丁翠

（中國勞動關系學院 安全工程學院，北京 100048）

0 引言

公路隧道由于其本身結構相對封閉且縱深較長，一旦發(fā)生火災，由于受到熱浮力效應、煙囪效應以及通風等影響，極易導致隧道內煙氣溫度急劇升高，有毒有害氣體積聚，煙氣難以排出，造成救援困難，對隧道整體力學結構以及隧道內人員生命財產(chǎn)安全和消防人員安全造成極大威脅。因此，研究公路隧道火災煙氣分布規(guī)律對指導公路隧道人員逃生和消防救援具有重大的現(xiàn)實意義。

國內外學者對隧道火災煙氣分布進行了廣泛的研究，HU L H等［1］采用CFD數(shù)值模擬方法分析了不同縱向風速下隧道火災CO濃度及煙氣溫度沿隧道長度衰減規(guī)律，并通過實驗驗證得出了火災煙氣CO濃度及溫度沿隧道長度分布函數(shù)。JI J等［2］研究了坡度對隧道火災煙氣流動規(guī)律的影響，建立了以熱釋放速率和坡度為主要因素的高溫預測模型。GANNOUNI S等［3］利用CFD數(shù)值模擬方法，研究了縱向通風隧道內通風風速與車輛阻塞效應對火災煙氣回流的影響。SHAFEE S等［4］建立了小尺寸隧道模型，通過實驗研究了縱向通風風速、油池的深度和大小對火災溫度場、熱釋放速率等的影響。陳溢彬等［5］研究了縱向通風條件下噴淋系統(tǒng)對隧道內煙氣分布的影響。王蕾等［6］建立了大型客車火災模型，研究了大型客車火災隧道內煙霧場和溫度場的分布，并與20 MW平方增長火源進行了對比。趙忠杰等［7］建立了“單通風井送排式+射流風機”組合隧道縱向通風模型，采用FDS軟件研究了隧道30 MW火災溫度場和煙氣場隨時間的變化規(guī)律，并提出了疏散建議。丁翠［8］數(shù)值研究了巷道火災時期不同火源功率下煙氣對風流分布的影響。韓冬卿［9］采用FDS火災模擬軟件研究了隧道內通風失效的情況下，3種火源功率工況下隧道拱頂處溫度和能見度分布規(guī)律。劉斌等［10］利用Star-CD/CCM+數(shù)值模擬軟件的煙火向導模塊，研究了大曲率、變坡度隧道火災情況下隧道內溫度的縱向分布規(guī)律。

但上述研究中多是考慮單一因素對火災煙氣分布的影響，而火災煙氣的蔓延受到縱向通風風速及火源功率等多因素的影響，因此為了更準確地獲得多因素對公路隧道火災煙氣分布的定量影響，本文采用Fluent模擬軟件，研究不同火源功率及不同縱向通風風速下隧道內煙氣逆流長度、煙氣溫度及CO濃度的分布特征，進而為制定合理的應急救援方案以及隧道消防設計提供依據(jù)。

1 公路隧道火災模型

1.1 物理模型

根據(jù)《公路隧道設計規(guī)范第一冊土建工程》（JTG 3370.1—2018）［11］，設計隧道橫截面為馬蹄形，上半部分為半圓形，下半部分為矩形，選取隧道橫斷面寬度為10.8 m，高度為7.4 m，隧道計算區(qū)域長度選取300 m。

1.2 火災參數(shù)設置

公路隧道火源功率的選擇參考瑞士及挪威有關部門提供的相關數(shù)據(jù)［12］，如表1所示。一般情況下，小轎車、大貨車發(fā)生火災的可能性較大，本文選取火源功率分別為5、30、50 MW，火源設置在隧道的中部。5 MW火源依據(jù)小汽車平面尺寸確定，長×寬×高為4 m×2 m×1.5 m；30、50 MW火源依據(jù)相應車輛平面尺寸確定，取長×寬×高為9.6 m×2.4 m×2.6 m。

