)量守恒方程：

(1)

動(dòng)量守恒方程：

(2)

式中，u為速度矢量；G表示體積力矢量；fb表示由于液滴或顆粒引起的外部力;τij為流體的應(yīng)力張量。

能量守恒方程：

(3)

FDS與Smokeview相結(jié)合能夠動(dòng)態(tài)的反映出煙氣的流動(dòng)狀態(tài)、溫度的變化及各個(gè)組分的分布。目前，F(xiàn)DS在國(guó)際上應(yīng)用廣泛，模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性已經(jīng)得到了驗(yàn)證[4-5]?；诖耍芯恐羞x取FDS模擬軟件，運(yùn)行方式確定為大渦模擬，反應(yīng)方式為多組分混合燃燒。1.2物理模型

以典型單向雙車道隧道為模擬原型，隧道斷面為半圓拱形，長(zhǎng)500m，高5.5m，寬9m，隧道壁為混凝土結(jié)構(gòu)。建模時(shí)，以X方向?yàn)樗淼姥由旆较?，Y方向?yàn)樗淼缹挾确较?，Z方向?yàn)樗淼栏叨确较?，如圖1所示。城市隧道中小汽車是最常見的交通工具，一輛小汽車的火源功率為5MW，故火源功率設(shè)置為5MW?；鹪次挥赬=350m處，高Z=0.5m。將隧道的兩端均設(shè)置為開口。隧道中坡度一般在4%以下，故坡度α選取1%、2%、3%、4%4種[6]，坡度通過在X、Z兩個(gè)方向上分解重力加速度來表征。類比相關(guān)文獻(xiàn)，將計(jì)算時(shí)間設(shè)置為1 200s。

圖1隧道模型

1.3監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布設(shè)

為研究隧道煙氣溫度分布規(guī)律，每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面上的監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)如圖2所示，在距離拱頂0.25m、0.50m、0.75m的位置均設(shè)置溫度測(cè)點(diǎn)，煙氣溫度取3個(gè)測(cè)點(diǎn)的平均值，每10m設(shè)置一組測(cè)點(diǎn)。為確定煙氣逆流距離，同樣在距離拱頂0.25m、0.50m、0.75m的位置設(shè)煙氣測(cè)點(diǎn)。

圖2監(jiān)測(cè)斷面測(cè)點(diǎn)布設(shè)

2理論預(yù)測(cè)模型

2.1煙氣沿程溫降預(yù)測(cè)模型

不存在縱向通風(fēng)時(shí)，火災(zāi)煙氣的流動(dòng)只受浮力的驅(qū)動(dòng)影響，而浮力則是由煙氣層與環(huán)境空氣之間的溫度差決定。在蔓延過程中，煙氣與周圍環(huán)境、隧道壁發(fā)生熱對(duì)流、熱輻射作用，同時(shí)卷吸大量空氣，導(dǎo)致煙氣的溫度沿程不斷衰減。Kurioka、胡隆華、王彥富等人通過理論分析，以及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，認(rèn)為煙氣層溫度縱向沿程呈冪指數(shù)函數(shù)變化，可按下式估算：

Tx=Ta+ΔTref×e-k1x

(4)

即

(5)

式中，Tx為與參考位置距離xm處，煙氣的溫度，K；Ta為空氣的溫度，K；ΔTref為參考點(diǎn)處煙氣溫升，K；ΔTx為與參考點(diǎn)距離xm處煙氣層與環(huán)境空氣的溫度差，K；k1為溫降系數(shù)；x為煙氣與參考點(diǎn)之間的距離，m。

選擇火源位置為參考點(diǎn)，則x即為煙氣的逆流距離。用0rigin軟件對(duì)模擬中測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、擬合，可得各個(gè)坡度下沿程溫降系數(shù)k以及擬合度R，具體如圖3所示。R值大于0.9即可認(rèn)為擬合公式能夠很好地與所測(cè)數(shù)據(jù)吻合。

(a)　0坡度下溫升與距離的關(guān)系

(b)　1%坡度下溫升與距離的關(guān)系

(c)2%坡度下溫升與距離的關(guān)系

(d)3%坡度下溫升與距離的關(guān)系

(e)4%坡度下溫升與距離的關(guān)系

圖3沿程溫度分布與距離關(guān)系式擬合

由擬合可得溫降系數(shù)k值隨坡度的增大而增大，表明逆流煙氣層的溫降幅度也隨著坡度的增大而增大。這是因?yàn)榛痫L(fēng)壓抑制煙氣向上游方向蔓延，而坡度越大，火風(fēng)壓也越大，向上游蔓延的熱煙氣量越少，卷吸的空氣量增多，故隨著坡度的增大，溫降幅度越大。

2.2煙氣逆流距離預(yù)測(cè)模型

隧道發(fā)生火災(zāi)后，空氣的溫度上升、密度降低，在浮力的作用下向上運(yùn)動(dòng)，與此同時(shí)熱煙氣不斷卷吸周圍的冷空氣，形成火羽流?；鹩鹆髯矒舻焦绊敽?，先向四周徑向蔓延，隨后受限于隧道側(cè)壁，向順流、逆流兩個(gè)方向蔓延。煙氣的逆流與火災(zāi)事故后果緊密相連，逆流煙氣溫度沿程冪指數(shù)衰減，當(dāng)煙氣溫度下降到一定值時(shí)，熱浮力驅(qū)動(dòng)力與火風(fēng)壓的作用力相當(dāng)，煙氣逆流前鋒將處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，此時(shí)煙氣逆流前鋒與火源的距離就是“煙氣逆流距離”。在煙氣逆流停滯時(shí)，煙氣逆流前鋒與環(huán)境控制的靜壓差等于火風(fēng)壓：

