郭曉杰， 方春平

(1.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川成都 610031; 2. 西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031)

[定稿日期]2017-06-22

隧道作為一種特殊的構(gòu)筑物，有其獨(dú)特的工程優(yōu)勢，但是在發(fā)生火災(zāi)時(shí)，隧道結(jié)構(gòu)的封閉性使得人員逃生較為困難，同時(shí)還會(huì)造成很大程度的附屬結(jié)構(gòu)設(shè)施損傷，從而帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。以1999年的勃朗峰隧道火災(zāi)為例[1]，大火持續(xù)了48h，導(dǎo)致38人死亡，此外還有一名消防員殉職。而2014年發(fā)生在貴州賈托坡隧道的火災(zāi)則導(dǎo)致了上百萬元的經(jīng)濟(jì)損失。這些火災(zāi)事故帶來了慘重的損失，同時(shí)也說明了研究隧道火災(zāi)的重要性。

隧道結(jié)構(gòu)較為特殊，發(fā)生火災(zāi)時(shí)，煙氣會(huì)在風(fēng)的作用下向四處擴(kuò)散，如果風(fēng)速設(shè)置不合理，會(huì)導(dǎo)致隧道內(nèi)的煙氣向火災(zāi)上游回流或者向下游快速大量擴(kuò)散，從而加大了救援工作的難度，同時(shí)也不利于人員逃生。因此，火災(zāi)時(shí)的風(fēng)速至關(guān)重要?；馂?zāi)時(shí)恰好不會(huì)導(dǎo)致煙氣向上回流的風(fēng)速被稱為臨界風(fēng)速，臨界風(fēng)速的研究和確定對(duì)于隧道火災(zāi)安全救援有著極為重要的意義。

本文基于CFD軟件FLUENT進(jìn)行數(shù)值模擬，建立了隧道三維模型，設(shè)定了不同的風(fēng)速來計(jì)算煙氣的回流情況，通過對(duì)比分析得出了該隧道在火災(zāi)下的臨界風(fēng)速。

1 CFD控制方程

燃燒是一個(gè)復(fù)雜的非定常的化學(xué)過程，涉及到物質(zhì)的轉(zhuǎn)變和能量的傳導(dǎo)。因此如果按照實(shí)際燃燒來建立模型會(huì)使得計(jì)算工作的難度大大增加，必須對(duì)燃燒過程進(jìn)行適度的簡化，使得最終建立的模型既能在很大程度上反映出真實(shí)的燃燒情況又不會(huì)太過于復(fù)雜[2]。綜合考慮之后，本論文采用面熱源法來模擬隧道的火災(zāi)，即將火源等效為一個(gè)面，通過該火源面不斷釋放與火災(zāi)規(guī)模等效的氣體來模擬火源的燃燒。同時(shí)，考慮到隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，高溫環(huán)境下會(huì)存在浮升力效應(yīng)，故而在數(shù)值模擬中采用Boussinesq模型[3]。

在CFD數(shù)值模擬中，計(jì)算模型選擇RNGk-ε湍流模型，控制方程如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：Cμ=0.0845，C1=1.42，C2=1.68，αk=αε=1.393，η0=4.38，β=0.012。

2 模型建立

考慮到計(jì)算規(guī)模和計(jì)算機(jī)的配置，隧道計(jì)算模型選擇長度為300 m，隧道模型的斷面如圖1所示，斷面半徑為6 m。數(shù)值模擬中考慮一輛小轎車在隧道中間位置發(fā)生火災(zāi)，火災(zāi)規(guī)模設(shè)為5 MW。

圖1 隧道斷面示意(單位：mm)

本論文采用ICEM CFD軟件劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格選擇六面體。由于在火源附近溫度場和流場都會(huì)發(fā)生較為劇烈的變化，因此對(duì)火源處的網(wǎng)格進(jìn)行加密處理。具體建模過程中，將模型分為三個(gè)流域，分別建模并對(duì)中間部分即火源附近網(wǎng)格進(jìn)行加密。最終得到的網(wǎng)格總數(shù)約13萬，其中中間部分約4.5萬。

對(duì)于邊界條件的設(shè)置，在隧道入口處采用進(jìn)口速度邊界，出口處則采用自由壓力邊界，隧道內(nèi)的著火面為質(zhì)量出流邊界，隧道拱頂拱底均為絕熱壁面，其他邊界則設(shè)置為質(zhì)量增強(qiáng)邊界。固體材料設(shè)定為混凝土，各個(gè)流域之間通過INTERFACE連接，環(huán)境溫度為15 ℃。

