馬 鮮，萬華仙,2，張玉春

(1.西南交通大學(xué) 地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川 成都 611756；2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 火災(zāi)科學(xué)國家重點實驗室，安徽 合肥 230026)

0 引言

隨著世界公路隧道數(shù)量快速增長，隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)的頻率也在逐漸增加。由于隧道呈狹長形受限空間，受通風(fēng)條件限制，火災(zāi)產(chǎn)生的高溫有毒煙氣在隧道內(nèi)聚集，易造成人員傷亡和隧道損毀[1-2]。當隧道發(fā)生火災(zāi)時，一方面，隧道內(nèi)自然通風(fēng)和機械通風(fēng)形成的縱向風(fēng)流會影響火羽流行為；另一方面，火災(zāi)易造成車輛堵塞，車輛自身作為障礙物會阻礙空氣流入，形成風(fēng)阻，影響火行為并對人員疏散逃生造成影響[3]。因此，開展城市公路隧道縱向通風(fēng)和障礙物共同影響下的煙氣行為研究具有重要意義。

溫度是隧道火災(zāi)研究重要參數(shù)之一，隧道頂棚下方氣體溫度研究結(jié)果可為火災(zāi)自動報警系統(tǒng)、滅火系統(tǒng)等設(shè)計提供參考。以往隧道火災(zāi)研究主要集中在單個火源燃燒情況下，研究火源功率、隧道縱向風(fēng)速以及障礙物等對隧道頂棚溫度的影響。其中，Kurioka等[4]研究隧道縱向風(fēng)速對近火源溫度場的影響，并建立隧道頂棚下方煙氣最高溫度的經(jīng)驗?zāi)Ｐ停缓∪A等[5]開展全尺寸隧道火災(zāi)實驗，驗證Kurioka模型準確性；趙望達等[6]開展數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)，Kurioka模型在無風(fēng)或風(fēng)速很小時其預(yù)測結(jié)果誤差較大。對于單火有障礙物的場景，Kayili[7]研究阻塞比和通風(fēng)對隧道火災(zāi)的影響，發(fā)現(xiàn)阻塞比增大會導(dǎo)致火災(zāi)熱釋放速率增大，而通風(fēng)速度增加會降低隧道內(nèi)溫度；Tang等[8]研究障礙物與火源相鄰情況下頂棚最高溫度，發(fā)現(xiàn)隨著障礙物到火源距離的增加，頂棚溫度呈現(xiàn)先增加后減小的規(guī)律；Meng等[9]數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)，隨著阻塞比和通風(fēng)速度的增加，單火羽流傾斜角度從火源下游傾斜向火源上游傾斜轉(zhuǎn)變。

上文研究均基于隧道內(nèi)單火源燃燒場景。但在實際隧道火災(zāi)中，往往由于車輛碰撞引起火災(zāi)。比如，2014年山西巖后隧道火災(zāi)[10]，2輛卡車相撞導(dǎo)致火災(zāi)，蔓延到另外33輛汽車，事故造成40死12傷?？梢钥闯觯卮笏淼阑馂?zāi)事故往往伴隨著多個阻塞車輛同時燃燒。因此，亟需開展縱向通風(fēng)和障礙物影響下隧道內(nèi)多火源燃燒的煙氣運動行為研究。在已有研究中，Zhang等[11]研究雙火源在不同縱向風(fēng)速、火源功率和間距下頂棚最高溫度，發(fā)現(xiàn)火源間距和風(fēng)速越大，對頂棚下方溫度影響越小；劉瓊和鄭烽[12]研究隧道內(nèi)雙火源燃燒臨界風(fēng)速，發(fā)現(xiàn)相同火源功率下，臨界風(fēng)速隨火源間距增加而減小。但是，關(guān)于隧道多火源研究中均沒有考慮阻塞比這一重要影響因素。目前尚缺乏阻塞比對隧道內(nèi)多火羽流行為影響研究。

