劉 斌， 毛 軍， 李桂強(qiáng)， 郗艷紅

(1.北京交通大學(xué) 土木建筑與工程學(xué)院， 北京 100044； 2.深圳市交通公用設(shè)施建設(shè)中心， 廣東 深圳 518040)

在我國的公路、鐵路和城市軌道交通中，建設(shè)有大量的隧道和隧道群.例如，截至2015年底，我國已有公路隧道14 006座，總長12 683.9 km，是世界上隧道工程建設(shè)規(guī)模最大、數(shù)量最多的國家[1].由于隧道空間狹窄，近似于封閉空間，一旦發(fā)生車輛火災(zāi)極易引發(fā)嚴(yán)重的后果，如2007年美國洛杉磯洲際公路隧道內(nèi)車輛相撞起火，致3人死亡，10人受傷.因此，隧道火災(zāi)逐漸成為火災(zāi)領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題，引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注.

Li等[2]根據(jù)隧道火災(zāi)實驗數(shù)據(jù)，提出了火災(zāi)煙氣最高溫度經(jīng)驗公式，并指出隧道內(nèi)煙氣溫度最高不超過1 350 ℃；Zhong等[3]研究了地鐵隧道內(nèi)地鐵產(chǎn)生的活塞風(fēng)對煙氣擴(kuò)散的影響，發(fā)現(xiàn)在活塞風(fēng)作用下煙氣的分層現(xiàn)象被破壞，更多的煙氣通過樓梯口向地鐵站廳擴(kuò)散，并指出迂回風(fēng)道和通風(fēng)豎井可以明顯減小活塞風(fēng)幅度；Xi等[4]提出了隧道運(yùn)動火源的計算方法，建立了火災(zāi)熱釋放速率與列車運(yùn)行速度的關(guān)系模型，并得到列車攜帶火源運(yùn)動的合理運(yùn)行速度；Zhang等[5]利用Fluent重疊網(wǎng)格功能研究了地鐵運(yùn)行速度和阻塞比對隧道煙氣特性的影響，發(fā)現(xiàn)列車速度相同時，煙氣最高溫度點(diǎn)不隨著阻塞比變化，而當(dāng)阻塞比相同時，不同列車速度下的最高溫度點(diǎn)也不相同.

在上述研究中，大多數(shù)場景均是隧道中單獨(dú)存在一個火源，少數(shù)考慮到隧道內(nèi)存在其他車輛，而且也只是將其他車輛簡化成靜止障礙物，均未考慮運(yùn)動車輛經(jīng)過火源附近時對火災(zāi)燃燒的影響.因此，本文以公路隧道內(nèi)運(yùn)動汽車經(jīng)過火源附近的情況為典型研究對象，分析不同車速對頂棚射流溫度分布的影響規(guī)律，深化對隧道火災(zāi)的認(rèn)識，并為火災(zāi)救援和人員疏散提供一定的參考.

1 數(shù)值模擬方法驗證

與一般的隧道火災(zāi)問題不同，存在運(yùn)動車輛的隧道火災(zāi)問題不僅涉及火源燃燒，還與車輛的運(yùn)動過程有關(guān)，進(jìn)行精確實驗十分困難，故采用數(shù)值模擬的方法進(jìn)行研究，而且要模擬運(yùn)動車輛對火災(zāi)的影響需要用到動網(wǎng)格技術(shù).FDS雖然在火災(zāi)動力學(xué)的研究中應(yīng)用廣泛[6-7]，但該軟件不具備動網(wǎng)格功能，無法對運(yùn)動邊界等問題進(jìn)行研究.故擬采用Star-cd/ccm+軟件進(jìn)行模擬計算.

