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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海拔效應(yīng)對(duì)隧道火災(zāi)特性影響的研究*

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)

鑒于CFD在火災(zāi)模擬方面能夠準(zhǔn)確反映出火災(zāi)過(guò)程中煙氣、溫度、CO濃度等的分布特性，采用CFD對(duì)不同海拔條件下的隧道火災(zāi)進(jìn)行模擬計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明，火源功率相同時(shí)，隨著海拔的升高，上層煙氣縱向蔓延速度以及下層新鮮空氣向火源補(bǔ)充速度均增大。CO濃度以隧道中線為軸兩側(cè)對(duì)稱分布，隧道中線上濃度最低；1.5 m高度處，CO首先出現(xiàn)在隧道出口位置，隨后向回蔓延；同一斷面上層CO濃度大于下層CO濃度，海拔的升高導(dǎo)致CO生成量增多，高濃度區(qū)域范圍變大。另外，隨著海拔的升高，火源附近拱頂煙氣溫度增大；不同海拔條件下，拱頂煙氣溫度沿途均呈冪指數(shù)衰減，海拔越高，溫降的速率越快。

海拔效應(yīng)隧道火災(zāi)煙氣CFD

0　引言

西部地區(qū)所處位置海拔較高，環(huán)境壓力小，空氣中氧含量較低，這種低壓低氧環(huán)境使隧道火災(zāi)特性有別于常壓下隧道火災(zāi)的特性。近年來(lái)低壓低氧環(huán)境對(duì)燃燒性能的影響引起了廣泛的重視，眾多專家、學(xué)者針對(duì)低壓低氧環(huán)境下材料的熱解速率、火蔓延速度、火焰高度等特性進(jìn)行了研究分析[1-3]，但將低壓低氧環(huán)境與隧道火災(zāi)結(jié)合進(jìn)行綜合探討方面還有待更深入的研究。研究低壓低氧環(huán)境對(duì)隧道火災(zāi)特性的影響，對(duì)于高海拔公路隧道火災(zāi)消防措施、救援措施的制定有一定的指導(dǎo)作用，能夠有效降低高海拔地區(qū)隧道火災(zāi)的危害。

因此，擬利用流體動(dòng)力學(xué)(CFD)模擬軟件對(duì)不同海拔條件下隧道火災(zāi)進(jìn)行模擬計(jì)算，分析海拔對(duì)隧道火災(zāi)的影響規(guī)律。

1　模型的選擇及建立

以計(jì)算流體力學(xué)為基礎(chǔ)，結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)的數(shù)值模擬已經(jīng)逐漸成為研究火災(zāi)過(guò)程的重要手段，計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性在中外學(xué)者的研究中得到了驗(yàn)證[4]。CFD模擬軟件主要基于四大基本控制方程進(jìn)行求解：質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程、組分守恒方程[5]?；馂?zāi)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的發(fā)展過(guò)程，大多為湍流過(guò)程，并且受浮力影響比較大，因此需選用受浮力影響的湍流模型——k-ε模型。

1.1物理模型

以典型的單洞雙向隧道為模型，選取x方向?yàn)樗淼姥由旆较?，y方向?yàn)樗淼缹挾确较?，z方向?yàn)樗淼栏叨确较颉w邊界設(shè)置為熱厚性邊界條件，模擬中設(shè)置為“concrete”屬性，模擬段x長(zhǎng)300 m(-150～150)，y寬10 m(0～10)，z高7.5 m(0～7.5)?；鹪礊楣潭後尫潘俾驶鹪?，其位置取最不利條件，即位于隧道中央(x=-2～2，y=4～6，z=0.5)。計(jì)算模型具體如圖1所示。

圖1　計(jì)算模型

火災(zāi)規(guī)模與發(fā)生火災(zāi)的車輛類型有很大的關(guān)系，表1為不同車型的火災(zāi)熱釋放強(qiáng)度。行駛于中西部交通網(wǎng)隧道中的車輛多為小轎車、貨車、卡車、客車等，故模擬中將火源設(shè)定為熱釋放強(qiáng)度20 MW的t2穩(wěn)態(tài)火源。分別對(duì)海拔為0，1 000，2 000，3 000，4 000 m時(shí)的隧道火災(zāi)進(jìn)行模擬。

