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        基于CFD的公路隧道火災(zāi)煙氣分布規(guī)律研究*

        2022-11-30 12:06:52丁翠
        工業(yè)安全與環(huán)保 2022年9期
        關(guān)鍵詞:火源拱頂風(fēng)速

        丁翠

        (中國勞動(dòng)關(guān)系學(xué)院 安全工程學(xué)院,北京 100048)

        0 引言

        公路隧道由于其本身結(jié)構(gòu)相對(duì)封閉且縱深較長,一旦發(fā)生火災(zāi),由于受到熱浮力效應(yīng)、煙囪效應(yīng)以及通風(fēng)等影響,極易導(dǎo)致隧道內(nèi)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(duì)隧道整體力學(xué)結(jié)構(gòu)以及隧道內(nèi)人員生命財(cái)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(zāi)煙氣分布規(guī)律對(duì)指導(dǎo)公路隧道人員逃生和消防救援具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

        國內(nèi)外學(xué)者對(duì)隧道火災(zāi)煙氣分布進(jìn)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(fēng)速下隧道火災(zāi)CO濃度及煙氣溫度沿隧道長度衰減規(guī)律,并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得出了火災(zāi)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(duì)隧道火災(zāi)煙氣流動(dòng)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(yù)測模型。GANNOUNI S等[3]利用CFD數(shù)值模擬方法,研究了縱向通風(fēng)隧道內(nèi)通風(fēng)風(fēng)速與車輛阻塞效應(yīng)對(duì)火災(zāi)煙氣回流的影響。SHAFEE S等[4]建立了小尺寸隧道模型,通過實(shí)驗(yàn)研究了縱向通風(fēng)風(fēng)速、油池的深度和大小對(duì)火災(zāi)溫度場、熱釋放速率等的影響。陳溢彬等[5]研究了縱向通風(fēng)條件下噴淋系統(tǒng)對(duì)隧道內(nèi)煙氣分布的影響。王蕾等[6]建立了大型客車火災(zāi)模型,研究了大型客車火災(zāi)隧道內(nèi)煙霧場和溫度場的分布,并與20 MW平方增長火源進(jìn)行了對(duì)比。趙忠杰等[7]建立了“單通風(fēng)井送排式+射流風(fēng)機(jī)”組合隧道縱向通風(fēng)模型,采用FDS軟件研究了隧道30 MW火災(zāi)溫度場和煙氣場隨時(shí)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(zāi)時(shí)期不同火源功率下煙氣對(duì)風(fēng)流分布的影響。韓冬卿[9]采用FDS火災(zāi)模擬軟件研究了隧道內(nèi)通風(fēng)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?qū)K,研究了大曲率、變坡度隧道火災(zāi)情況下隧道內(nèi)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(duì)火災(zāi)煙氣分布的影響,而火災(zāi)煙氣的蔓延受到縱向通風(fēng)風(fēng)速及火源功率等多因素的影響,因此為了更準(zhǔn)確地獲得多因素對(duì)公路隧道火災(zāi)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(fēng)風(fēng)速下隧道內(nèi)煙氣逆流長度、煙氣溫度及CO濃度的分布特征,進(jìn)而為制定合理的應(yīng)急救援方案以及隧道消防設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

        1 公路隧道火災(zāi)模型

        1.1 物理模型

        根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范第一冊(cè)土建工程》(JTG 3370.1—2018)[11],設(shè)計(jì)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(jì)算區(qū)域長度選取300 m。

        1.2 火災(zāi)參數(shù)設(shè)置

        公路隧道火源功率的選擇參考瑞士及挪威有關(guān)部門提供的相關(guān)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(zāi)的可能性較大,本文選取火源功率分別為5、30、50 MW,火源設(shè)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(yīng)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(shí)際火災(zāi)燃燒生成的煙氣成分十分復(fù)雜,與燃料和氧化劑的比例、燃燒材料等因素有關(guān),但煙氣的主要?dú)怏w成分是CO2和CO,燃燒過程中CO的生成量計(jì)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(shè)隧道內(nèi)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(gè)模擬考慮浮力以及重力對(duì)煙氣的影響。由此模擬火源功率分別為5、30、50 MW,縱向通風(fēng)風(fēng)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(shí)隧道內(nèi)煙氣運(yùn)移分布規(guī)律。