P靜=P火

(6)

忽略火區(qū)煙流的加速阻力以及高溫?zé)煔獾哪Σ猎鲋担痫L(fēng)壓近似為：

(7)

式中，ρa(bǔ)為環(huán)境空氣的密度，kg/m3；ρx為與火源水平距離xm處，煙氣層的密度，kg/m3；g為重力加速度，α為坡度。

煙氣逆流前鋒與環(huán)境控制的靜壓差為：

P靜=ΔρLgh

(8)

式中，ΔρL為逆流滯止時(shí)環(huán)境空氣與煙氣層的密度差，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；h為煙氣逆流前鋒的厚度，m。

對(duì)于理想氣體，有：

(9)

聯(lián)立式(1)和式(5)，并將xref視為0，可得：

(10)

聯(lián)立式(1)、式(2)、式(3)、式(4)、式(6)可得煙氣逆流距離：

(11)

3模擬結(jié)果與理論預(yù)測(cè)結(jié)果的比較分析

上坡方向視為下游，下坡方向視為上游。通過對(duì)比分析t=50s時(shí)，不同坡度下煙氣蔓延的狀況，經(jīng)過比較，發(fā)現(xiàn)坡度越小，煙氣向上游蔓延的蔓延距離越大，即煙氣向上游的蔓延速度越快。這一現(xiàn)象表明坡度越小，上游危險(xiǎn)性越高，人員應(yīng)在更短的時(shí)間內(nèi)撤離。

通過分析煙氣測(cè)點(diǎn)，得出模擬中煙氣逆流距離。表1為理論煙氣逆流距離與模擬中煙氣逆流距離的比較。理論分析中忽略了火區(qū)煙流的加速阻力以及高溫?zé)煔獾哪Σ猎鲋担岳碚擃A(yù)測(cè)值比實(shí)際值略小，從表1中知理論值與模擬值差異在10%以內(nèi)，故認(rèn)為理論預(yù)測(cè)值符合實(shí)際，預(yù)測(cè)公式能夠很好的預(yù)測(cè)煙氣逆流距離。

表1　理論煙氣逆流距離與模擬逆流距離比較

在實(shí)際應(yīng)用中只需要知道隧道坡度、環(huán)境溫度、逆流煙氣前鋒厚度、火源處煙氣層的溫度以及與火源不同距離處的煙氣層溫度，就能夠運(yùn)用理論公式得到煙氣的逆流距離。

4結(jié)論

通過理論分析與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究了坡度效應(yīng)對(duì)隧道火災(zāi)中逆流煙氣的溫度衰減規(guī)律以及逆流距離的影響，主要得到以下結(jié)論：

(1)逆流方向煙氣溫度沿程冪指數(shù)衰減，坡度越大，溫降系數(shù)k1越大，表明逆流煙氣的溫降幅度隨著坡度的增大而增大。

(2)坡度越小，向上游蔓延的速度越快，上游的危險(xiǎn)性也越大，人員應(yīng)在較短的時(shí)間內(nèi)撤離。

(3)煙氣逆流距離與溫降關(guān)系緊密，k1值越大，逆流距離越小。通過分析，理論預(yù)測(cè)值與模擬所得逆流距離誤差在10%以內(nèi)，可以估計(jì)實(shí)際火災(zāi)中煙氣的逆流距離，因此認(rèn)為理論預(yù)測(cè)模型可以用來指導(dǎo)隧道火災(zāi)的研究以及消防工作的開展。

(4)隧道火災(zāi)中煙氣逆流距離的影響因素較多，如隧道尺寸、火源功率等，模擬中對(duì)這些因素進(jìn)行了簡(jiǎn)化，在后續(xù)工作中有待深入地研究。

參考文獻(xiàn)

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*基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(51404178)。

作者簡(jiǎn)介黃洋,碩士，從事安全科學(xué)及技術(shù)工程研究。

(收稿日期：2015-01-20)

The Simulation Research of Slope Tunnel Fire Characteristics Based on CFD

HUANG YangZHANG YingCHEN XianfengNIU Yi

(SchoolofResourceandEnvironmentEngineering,WuhanUniversityofTechnologyWuhan430070)

AbstractAs one kind of long and limited space, the tunnel fire does harms more seriously compared to the common fire accident and the consequences of tunnel fire are tightly connected to the temperature and back-flow distance. Considering fire wind pressure, a theoretical study is conducted to predict the back-flow distance in slope tunnel fire process, getting the theoretical forecast formula of back-flow distance. CFD is used to simulate sloping tunnel fires, showing that while the slope increases, the temperature decreases faster, the traveling velocity to upstream becomes smaller, the back-flow distance is shorter, so the upstream is more safe. By comparing theoretical back-flow distance with the simulated one, it is found out that the theoretical value is a little lower than the simulated one, but both can be fitted. The theoretical formula can be applied to predict the back-flow distance in practice, providing some references for the stipulation of fire control measures.

Key Wordstunnel fireslope effectback-flow distancetemperatureCFD