表1 車輛類型與燃燒產(chǎn)生的熱量

實際火災燃燒生成的煙氣成分十分復雜，與燃料和氧化劑的比例、燃燒材料等因素有關，但煙氣的主要氣體成分是CO2和CO，燃燒過程中CO的生成量計算式［13］為：

式中，F(xiàn)r為煙流中CO的生成量，m3/s；Qr為燃燒釋放熱量，kW；CO為CO的生成速率常數(shù)，m3/k（J本文取3.22×10-6m3/kJ）。

1.3 邊界條件

假設隧道內無行人，且隧道壁面無滑移情況。隧道兩端均為開口狀態(tài)，隧道入口邊界條件為velocityinle，隧道出口邊界條件為pressure-outlet，整個模擬考慮浮力以及重力對煙氣的影響。由此模擬火源功率分別為5、30、50 MW，縱向通風風速分別為1.5、1.6、1.7、1.8、1.9、2.0、2.1、2.2、2.5 m/s時隧道內煙氣運移分布規(guī)律。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 臨界風速

設計研究不同火災功率和不同縱向通風方式下，火災煙氣流動擴散。根據(jù)煙流滾退距離，得到不同火源功率下臨界風速。煙流滾退速度矢量圖如圖1所示，煙流滾退距離與通風風速的關系如圖2所示。

圖1 煙流滾退速度矢量圖（1.7 m/s，50 MW）

圖2 不同通風風速下煙流滾退距離

由圖2可知，5 MW火源強度下，在通風風速為1.5、1.6、1.7、1.8、1.9 m/s工況下均出現(xiàn)了煙流滾退現(xiàn)象，當通風風速達到2.0 m/s時，煙流滾退距離為0 m，故該火源強度下的臨界風速為2.0 m/s；30 MW火源強度下，當通風風速達到2.2 m/s時，煙流滾退距離為0 m，故該火源強度下的臨界風速為2.2 m/s；50 MW火源強度下，通風風速為1.5、1.6、1.7、1.8、2.0、2.1 m/s工況下均出現(xiàn)了煙流滾退現(xiàn)象，故該火源強度下的臨界風速為2.2 m/s。由上述分析可知，當隧道發(fā)生車輛火災時，應采取有效的通風措施，使隧道內的通風風速不低于2.0 m/s，以降低火災煙氣對隧道上風側的危害。

2.2 溫度場

高溫煙氣由于浮力效應，易聚集在隧道拱頂處，對隧道襯砌結構帶來一定威脅，因此主要對隧道拱頂處溫度場進行分析。不同縱向通風風速下，拱頂處溫度沿隧道長度方向的分布如圖3所示。

圖3 不同縱向通風風速下隧道拱頂處溫度

由圖3分析可知，在火源上風側，隧道拱頂處溫度受煙流滾退影響較大，火源上風側增溫區(qū)的長度范圍與煙流滾退距離基本一致；在火源下風側，受到火源高溫煙氣的影響，隧道拱頂溫度在火源附近陡然增大并趨于穩(wěn)定，該區(qū)域拱頂溫度遠高于火源上風側。隨著火源強度的增大，火源上風側增溫區(qū)和火源下風側的拱頂溫度隨之升高；隨著通風風速的增大，火源上風側增溫區(qū)和火源下風側的拱頂溫度隨之降低。主要原因是由于上風側拱頂處溫度主要受到滾退煙流的高溫和與隧道入口處新鮮風流對流的影響，故其溫度升高但遠低于火源下風側溫度，而火源下風側拱頂溫度主要受到煙流的熱對流和熱輻射的影響，在同一火源功率下，通風風速越大，熱對流擴散作用越強，故風速越高，拱頂溫度越低。為了進一步明晰隧道拱頂溫度隨通風風速變化的規(guī)律，著重研究了隧道拱頂最高溫度與通風風速之間的關聯(lián)關系，如圖4所示。由圖4分析可知，拱頂最高溫度隨著通風風速的增大呈現(xiàn)出指數(shù)下降趨勢，并且火源功率越大，隧道拱頂溫度下降的速率越快。