因此，本文運用FDS(Fire Dynamics Simulator)數(shù)值模擬方法開展縱向通風(fēng)速度和阻塞比對隧道內(nèi)雙火羽流溫度分布的影響研究，并建立考慮阻塞比的隧道內(nèi)雙火羽流在頂棚下方最高煙氣溫度預(yù)測模型。研究結(jié)果可為隧道火災(zāi)防治提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論參考。

1 模型設(shè)置

1.1 模型介紹

本文主要采用FDS6.7.0版本進行建模，其包括直接數(shù)值模擬(DNS)和大渦模擬(LES)2種類型[13]。由于LES在處理浮力和湍流相互作用時的優(yōu)勢較為顯著，因此在火災(zāi)場景模擬計算中應(yīng)用更為廣泛[14]。FDS模擬數(shù)據(jù)通過與實驗數(shù)據(jù)對比，驗證了其用于模擬隧道火羽流溫度的可行性[15-16]。

考慮到實際城市公路隧道高寬比，本文模型隧道長120 m，寬10 m，高6 m，如圖1所示。2個相同火源(長4 m，寬2 m，高1.5 m)放置于隧道縱向中心線上用于模擬2輛小型車燃燒，上游火源中心距離隧道左側(cè)出口60 m，上、下游火源相鄰邊距離為3 m。每個火源的火源功率增長曲線設(shè)置為t2曲線，達到穩(wěn)定燃燒的火源功率固定為5 MW。模擬火源的燃料設(shè)置為丙烷(C3H8)，燃燒參數(shù)為FDS默認值。模擬阻塞車輛障礙物長度為4 m，寬度為8 m，5個障礙物高度分別為1.125，2.25，3.375，4.5，5.625 m。阻塞比通常定義為障礙物橫截面面積與隧道橫截面面積之比[8]，即5個阻塞比(φ)分別為15%，30%，45%，60%，75%。如圖1(b)所示，障礙物與上游火源相鄰邊距離為5 m。隧道右側(cè)出口為自然通風(fēng)，左側(cè)出口設(shè)置縱向通風(fēng)，共設(shè)置6個通風(fēng)速度(v)，分別為0，1.2，2.4，3.6，4.8，6 m/s。本文共設(shè)置30個模擬工況，隧道壁面材料設(shè)置為混凝土，其密度為2 200 kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)為1.2 W/(m·K)，比熱容為0.88 kJ/(kg·K)，環(huán)境溫度設(shè)置為20 ℃。

圖1 阻塞場景下隧道內(nèi)雙火源模型示意Fig.1 Schematic diagram of double fire sources in tunnel model under blockage scene

模擬過程中，在隧道縱向中心截面Y=5.0 m、橫向水平截面Z=2.0 m和Z=5.75 m分別設(shè)置溫度、速度和一氧化碳(CO)體積分數(shù)切片。模擬時長設(shè)定為80 s，模擬結(jié)果表明20 s之后火源功率達到設(shè)定值，因此下文時長參數(shù)取值為60～80 s平均值。

1.2 網(wǎng)格選取

FDS模擬中，網(wǎng)格大小是影響模擬結(jié)果準確性的重要因素。FDS手冊[14]中推薦了1種網(wǎng)格劃分方法，其計算如式(1)所示：

(1)

對于火源功率為5 MW的火災(zāi)，根據(jù)式(1)計算的網(wǎng)格尺寸在0.11～0.5 m。由此選取5種不同的網(wǎng)格尺寸0.1，0.125，0.167，0.25，0.5 m進行比較。圖2所示為典型工況在不同網(wǎng)格尺寸下火源下游4 m的豎向溫度分布。

圖2 不同網(wǎng)格尺寸下火源下游4 m處的豎向溫度分布Fig.2 Vertical temperature distribution at 4 m downstream of fire source under different grid sizes