Star-cd/ccm+軟件在復(fù)雜運(yùn)動邊界和火災(zāi)煙氣蔓延的相關(guān)計算中均得以應(yīng)用，如風(fēng)障表面的高速列車風(fēng)致空氣脈動壓力分布[8]，著火運(yùn)動列車周圍煙氣場的分布特性[9]，秦嶺隧道火災(zāi)溫度場[10]，火災(zāi)煙氣密度跳躍對空氣卷吸的影響[11]等.為保證計算的準(zhǔn)確性，參照Zhou等[12]的全尺寸隧道火災(zāi)實驗條件進(jìn)行了數(shù)值模擬.隧道長600 m、寬14 m、高7 m，火源位于隧道中心，熱釋放速率為1 MW，縱向通風(fēng)速度為0.9 m/s.火源在中心縱斷面隧道頂部的溫度對比結(jié)果如圖1所示.

圖1表明，計算與實驗的偏差范圍為4%～12%，數(shù)值模擬和實驗數(shù)據(jù)吻合較好，說明本文所用數(shù)值模擬方法的正確性.下面利用Star-cd/ccm+軟件的重疊網(wǎng)格和燃燒模擬功能，研究隧道內(nèi)汽車駛經(jīng)火源附近時對火災(zāi)頂棚射流煙氣溫度分布的影響.

2 運(yùn)動汽車駛經(jīng)火源附近的數(shù)值模擬過程

2.1 計算模型

依托深圳市某公路隧道建設(shè)工程建立幾何模型，設(shè)定火源和運(yùn)動車輛.隧道為單向雙車道，長2 000 m，由于實際工程中存在大量矩形隧道，且拱形隧道和馬蹄形隧道可經(jīng)水力直徑等效變換為矩形隧道[13]，因此本文將隧道截面設(shè)為矩形，寬10 m、高7 m.假定轎車著火，位于左車道中心線，距離隧道入口500 m，將其簡化為長3.4 m、寬2.2 m、高1.5 m的長方體火源.在右車道中心線行駛經(jīng)過火源附近的汽車為某型大容量公交電動車，該車長12 m、寬2.55 m、高3.3 m，且根據(jù)制動距離和制動穩(wěn)定性要求，滿載汽車、列車、無軌電車的最大制動距離為10 m，因此，本文將車輛模型與火源的縱向距離設(shè)置為10 m.計算模型如圖2所示.

2.2 模擬工況及邊界條件

由Ingason[14]提出的交通隧道火災(zāi)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)可知，私人轎車的熱釋放速率為5 MW，且在120 s后達(dá)到最大值.按此設(shè)置火源，并使運(yùn)動汽車在火源燃燒130 s后開始分別以5.56(20),8.33(30),11.11(40),13.89(50),16.67(60)和22.22 m/s(80 km/h)等不同的速度經(jīng)過火源.

按非定常流動理論，初始時刻，隧道內(nèi)各處壓力均為一個大氣壓，空氣處于靜止?fàn)顟B(tài)，環(huán)境溫度為20 ℃.隧道進(jìn)出口均為壓力出口邊界，相對大氣壓為0，隧道進(jìn)出口邊界氣流速度為0；地面及隧道壁面均為無滑移壁面.

2.3 網(wǎng)格無關(guān)性驗證

在數(shù)值模擬中，網(wǎng)格尺寸是計算精度和計算耗費(fèi)時間的關(guān)鍵影響因素.通常來說，網(wǎng)格加密可以提高計算精度，但是，過密的網(wǎng)格又會大大增加計算時間.因此，數(shù)值模擬計算中需要進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗證，以確定最合適的網(wǎng)格.具體網(wǎng)格尺寸可由特征長度D*計算得到

(1)

其中:Q為熱釋放速率，kW;ρo為空氣密度，kg/m3;cp為空氣比熱容，kJ/(kg·K)；To為環(huán)境溫度，K.

根據(jù)文獻(xiàn)[7]，網(wǎng)格尺寸的范圍為(D*/16)～(D*/4)，5MW火源的網(wǎng)格尺寸處于0.1～0.5 m之間.分別選取0.16，0.32和0.42 m三種尺寸的網(wǎng)格進(jìn)行驗證計算，得到相應(yīng)的火源正上方隧道頂部的溫度曲線，如圖3所示.