        2 數(shù)值模擬分析

        2.1 臨界風(fēng)速

        設(shè)計(jì)研究不同火災(zāi)功率和不同縱向通風(fēng)方式下,火災(zāi)煙氣流動(dòng)擴(kuò)散。根據(jù)煙流滾退距離,得到不同火源功率下臨界風(fēng)速。煙流滾退速度矢量圖如圖1所示,煙流滾退距離與通風(fēng)風(fēng)速的關(guān)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(fēng)風(fēng)速下煙流滾退距離

        由圖2可知,5 MW火源強(qiáng)度下,在通風(fēng)風(fēng)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(dāng)通風(fēng)風(fēng)速達(dá)到2.0 m/s時(shí),煙流滾退距離為0 m,故該火源強(qiáng)度下的臨界風(fēng)速為2.0 m/s;30 MW火源強(qiáng)度下,當(dāng)通風(fēng)風(fēng)速達(dá)到2.2 m/s時(shí),煙流滾退距離為0 m,故該火源強(qiáng)度下的臨界風(fēng)速為2.2 m/s;50 MW火源強(qiáng)度下,通風(fēng)風(fēng)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(qiáng)度下的臨界風(fēng)速為2.2 m/s。由上述分析可知,當(dāng)隧道發(fā)生車輛火災(zāi)時(shí),應(yīng)采取有效的通風(fēng)措施,使隧道內(nèi)的通風(fēng)風(fēng)速不低于2.0 m/s,以降低火災(zāi)煙氣對(duì)隧道上風(fēng)側(cè)的危害。

        2.2 溫度場

        高溫?zé)煔庥捎诟×π?yīng),易聚集在隧道拱頂處,對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)帶來一定威脅,因此主要對(duì)隧道拱頂處溫度場進(jìn)行分析。不同縱向通風(fēng)風(fēng)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(fēng)風(fēng)速下隧道拱頂處溫度

        由圖3分析可知,在火源上風(fēng)側(cè),隧道拱頂處溫度受煙流滾退影響較大,火源上風(fēng)側(cè)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(fēng)側(cè),受到火源高溫?zé)煔獾挠绊?,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(yuǎn)高于火源上風(fēng)側(cè)。隨著火源強(qiáng)度的增大,火源上風(fēng)側(cè)增溫區(qū)和火源下風(fēng)側(cè)的拱頂溫度隨之升高;隨著通風(fēng)風(fēng)速的增大,火源上風(fēng)側(cè)增溫區(qū)和火源下風(fēng)側(cè)的拱頂溫度隨之降低。主要原因是由于上風(fēng)側(cè)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(fēng)流對(duì)流的影響,故其溫度升高但遠(yuǎn)低于火源下風(fēng)側(cè)溫度,而火源下風(fēng)側(cè)拱頂溫度主要受到煙流的熱對(duì)流和熱輻射的影響,在同一火源功率下,通風(fēng)風(fēng)速越大,熱對(duì)流擴(kuò)散作用越強(qiáng),故風(fēng)速越高,拱頂溫度越低。為了進(jìn)一步明晰隧道拱頂溫度隨通風(fēng)風(fēng)速變化的規(guī)律,著重研究了隧道拱頂最高溫度與通風(fēng)風(fēng)速之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系,如圖4所示。由圖4分析可知,拱頂最高溫度隨著通風(fēng)風(fēng)速的增大呈現(xiàn)出指數(shù)下降趨勢(shì),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(fēng)風(fēng)速下拱頂最高溫度