表1　不同車型的火災(zāi)熱釋放強(qiáng)度　MW

1.2網(wǎng)格設(shè)置

網(wǎng)格的尺寸大小對(duì)模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性影響很大，前人通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)格尺寸與火源特征直徑D*有很大的關(guān)系，當(dāng)網(wǎng)格尺寸為0.1～0.2 D*時(shí)，模擬結(jié)果能夠比較準(zhǔn)確地反應(yīng)出真實(shí)情況，D*的計(jì)算方法如式(1)。

(1)

式中，D*為火源特征直徑，m；Q為總的熱釋放速率，kW；ρ∞為空氣密度，kg/m3；Cp為環(huán)境空氣比熱，kJ/(kg·K)；T∞為環(huán)境空氣溫度，K；g為重力加速度，m/s2。

根據(jù)網(wǎng)格尺寸必須為2，3，5的倍數(shù)的原則，結(jié)合計(jì)算中采用的物理模型，對(duì)網(wǎng)格尺寸進(jìn)行獨(dú)立性試驗(yàn)，最終確定網(wǎng)格尺寸為0.25m×0.25m×0.25m時(shí)較合適。

2　結(jié)果分析

隧道結(jié)構(gòu)屬于狹長(zhǎng)受限空間，出入口少、排煙以及排熱都很困難，煙氣蔓延與溫度分布是隧道火災(zāi)中兩個(gè)最重要的研究參數(shù)。隧道火災(zāi)過(guò)程由于空氣供給不足常為不完全燃燒，會(huì)產(chǎn)生大量的高濃度煙氣(含有大量CO等有毒有害氣體)，對(duì)人員的生命安全造成威脅。同時(shí)，煙氣將大幅降低隧道內(nèi)的可見(jiàn)度，阻礙人員逃生。高溫對(duì)人員造成灼傷的同時(shí)，也可能破壞隧道結(jié)構(gòu)，使火災(zāi)救援難度加大。通過(guò)對(duì)不同海拔條件下的隧道火災(zāi)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，對(duì)隧道內(nèi)的溫度分布以及煙氣的蔓延狀況進(jìn)行分析，總結(jié)海拔對(duì)隧道火災(zāi)特性的影響規(guī)律。

2.1煙氣蔓延

隧道火災(zāi)的發(fā)展過(guò)程比較復(fù)雜，由火源、環(huán)境、隧道結(jié)構(gòu)等各個(gè)方面的因素共同決定。煙氣的蔓延狀況是隧道火災(zāi)災(zāi)害程度的重要影響因素之一，可分為3個(gè)階段：階段Ⅰ——煙氣產(chǎn)生并卷吸空氣向上傳播，形成火羽流；階段Ⅱ——煙氣發(fā)生頂棚射流現(xiàn)象，向周圍各個(gè)方向擴(kuò)散，并完成軸向傳播向縱向一維傳播的轉(zhuǎn)換；階段Ⅲ——煙氣達(dá)到一維蔓延狀態(tài)，上部形成熱煙氣層沿縱向方向蔓延，下層為冷空氣層，向火源傳播。

這里僅考慮階段Ⅲ煙氣達(dá)到一維蔓延時(shí)火災(zāi)煙氣蔓延特性。圖2為40s時(shí)不同海拔條件下隧道火災(zāi)煙氣蔓延距離。顯然，海拔越高，煙氣蔓延距離越大，表明高海拔條件下煙氣蔓延速度更快。同時(shí)下層新鮮空氣向火源處補(bǔ)充速度也會(huì)隨著海拔的升高不斷增大，這是因?yàn)楦吆０蔚貐^(qū)空氣中含氧量較低，在相同火源功率條件下，為滿足氧氣需求，需要更多的空氣補(bǔ)充，因此下層空氣向火源處補(bǔ)充的速度更快。另外，煙氣蔓延動(dòng)態(tài)過(guò)程，發(fā)現(xiàn)在出口位置煙氣不能完全排出，開(kāi)始大量聚集并且發(fā)生回流。