由圖3可知，網(wǎng)格尺寸為0.18和0.36 m得到的溫度變化曲線基本重合，但當(dāng)網(wǎng)格尺寸為0.42 m的最高溫度要比前兩種情況低，且溫度波動加大.綜合考慮計算精度和計算時間兩方面因素，網(wǎng)格尺寸確定為0.36 m，加密運(yùn)動汽車和火源附近的網(wǎng)格，且運(yùn)動汽車周圍的網(wǎng)格分為重疊區(qū)域和背景區(qū)域，如圖4所示.

兩個區(qū)域之間通過線性插值進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，由此實現(xiàn)對運(yùn)動體的計算.

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

圖5是不同車速下的火源中心正上方隧道頂部煙氣溫度時變曲線.

由圖5可知車輛駛經(jīng)火源附近對火災(zāi)煙氣蔓延的影響程度與其相對于火源的位置有關(guān).隨著時間的推進(jìn)，運(yùn)動車輛與火源的相對位置不斷變化，溫度也在不斷變化，汽車運(yùn)動10 s內(nèi)不同車速下的溫度差異不大，而后溫度差異逐漸增加.因此，該點(diǎn)為運(yùn)動車輛誘導(dǎo)氣流對火源燃燒作用的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，即誘導(dǎo)氣流對火源燃燒的作用逐漸減弱而后趨于穩(wěn)定.據(jù)此，運(yùn)動車輛對火源燃燒的影響可分為兩個階段：①130～140 s，隨著汽車運(yùn)動，火源的正上方隧道頂部的煙氣溫度開始下降，而后逐漸上升；②140 s之后，隧道頂部煙氣溫度逐漸趨于穩(wěn)定，且不同車速下的溫度差異明顯.下面重點(diǎn)研究階段①的情況.

表1 不同車速對火源燃燒開始產(chǎn)生影響時的運(yùn)動時間和距離

由表1可知，不同車速下的運(yùn)動距離均近似為10 m，即當(dāng)運(yùn)動車輛頭部與火源尾部平齊時，運(yùn)動車輛的誘導(dǎo)氣流開始對火源燃燒產(chǎn)生影響.為了更好對階段①進(jìn)行研究，選取4個不同的車輛相對于火源的典型位置：①車輛頭部與火源尾部平齊；②車輛尾部與火源頭部平齊；③火源燃燒受車輛運(yùn)動影響最大，即火源正上方隧道頂部煙氣溫度達(dá)到最小值；④運(yùn)動車輛作用轉(zhuǎn)折點(diǎn)，即車輛運(yùn)動10 s后.以車速為11.11 m/s的工況為例，具體位置如圖6所示.

3.1 橫向溫度分布

運(yùn)動車輛在不同位置時，火源中心橫斷面隧道頂部的煙氣溫度分布如圖7所示.

當(dāng)車輛達(dá)到位置①時，煙氣仍主要受熱浮力的影響而垂直向上運(yùn)動，撞擊到隧道頂棚后，再逐漸向周圍擴(kuò)散；不同車速下煙氣溫度分布基本相同，最高溫度為625 K，位于火源的正上方，火源兩側(cè)的溫度逐漸降低，不同車速對煙氣運(yùn)動的影響不大.

當(dāng)車輛到達(dá)位置②時，煙氣溫度隨著車速的增加先減小，再逐漸上升，車速11.11 m/s對應(yīng)的煙氣溫度要比其他車速下的低.這是由于車輛運(yùn)動產(chǎn)生的誘導(dǎo)氣流不僅可以帶走一部分燃燒產(chǎn)生的熱量，還能增大燃燒物與氧氣的接觸面積，從而使得燃燒產(chǎn)生的熱量增加.在車速為5.56～11.11 m/s的范圍內(nèi)，誘導(dǎo)氣流帶走的熱量要多于增加的熱量，因此，隧道頂部的煙氣溫度隨著車速的增加而減小；但是，當(dāng)車速超過11.11 m/s時，誘導(dǎo)氣流使燃燒面積增大產(chǎn)生的熱量開始比帶走的熱量增多，從而使得煙氣溫度隨著車速的增加不斷升高.