        根據(jù)以上分析,隧道發(fā)生火災(zāi)后,可考慮適當(dāng)加大機(jī)械通風(fēng)風(fēng)量,降低隧道拱頂處溫度。且拱頂溫度在火源處及下風(fēng)側(cè)150 m范圍內(nèi)達(dá)到最大值,在30、50 MW火源功率下高于500℃,嚴(yán)重破壞隧道結(jié)構(gòu),故在大功率火源情況下,應(yīng)考慮采取措施降低拱頂處溫度。

        同時(shí),為了進(jìn)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(guān)聯(lián)關(guān)系,如圖5所示。由圖5分析可知,在同一通風(fēng)風(fēng)速下,隨著火源強(qiáng)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(fēng)風(fēng)速的增大,拱頂最高溫度隨火源強(qiáng)度增大的速度逐漸降低。

        圖5 不同火災(zāi)功率下拱頂最高溫度

        2.3 CO濃度場

        火災(zāi)煙氣中的CO與血紅蛋白結(jié)合,可造成人體CO中毒,因此研究CO的濃度分布對(duì)于人員逃生和救援具有重要意義。不同縱向通風(fēng)風(fēng)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(fēng)風(fēng)速下呼吸帶高度CO體積分?jǐn)?shù)

        由圖6可知,在不同火源功率及不同通風(fēng)風(fēng)速下,火源上風(fēng)側(cè)呼吸帶高度處CO體積分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于0.002 4%,在火源處CO體積分?jǐn)?shù)急劇升高達(dá)到最大值,隨后在下風(fēng)側(cè)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(dòng)下降趨勢(shì),但遠(yuǎn)高于0.002 4%。在同一火源功率下,火源下風(fēng)側(cè)一定范圍內(nèi)(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(fēng)風(fēng)速越大,CO濃度越低,說明此范圍內(nèi)隧道入口風(fēng)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(dòng)下降趨勢(shì),風(fēng)速越小,波動(dòng)范圍越大,CO濃度下降越快,說明此范圍內(nèi)主要受到隧道出口處新鮮風(fēng)流的吸卷稀釋作用,風(fēng)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(dòng)范圍越小,50 MW功率下幾乎無波動(dòng)。

        不同火源功率及不同通風(fēng)風(fēng)速下,火源上風(fēng)側(cè)CO濃度均低于安全濃度(體積分?jǐn)?shù)0.002 4%),而火源下風(fēng)側(cè)CO濃度均遠(yuǎn)高于安全濃度。故若隧道發(fā)生火災(zāi),建議在火源上風(fēng)側(cè)進(jìn)行救援。

        3 結(jié)論

        1)5 MW火源強(qiáng)度下,臨界風(fēng)速為2.0 m/s;30 MW火源強(qiáng)度下,臨界風(fēng)速為2.2 m/s;50 MW火源強(qiáng)度下,臨界風(fēng)速為2.2 m/s。隨著通風(fēng)風(fēng)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(fēng)速有不斷增加的趨勢(shì)。建議隧道發(fā)生車輛火災(zāi)時(shí),應(yīng)保證隧道內(nèi)的通風(fēng)風(fēng)速不低于2.0 m/s,以降低火災(zāi)煙氣對(duì)火源上風(fēng)側(cè)的危害。

        2)同一火源功率下,拱頂最高溫度隨著通風(fēng)風(fēng)速的增大呈現(xiàn)出指數(shù)函數(shù)下降趨勢(shì);同一通風(fēng)風(fēng)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(guān)系,并且隨著通風(fēng)風(fēng)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(zāi)后,可考慮適當(dāng)加大縱向機(jī)械通風(fēng)風(fēng)量,降低隧道拱頂處溫度。

        3)不同火源功率及不同通風(fēng)風(fēng)速下,火源上風(fēng)側(cè)CO濃度均低于安全濃度,在火源處CO濃度急劇升高達(dá)到最大值,隨后在下風(fēng)側(cè)緩慢下降趨于平穩(wěn),由于受到隧道出口處新鮮風(fēng)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(dòng)下降趨勢(shì),但遠(yuǎn)高于安全濃度。故若隧道發(fā)生火災(zāi),建議人員逃生和救援工作應(yīng)在火源上風(fēng)側(cè)進(jìn)行。

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