圖2　煙氣蔓延距離

煙氣濃度、CO濃度主要受卷入的新鮮空氣含量的影響，而溫度不僅受卷入的新鮮空氣量的影響，還會(huì)受與隧道壁等之間的熱對(duì)流的影響，因此當(dāng)溫度降到對(duì)人員造成危害的臨界值80 ℃以下時(shí)，CO的濃度可能仍然比較高，可以對(duì)人員造成傷害。通過(guò)觀察1.5m高度(人的口鼻位置)處CO濃度分布的動(dòng)態(tài)圖，發(fā)現(xiàn)CO首先出現(xiàn)在隧道出口附近，隨后向回蔓延，CO濃度以隧道中線為軸在兩側(cè)呈對(duì)稱形式分布，隧道中線附近濃度小于臨近隧道壁面附近區(qū)域的濃度。圖3為隧道中線CO濃度分布示意圖，顯示出CO濃度在臨近隧道頂部區(qū)域較大，在臨近隧道底板區(qū)域較小。在隧道出口處，CO含量最多，隨著海拔的升高，CO濃度增大，危險(xiǎn)性也隨之增大。

2.2溫度

隧道多是混凝土或者鋼筋混凝土砌筑而成，這些材料在一定的高溫條件下會(huì)失去強(qiáng)度。當(dāng)溫度達(dá)到200 ℃時(shí)，混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低了30%左右，因此將200 ℃視為隧道結(jié)構(gòu)受影響的一個(gè)臨界值。隧道發(fā)生火災(zāi)后，隧道斷面由于受到的熱輻射、熱對(duì)流、熱傳導(dǎo)作用有所差異，同一斷面上的溫度也有所不同。隧道煙氣溫度分布如圖4所示。

圖3　CO濃度分布

圖4　煙氣溫度分布(單位：℃)

由圖4可知，煙氣溫度有明顯的分層現(xiàn)象，上層溫度高于下層溫度，這是因?yàn)楦邷責(zé)煔馐紫仍谏蠈涌v向蔓延，溫度降低后再向下層蔓延；海拔越高，溫度高于200 ℃的區(qū)域越大，隧道的頂部受高溫的危害最大。因此認(rèn)為隨海拔的增大，將會(huì)使更大范圍的隧道結(jié)構(gòu)受到高溫威脅。

拱頂煙氣溫度分布如圖5所示。圖5(a)表明隨著海拔的升高，火源處拱頂煙氣最高溫度上升，在水平距離火源100m范圍內(nèi)，海拔越高，拱頂煙氣溫度越大；但是與火源水平距離超過(guò)100m以后，高海拔隧道的拱頂煙氣溫度反而會(huì)逐漸小于低海拔隧道的拱頂煙氣溫度。對(duì)拱頂?shù)臒煔鈱訙囟冗M(jìn)行分析、處理、擬合可得煙氣縱向衰減冪指數(shù)函數(shù)擬合圖如圖5(b)所示，各海拔條件下擬合度均大于0.98，因此認(rèn)為拱頂煙氣溫度在不同的海拔條件下都符合冪指數(shù)衰減規(guī)律，從圖5(b)可以看出沿程溫度的下降幅度隨著海拔的升高不斷增大。綜合圖5(a)與圖5(b)，在火源功率相同的條件下，高海拔地區(qū)火災(zāi)中火焰高度更高，范圍更廣，對(duì)近火源區(qū)域的熱輻射越強(qiáng)烈，因此近火源區(qū)域的溫度較高；另外，高海拔地區(qū)煙氣蔓延更快，同時(shí)空氣更迅速地向火源處補(bǔ)充，導(dǎo)致卷吸的空氣量更多，沿程煙氣溫降更快。由此認(rèn)為海拔的升高將導(dǎo)致臨近火源區(qū)域溫度升高，但是在高海拔條件下，拱頂煙氣溫度下降速度較快，當(dāng)與火源的水平距離大到一定程度后，高海拔下的拱頂煙氣溫度反而小于低海拔下的拱頂煙氣溫度。從溫度角度看，高海拔地區(qū)臨近火源區(qū)域的危險(xiǎn)程度更大，但是與火源距離較大時(shí)，低海拔地區(qū)的危險(xiǎn)程度更大。