由圖2可以看出，隨著網(wǎng)格尺寸的減小，溫度分布曲線趨于一致，從模擬頂棚煙氣溫度準確性角度看，除0.5 m網(wǎng)格以外，其他4種網(wǎng)格模擬的豎向溫度值在近頂棚區(qū)域內(nèi)(Z=5～6 m)相近，這意味著當網(wǎng)格尺寸小于0.25 m時，更小的網(wǎng)格尺寸只會導(dǎo)致更多的計算時間，而計算精度不再顯著提高。因此，為保證計算精度，縮短模擬計算時間，選取網(wǎng)格尺寸為0.25 m?？紤]到火源附近流場復(fù)雜，對該區(qū)域網(wǎng)格進行加密。因此在模擬中，火源近區(qū)(X=42～74 m，Y=0～10 m，Z=0～6 m)的網(wǎng)格尺寸確定為0.125 m×0.125 m×0.125 m(長×寬×高)，兩側(cè)火源遠區(qū)的網(wǎng)格尺寸確定為0.25 m×0.25 m×0.25 m(長×寬×高)。

2 結(jié)果與討論

2.1 阻塞比對縱向溫度分布的影響

圖3所示為通風(fēng)速度v=0 m/s時不同阻塞比下，縱向中心截面在火源近區(qū)X=42～74 m的溫度分布?？梢钥闯?，v=0 m/s時，雙火源火焰輪廓類似，近似于對稱燃燒，且不同阻塞比(φ)下均發(fā)生了明顯的煙氣逆流。當φ=15%，45%時，阻塞比影響較小，上、下游煙氣層厚度相當；當φ=75%時，由于障礙物高度較大，阻礙煙氣向上游蔓延，更多煙氣流向火源下游，導(dǎo)致下游煙氣層厚度增加。

圖3 v=0 m/s時不同阻塞比下縱向中心截面溫度分布Fig.3 Temperature distribution of longitudinal center section under different blockage ratios at v=0 m/s

圖4所示為通風(fēng)速度v=0 m/s時頂棚下方0.25 m處縱向中心線上溫度分布?？梢钥闯觯捎陔p火源的存在，出現(xiàn)了2個基本相同的峰值溫度，且阻塞比對峰值溫度影響較??；上游火源溫度衰減速率大于下游火源，這可能是由于通風(fēng)的冷卻作用導(dǎo)致的；無風(fēng)條件下的溫度變化規(guī)律是雙火源特有的，頂棚下方火源之間的區(qū)域羽流流動方向相反且競爭卷吸空氣，導(dǎo)致該區(qū)域內(nèi)溫度較高，這與無風(fēng)時隧道內(nèi)單火源燃燒存在障礙物時只產(chǎn)生1個溫度峰值，且在火源兩側(cè)溫度逐漸下降的規(guī)律不同。

圖4 v=0 m/s時不同阻塞比下頂棚下方0.25 m處縱向中心線溫度分布Fig.4 Temperature distribution of longitudinal centerline at 0.25 m below ceiling under different blockage ratios at v=0 m/s

如圖5所示為通風(fēng)速度v=3.6 m/s時不同阻塞比下縱向中心截面溫度分布。可以看出，在較大風(fēng)速較小阻塞比(φ=15%)下雙火焰均明顯向下游傾斜，沒有煙氣逆流。這是由于較小阻塞比條件下，較大縱向通風(fēng)對火源燃燒起主要作用。隨著阻塞比增大，如圖5(b)～圖5(c)，障礙物對雙火羽流形態(tài)影響較大，此時下游火源繼續(xù)向下游傾斜，而上游火源轉(zhuǎn)變?yōu)橄蛏嫌蔚恼系K物傾斜。這是由于上游火源對下游火源的遮擋作用，障礙物對下游火源影響相對較小，當風(fēng)流越過障礙物表面，在障礙物與上游火源之間形成附壁效應(yīng)，導(dǎo)致上游火羽流向障礙物方向傾斜，且風(fēng)速越大，附壁效應(yīng)越明顯。