當(dāng)車輛位于位置③時，由于運(yùn)動車輛產(chǎn)生的誘導(dǎo)氣流帶動左車道火源附近的煙氣向右車道運(yùn)動，且在右車道逐漸聚集，從而使得不同車速下煙氣溫度分布均呈從著火車道到車輛經(jīng)過車道先降后升的變化趨勢，且溫度在車速為5.56 m/s時達(dá)到極大值，在車速為11.11 m/s時出現(xiàn)極小值.當(dāng)車輛運(yùn)動到位置④時，煙氣溫度的分布規(guī)律與位置①的類似，煙氣溫度在火源上方附近出現(xiàn)極大值，且在車速為11.11 m/s時達(dá)到最低.

由上述分析可知，當(dāng)運(yùn)動車輛處于位置②和③時，煙氣擴(kuò)散受到的影響較大，與汽車運(yùn)動誘導(dǎo)氣流產(chǎn)生的卷吸和渦旋流動有關(guān).圖8給出了這兩個位置的火源中心橫截面煙氣速度矢量圖.

由圖8可知，當(dāng)車輛處于位置②時，煙氣在車輛誘導(dǎo)氣流作用下，一部分隨著車輛運(yùn)動被帶走，而另一部分在熱浮力和誘導(dǎo)氣流的作用下，先向上運(yùn)動，撞擊頂棚后再向周圍擴(kuò)散；當(dāng)車輛處于位置③時，隧道右側(cè)產(chǎn)生旋渦，一部分煙氣向左側(cè)隧道壁傾斜，使隧道左側(cè)煙氣濃度升高，而另一部分煙氣在渦流的作用下向隧道右側(cè)運(yùn)動，使得隧道中部煙氣濃度降低，隧道右側(cè)煙氣濃度逐漸上升，隧道橫向煙氣溫度出現(xiàn)了兩側(cè)高、中間低的結(jié)構(gòu).

3.2 縱向溫度分布

由于運(yùn)動車輛處于位置②和③時，煙氣擴(kuò)散受到的影響最大.因此，重點(diǎn)分析運(yùn)動車輛到達(dá)這兩個位置時的隧道頂棚射流的縱向溫度分布.圖9給出了火源中心縱剖面上煙氣溫度縱向分布.

當(dāng)汽車處于位置②時，最高溫度點(diǎn)向火源下游偏移，且不同車速下的偏移距離大致相同，均為2.5 m；最高溫度值隨著車速的增加呈先減小后增加的規(guī)律，車速為22.22 m/s時達(dá)到最大，為606 K， 而車速為 11.11 m/s 時的最低， 為492 K.

當(dāng)汽車到達(dá)位置③時，火源正上方的溫度隨著車速的增加而降低，在車速為5.56 m/s時最大，為416 K；而車速為13.89～22.22 m/s時最低，均為330 K.這是由于運(yùn)動車輛的誘導(dǎo)氣流對火焰高度有一定的抑制作用，且車速越快、誘導(dǎo)氣流速度越大，對火焰高度的抑制作用也就越大.因此，火源正上方的溫度隨著車速的增加而降低，當(dāng)車速大于13.89 m/s時，火焰高度達(dá)到最低，溫度也達(dá)到了最小值，不再隨著車速的增加而發(fā)生變化.在運(yùn)動汽車誘導(dǎo)氣流的作用下，最高溫度點(diǎn)向火源上游偏移，偏移范圍在15～18 m，且不同車速下的最高溫度值均相同，大小為425 K.