3 計(jì)算結(jié)果

ICEM CFD中網(wǎng)格劃分結(jié)束之后，導(dǎo)入FLEUNT進(jìn)行求解，分別求解了在隧道風(fēng)速為1.8 m/s、1.9 m/s、2.0 m/s、2.1 m/s、2.2 m/s、2.3 m/s的情況下的壁面溫度分布，監(jiān)測了拱頂、間距為15 m、30 m、50 m、75 m、90 m斷面及縱截面的溫度分布，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析得出相應(yīng)結(jié)論。

3.1 臨界風(fēng)速分析

(1)當(dāng)風(fēng)速為1.8 m/s時(shí)，計(jì)算結(jié)果如圖2、圖3所示。

圖2 風(fēng)速為1.8 m/s時(shí)拱頂溫度云圖

圖3 風(fēng)速為1.8 m/s時(shí)各斷面溫度云圖

(2) 當(dāng)風(fēng)速為2.0 m/s時(shí)，計(jì)算結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 風(fēng)速為2.0 m/s時(shí)拱頂溫度云圖

圖5 風(fēng)速為2.0 m/s時(shí)各斷面溫度云圖

(3)當(dāng)風(fēng)速為2.3 m/s時(shí)，計(jì)算結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6 風(fēng)速為2.3 m/s時(shí)拱頂溫度云圖

圖7 風(fēng)速為2.3 m/s時(shí)各斷面溫度云圖

不同速度工況下的溫度分布圖總結(jié)如圖8所示。計(jì)算結(jié)果表明，風(fēng)速的不同對(duì)煙氣的回流有著極大的影響。當(dāng)風(fēng)速為1.8 m/s時(shí)，煙氣回流較大，幾乎遍布隧道內(nèi)火災(zāi)上下游，這對(duì)于救援工作的開展和隧道內(nèi)人員的逃生都是極為不利的。隨著風(fēng)速的提高，煙氣的回流開始減小；當(dāng)風(fēng)速設(shè)定為2.3 m/s煙氣幾乎不會(huì)向上游擴(kuò)散，這表明在設(shè)定條件下，該隧道的火災(zāi)臨界風(fēng)速是2.3 m/s。

圖8 不同速度工況下隧道壁面的溫度分布云圖

不同風(fēng)速下的煙氣回流長度如表1所示。從表中分析可知，煙氣回流層長度隨著通風(fēng)速度的降低呈現(xiàn)出非線性增長的趨勢。此外，下游的煙氣層厚度隨著風(fēng)速的增大而增大。

表1 隧道煙氣回流長度

3.2 速度矢量分析

選取兩種風(fēng)速作用下隧道內(nèi)氣流的速度矢量圖見圖9、圖10。

圖9 風(fēng)速2.1 m/s時(shí)回流速度矢量

圖10 風(fēng)速2.2 m/s時(shí)回流速度矢量

由圖9、圖10可以看出，發(fā)生火災(zāi)時(shí)，火源面上方的氣流速度最大，當(dāng)氣流到達(dá)拱頂時(shí)沿進(jìn)風(fēng)方向出現(xiàn)回流，回流的末端氣流較為紊亂，且回流底端多處都有渦流出現(xiàn)。此外，計(jì)算結(jié)果表明，隧道內(nèi)的通風(fēng)速度越大，火源附近的煙氣層厚度就越大。

4 結(jié)論

(1)當(dāng)隧道內(nèi)發(fā)生規(guī)模約為 5 MW 火災(zāi)時(shí)，火災(zāi)煙氣控制的臨界風(fēng)速為 2.3 m/s。

(2)隨著通風(fēng)速度的提高，拱頂最高溫度升高，煙氣回流現(xiàn)象減少，回流層長度和厚度減小，回流底部的渦流也減少。

(3)在火災(zāi)下游，火源附近的斷面煙氣紊亂，之后隨著斷面與火源距離的增加，煙氣分層愈加明顯。

[1] 周勇, 楊林松. 公路隧道災(zāi)害事故分析及其風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[J]. 現(xiàn)代隧道技術(shù), 2013,50(5): 18-28.

[2] 袁建平，方正，黃海峰，等. 水平隧道火災(zāi)通風(fēng)縱向臨界風(fēng)速模型[J]. 土木建筑與環(huán)境工程, 2009, 31(6): 66-70.

[3] 王峰，董國海，王明年. 曲線隧道火災(zāi)煙氣控制臨界風(fēng)速的研究[J]. 現(xiàn)代隧道技術(shù), 2015, 52(5): 84-89.