圖4 不同通風風速下拱頂最高溫度

根據(jù)以上分析，隧道發(fā)生火災后，可考慮適當加大機械通風風量，降低隧道拱頂處溫度。且拱頂溫度在火源處及下風側150 m范圍內達到最大值，在30、50 MW火源功率下高于500℃，嚴重破壞隧道結構，故在大功率火源情況下，應考慮采取措施降低拱頂處溫度。

同時，為了進一步明晰隧道拱頂溫度隨火源功率變化的規(guī)律，研究了隧道拱頂最高溫度與火源功率之間的關聯(lián)關系，如圖5所示。由圖5分析可知，在同一通風風速下，隨著火源強度的增大，拱頂最高溫度呈現(xiàn)正向線性增大，并且隨著通風風速的增大，拱頂最高溫度隨火源強度增大的速度逐漸降低。

圖5 不同火災功率下拱頂最高溫度

2.3 CO濃度場

火災煙氣中的CO與血紅蛋白結合，可造成人體CO中毒，因此研究CO的濃度分布對于人員逃生和救援具有重要意義。不同縱向通風風速下呼吸帶高度處CO濃度沿著隧道長度的變化規(guī)律如圖6所示。

圖6 不同通風風速下呼吸帶高度CO體積分數(shù)

由圖6可知，在不同火源功率及不同通風風速下，火源上風側呼吸帶高度處CO體積分數(shù)遠遠低于0.002 4%，在火源處CO體積分數(shù)急劇升高達到最大值，隨后在下風側緩慢下降趨于平穩(wěn)，隨著與火源距離的增大呈現(xiàn)鋸齒形波動下降趨勢，但遠高于0.002 4%。在同一火源功率下，火源下風側一定范圍內（5 MW約34 m范圍，30 MW約112 m范圍，50 MW約150 m范圍），CO濃度趨于平緩，且通風風速越大，CO濃度越低，說明此范圍內隧道入口風流的稀釋作用越明顯；隨后CO濃度呈現(xiàn)不同程度的鋸齒形波動下降趨勢，風速越小，波動范圍越大，CO濃度下降越快，說明此范圍內主要受到隧道出口處新鮮風流的吸卷稀釋作用，風速越小，吸卷稀釋作用越明顯，渦流范圍越大。隨著火源功率的增大，呼吸帶高度處CO濃度平緩區(qū)范圍越大，波動范圍越小，50 MW功率下幾乎無波動。

不同火源功率及不同通風風速下，火源上風側CO濃度均低于安全濃度（體積分數(shù)0.002 4%），而火源下風側CO濃度均遠高于安全濃度。故若隧道發(fā)生火災，建議在火源上風側進行救援。

3 結論

1）5 MW火源強度下，臨界風速為2.0 m/s；30 MW火源強度下，臨界風速為2.2 m/s；50 MW火源強度下，臨界風速為2.2 m/s。隨著通風風速的增加，煙流滾退距離不斷減小，而隨著火源功率的增大，臨界風速有不斷增加的趨勢。建議隧道發(fā)生車輛火災時，應保證隧道內的通風風速不低于2.0 m/s，以降低火災煙氣對火源上風側的危害。

2）同一火源功率下，拱頂最高溫度隨著通風風速的增大呈現(xiàn)出指數(shù)函數(shù)下降趨勢；同一通風風速下，拱頂最高溫度隨著火源功率的增大呈現(xiàn)正向線性關系，并且隨著通風風速的增大，拱頂最高溫度隨功率增大的速度逐漸降低。建議隧道發(fā)生火災后，可考慮適當加大縱向機械通風風量，降低隧道拱頂處溫度。

3）不同火源功率及不同通風風速下，火源上風側CO濃度均低于安全濃度，在火源處CO濃度急劇升高達到最大值，隨后在下風側緩慢下降趨于平穩(wěn)，由于受到隧道出口處新鮮風流的吸卷和稀釋作用，隨著與火源距離的增大出現(xiàn)鋸齒形波動下降趨勢，但遠高于安全濃度。故若隧道發(fā)生火災，建議人員逃生和救援工作應在火源上風側進行。