(a)

(b)

3　結(jié)語(yǔ)

(1)火源功率相同條件下，煙氣蔓延速度與新鮮空氣向火源補(bǔ)充的速度都隨著海拔的升高而增大。

(2)1.5m高度處，CO首先出現(xiàn)在隧道出口位置，以隧道中線為軸CO濃度對(duì)稱分布于兩側(cè)，中線上濃度最低。臨近隧道拱頂區(qū)域CO濃度較大，臨近隧道底板的區(qū)域CO濃度較小，隨著與火源距離的增大，隧道斷面上高濃度區(qū)域的面積逐漸增大。

(3)不同海拔條件下，臨近火源區(qū)域溫度分層現(xiàn)象均比較明顯，上層溫度顯著高于下層溫度，拱頂煙氣溫度最高，沿程均呈冪指數(shù)衰減，火源上方拱頂煙氣溫度隨著海拔的升高逐漸增大，但高海拔條件下溫度降低速率更快，故臨近火源區(qū)域拱頂煙氣溫度高于低海拔地區(qū)，與火源距離達(dá)到一定值后，低海拔條件下拱頂煙氣溫度反而高于高海拔地區(qū)。

[1]ZHANGY,JIJ,LIJ,etal.Effectsofaltitudeandsamplewidthonthecharacteristicsofhorizontalflamespreadoverwoodsheets[J].FireSafetyJournal,2012,51:120-125.

[2]張英.典型可炭化固體材料表面火蔓延特性研究[D].合肥：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué),2012.

[3]牛奕.低壓低氧環(huán)境下紙箱堆剁火的實(shí)驗(yàn)和模擬研究[D].合肥：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué),2013.

[4]葛江.基于FDS的車廂火災(zāi)煙氣流動(dòng)的數(shù)值模擬分析[J].工業(yè)安全與環(huán)保,2012，38(6):50-52.

[5]呂淑然,楊凱.火災(zāi)與逃生模擬仿真—PyroSim+Pathfinder[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2014.

張英，男， 1985年生，副教授，博士，主要從事狹長(zhǎng)受限空間火災(zāi)研究。

Numerical Simulation on Altitude Effects to Tunnel Fire

HUANG YangZHANG YingCHEN XianfengNIU Yi

(SchoolofResourceandEnvironmentEngineering,WuhanUniversityofTechnologyWuhan430070)

CFD simulation can accurately reflect the distribution of smoke, temperature and CO concentration in tunnel fire, so it is used to compute tunnel fire in different altitude. The results show that the up-layer-smoke diffusion velocity becomes bigger and the supplying velocity of down-layer fresh air for fire grows with the rise of altitude. CO concentration distributes symmetrically on both sides of the midline of tunnel and it is lowest in the midline. CO firstly appears at the exit of the tunnel and then back-flows at the height of 1.5 m. CO concentration is much higher at upper layer than that at lower layer, CO will be produced more at high altitude and the high concentration area will be larger. The ceiling temperature near the fire increases with the increase of altitude. Ceiling temperature decays along the tunnel in an exponential function no matter in high altitude or in low altitude, and it decays faster in high altitude.

altitude effectstunnel firesmokeCFD

國(guó)家自然科學(xué)基金(51404178)。

黃洋，女， 1990年生，碩士，主要從事火災(zāi)安全科學(xué)研究。

2015-07-01)