圖5 v=3.6 m/s時不同阻塞比下縱向中心截面溫度分布Fig.5 Temperature distribution of longitudinal center section under different blockage ratios at v=3.6 m/s

如圖6所示為通風(fēng)速度v=3.6 m/s時頂棚下方0.25 m處縱向中心線溫度分布?？梢钥闯?，該風(fēng)速下縱向溫度只有1個峰值，出現(xiàn)在下游火源的下游，且相比于v=0 m/s時，溫度峰值大幅度降低。此外，隨著阻塞比從15%增大到75%，峰值溫度呈現(xiàn)下降趨勢，這是因為隨著阻塞比增大附壁效應(yīng)增強，導(dǎo)致上游火源更多向障礙物傾斜，更少熱量流向下游，頂棚峰值溫度降低。

圖6 v=3.6 m/s時不同阻塞下頂棚下方0.25 m處縱向中心線溫度分布Fig.6 Temperature distribution of longitudinal centerline at 0.25 m below ceiling under different blockage ratios at v=3.6 m/s

2.2 縱向通風(fēng)風(fēng)速對縱向溫度分布的影響

如圖7所示為阻塞比φ=15%時不同風(fēng)速下縱向中心截面溫度分布。由圖7可以看出，在小阻塞比條件下，通風(fēng)對雙火羽流行為起主導(dǎo)作用；在較小風(fēng)速(v=1.2 m/s)時，煙氣出現(xiàn)明顯的逆流現(xiàn)象，隨著風(fēng)速增加(v=3.6，6.0 m/s)，上下游火源均向下游明顯傾斜，沒有發(fā)生煙氣逆流，且上游火源傾斜角度遠大于下游火源。

圖7 φ=15%時不同風(fēng)速下縱向中心截面溫度分布Fig.7 Temperature distribution of longitudinal center section under different wind velocities at φ=15%

如圖8所示為阻塞比φ=15%時頂棚下方0.25 m處縱向中心線溫度分布。由圖8可以看出，當v≤1.2 m/s，出現(xiàn)2個明顯的溫度峰值，且火源之間區(qū)域頂棚溫度較高。當v≥2.4 m/s，只出現(xiàn)1個溫度峰值，隨著風(fēng)速的增加，溫度峰值逐漸減小，且出現(xiàn)的溫度峰值位置逐漸向下游傾斜。

圖8 φ=15%時不同風(fēng)速下頂棚下方0.25 m處縱向中心線溫度分布Fig.8 Temperature distribution of longitudinal centerline at 0.25 m below ceiling under different wind velocities at φ=15%

如圖9所示為阻塞比φ=60%時不同風(fēng)速下縱向中心截面溫度分布。由圖9可以看出，隨著風(fēng)速v增大，煙氣逆流現(xiàn)象不再明顯，當v≥3.6 m/s，障礙物與上游火源之間出現(xiàn)明顯附壁效應(yīng)，且附壁效應(yīng)隨風(fēng)速增大越明顯。結(jié)合圖3，圖5，圖7和圖9可以發(fā)現(xiàn)，雙火羽流的傾斜規(guī)律存在與單火源類似的結(jié)論，即增加通風(fēng)速度會降低隧道內(nèi)溫度[7]，且隨著阻塞比和通風(fēng)速度的增加，火羽流傾斜角度從向火源下游傾斜轉(zhuǎn)變?yōu)橄蚧鹪瓷嫌蝺A斜[9]。但不同于單火源的是，雙火源條件下，下游火源傾斜方向受阻塞比和通風(fēng)的影響較小。

圖9 φ=60%時不同風(fēng)速下縱向中心截面溫度分布Fig.9 Temperature distribution of longitudinal center section under different wind velocities at φ=60%

如圖10所示為阻塞比φ=60%時頂棚下方0.25 m處的頂棚縱向中心線溫度分布。由圖10可以看出，與小阻塞比類似，小風(fēng)速時出現(xiàn)了2個明顯溫度峰值，隨著風(fēng)速增加，溫度峰值變?yōu)?個。