3.3 縱向溫度衰減規(guī)律

由圖9可知，溫度最高點(diǎn)在車輛到達(dá)位置③時向火源上游偏移的距離超過15 m，該條件下火源上游的被困人員是最危險的.而且，由于火源附近煙氣濃度較高，溫度衰減較慢；而當(dāng)超出一定范圍后煙氣濃度減小，溫度衰減加快.因此，隧道上游煙氣溫度衰減范圍可分為兩個區(qū)域，即由最高溫度點(diǎn)起至上游15 m的平穩(wěn)衰減區(qū)域以及15 m以外的快速衰減區(qū)域.由于不同車速下平穩(wěn)衰減區(qū)域的溫度均比較高(最低溫度大于375 K)，因此，主要研究該區(qū)域的縱向溫度衰減規(guī)律.

前人通過實驗和數(shù)值模擬對隧道火災(zāi)縱向溫度分布進(jìn)行了大量的研究[15-17]，得到了指數(shù)形式的經(jīng)驗公式：

(2)

上述研究均是火源位于隧道中軸線距離隧道側(cè)壁較遠(yuǎn)的情況，Ji等[18]考慮了火源靠近隧道側(cè)壁的情形，提出了如下經(jīng)驗公式：

(3)

圖10表明，當(dāng)車速為5.56～11.11 m/s時，縱向溫度衰減速率隨著車速的增大而逐漸增大；當(dāng)車速大于11.11 m/s時，縱向溫度衰減速率隨著車速的增大而逐步減小，當(dāng)車速為11.11 m/s時縱向溫度衰減速率最大.

通過數(shù)據(jù)擬合，發(fā)現(xiàn)無量綱溫度與無量綱距離的關(guān)系與公式(3)的相關(guān)系數(shù)在0.97～0.99之間，其中系數(shù)A，B可參見表2.

表2 縱向溫度衰減擬合曲線的系數(shù)

(4)

式中，v為車輛運(yùn)動速度(m/s).

由表2的數(shù)據(jù)標(biāo)出系數(shù)k與無量綱速度v*的6個對應(yīng)點(diǎn)的擬合關(guān)系如圖11所示.

通過數(shù)據(jù)擬合可知

k=0.29+0.30e-2.36(v*-1.65)2.

(5)

因此，不同車速作用下的火源上游縱向溫度衰減關(guān)系可用式(6)表示：

(6)

由以上分析可知，當(dāng)車速為11.11 m/s即40 km/h時，在不同截面的溫度值最小，且運(yùn)動汽車在位置③時該速度下上游煙氣縱向衰減速率最大，對上游被困人員的影響最小.

4 結(jié) 論

1) 當(dāng)運(yùn)動車輛頭部與火源尾部平齊時，誘導(dǎo)氣流開始對火源燃燒產(chǎn)生影響；不同速度的車輛運(yùn)動10 s后，誘導(dǎo)氣流對火源燃燒的作用逐漸減弱并趨于平穩(wěn).

2) 當(dāng)運(yùn)動車輛頭部超過火源尾部時，誘導(dǎo)氣流對溫度分布產(chǎn)生影響.車速在5.56～11.11 m/s的范圍內(nèi)時，煙氣溫度隨著車速的增加而降低；車速大于13.89 m/s時，煙氣溫度隨著車速的增加而升高；且當(dāng)車速為11.11 m/s時不同截面的溫度相對最低.

3) 當(dāng)火源燃燒受車輛運(yùn)動影響最大時，火源中心橫斷面隧道頂部煙氣溫度呈現(xiàn)出由左向右先降低后升高的結(jié)構(gòu)；而不同車速下火源中心縱剖面隧道頂部煙氣最高溫度點(diǎn)在上游15～18 m范圍內(nèi)偏移，且最高溫度值均為425 K；最高溫度點(diǎn)上游15 m內(nèi)為縱向溫度平穩(wěn)衰減區(qū)，衰減速率隨著車速的增加先加快后逐漸減慢，且車速為11.11 m/s時溫度衰減速率最快.