圖10 φ=60%時不同風(fēng)速下頂棚下方0.25 m處縱向溫度分布Fig.10 Temperature distribution of longitudinal centerline at 0.25 m below ceiling under different wind velocitie at φ=60%

2.3 頂棚下方最高氣體溫度分析及建模

圖11所示為頂棚下方最高氣體溫度(Tmax)隨縱向風(fēng)速(v)和阻塞比(φ)的變化。由圖11可以看出，隨著風(fēng)速增大，Tmax逐漸減小，且在v≤1.2 m/s時，Tmax均在250 ℃以上，而當v≥2.4 m/s后，Tmax明顯減小，均在200 ℃以下。這是因為在風(fēng)速較大時，會在障礙物后方形成低壓區(qū)，從而吸引火羽流傾向于障礙物后方，從而導(dǎo)致Tmax迅速降低。此外，同一風(fēng)速不同阻塞比下的Tmax差異較小，最大差值在50 ℃以內(nèi)，說明阻塞比對最高溫度的影響相對較小。

圖11 不同工況下頂棚最高溫度Fig.11 Maximum ceiling temperature under different conditions

在目前已有研究中，Kurioka等[4]在5個不同尺寸的模型隧道中開展了一系列單火源燃燒實驗，得到無障礙物時隧道頂棚下方無量綱最高溫升與無量綱火源功率和弗勞德數(shù)的經(jīng)驗關(guān)系，如式(2)所示：

(2)

需要說明的是Kurioka模型[4]中未考慮阻塞比對最高溫升的影響。隧道內(nèi)存在障礙物時，控制體如圖12所示，基于流體力學(xué)理論，當空氣流體以一定水平縱向通風(fēng)速度v流經(jīng)障礙物截面，會在越過障礙物之后速度增大到v′的流體。

圖12 控制體中通風(fēng)風(fēng)流越過障礙物前后速度變化示意Fig.12 Schematic diagram of control volume of velocity change before and after the ventilated airflow passes over the obstacle

根據(jù)流體質(zhì)量守恒定律，越過障礙物前后流體的質(zhì)量流率不變，見式(3)所示：

v·Wt·Ht=v′(Wt·Ht-Wb·Hb)

(3)

式中：Wt和Ht分別為模擬隧道的寬和高，m；Wb和Hb分別為障礙物的寬和高，m。

根據(jù)障礙物定義，見式(4)所示：

φ=WbHb/(WtHt)

(4)

由式(3)～(4)得出式(5)：

v′=v/(1-φ)

(5)

借鑒Kurioka模型[4]，將式(2)中的v用式(5)中的v′替換，得到利用阻塞比修正后的弗勞德數(shù)如式(6)所示：

Fr′=v′2/(gHd)

(6)

(7)

圖13 無量綱最高溫升預(yù)測模型Fig.13 Prediction model of normalized maximum temperature rise

3 結(jié)論

1)相同阻塞比小風(fēng)速時，頂棚下方0.25 m處縱向出現(xiàn)2個峰值溫度，隨著風(fēng)速增大，煙氣逆流消失，頂棚最高溫度不斷降低，溫度峰值逐漸變?yōu)?個。

2)相同風(fēng)速下，隨著阻塞比增大，下游火源始終向下游傾斜，而上游火源逐漸由向下游傾斜轉(zhuǎn)變?yōu)橄蛏嫌蝺A斜。

3)基于流體力學(xué)理論，引入阻塞比修正無障礙物時弗勞德數(shù)Fr數(shù)，進而建立適用于隧道內(nèi)有障礙物情況下的雙火羽流頂棚最高溫升分段預(yù)測模型，模型可為隧道內(nèi)堵塞條件下頂棚溫度預(yù)測提供數(shù)據(jù)支撐和參考依據(jù)。