李志文 陳榮芳 郭志國副教授 周令劍講師 譚清嵐

(江西理工大學 應(yīng)急管理與安全工程學院,江西 贛州 341000)

0 引言

在隧道火災(zāi)中,頂棚下聚集的高溫煙羽流所形成的熱反饋,對隧道結(jié)構(gòu)會造成嚴重損壞;此外,其擴散方向與人員疏散路徑一致,威脅逃生人員的生命安全[1]。如果火災(zāi)探測器及時檢測到報警溫度,自動報警,迅速啟動其他消防聯(lián)動控制系統(tǒng),將能有效避免大型火災(zāi)發(fā)生和控制火災(zāi)蔓延,從而減少損失。因此,掌握公路隧道火災(zāi)頂棚射流的最高溫度分布及其沿隧道縱向的衰減特征,對于科學布置探測器、設(shè)定其參數(shù)及人員疏散具有重要意義。

目前,有許多國內(nèi)外學者針對交通隧道內(nèi)受限火災(zāi)進行研究,并取得重要成果。Ji等[2]通過理論分析和2組火源位于縮尺地鐵縱向中心線的實驗,提出一種確定天花板下最高純煙氣溫度的簡化計算方法;毛軍等[3]對地鐵隧道列車中部著火情況進行研究,推導(dǎo)夾帶火焰的火焰頂棚射流的平均溫度特性經(jīng)驗公式;Gao等[4-5]探索火源不同橫向位置和不同豎向高度對火焰長度的影響,建立隧道內(nèi)火焰長度計算模型;萬華仙[6]開展在隧道縱向中心線對稱雙火源的燃燒實驗,建立頂棚縱向火焰長度與火源尺寸、間距、火源功率和頂棚高度等參數(shù)的關(guān)系模型;Li等[7]考慮熱釋放率、縱向通風速度和隧道幾何形狀,對天花板下的最高氣體溫度進行理論分析;Kashef等[8]在縮尺隧道模型實驗中,以火災(zāi)發(fā)生處為中心分為“火災(zāi)區(qū)”和“非火災(zāi)區(qū)”2個區(qū)域,研究固定位置火災(zāi)的頂棚溫度分布和煙氣擴散規(guī)律并提出對應(yīng)的預(yù)測公式。

綜上,前人關(guān)于火源位于隧道縱向中心線的研究頗多,且大多數(shù)主要針對火焰行為特征及弱羽流頂棚射流。然而在實際公路隧道火災(zāi)中,發(fā)生火災(zāi)的位置是隨機的,車輛著火的火源功率往往非常大(大于5 MW)。當隧道內(nèi)發(fā)生火源功率較大的火災(zāi)時,火焰容易直接撞擊隧道頂棚,形成火焰頂棚射流,且對不同近壁距離(即火源靠近側(cè)壁的橫向距離)的火源,固壁邊界對空氣存在不同程度地卷吸限制,使得頂棚下方的溫度分布呈現(xiàn)不同規(guī)律,前人對于此類的研究比較缺乏。故本文針對位于不同近壁距離、不同功率火源的火災(zāi)場景下,隧道天花板的最高溫度分布規(guī)律進行研究。該研究有助于彌補和完善經(jīng)典頂棚射流理論在交通隧道等狹長空間特殊邊界約束耦合作用的不足;可為狹長空間的火災(zāi)探測、結(jié)構(gòu)防護及滅火與排煙系統(tǒng)設(shè)計提供科學依據(jù)。

1 理論基礎(chǔ)

1.1 湍流模型的選取

本論文利用火災(zāi)動力學模擬器(Fire Dynamics Simulator,FDS)對隧道火災(zāi)實驗進行模擬,FDS默認運行方式是大渦模擬(Large Eddy Simulation,LES)。其中,FDS中采用的湍流模型是修正的Smagorinsky亞格子模型[9],該模型基于一種混合長度假設(shè),認為湍流黏性正比于亞格子的特征長度△和特征湍流速度。根據(jù)Smagorinsky模型,流體動力黏性系數(shù)μ表示為:

(1)

式中:

ρ—密度,kg/m3;

i,j—維數(shù);

Cs—Smagorinsky常數(shù),一般取0.2。

流體的導(dǎo)熱系數(shù)和物質(zhì)擴散系數(shù)分別表示為:

(2)

(3)

式中:

D—熱擴散系數(shù),m2/s;

kLES—導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K);

Sc—流體的施密系數(shù);

Pr—普朗系數(shù);

cp—流體定壓比熱。

1.2 煙氣溫度預(yù)測模型

Kurioka通過小尺寸隧道實驗臺的實驗,嘗試開發(fā)一個替代的經(jīng)驗公式,最高溫度作為熱釋放速率Q的函數(shù)[10]:

(4)

(5)

式中:

Fr—弗雷德數(shù);

Hd—頂棚距火源的高度,m;

g—重力加速度,m/s2;

ρa—環(huán)境密度,kg/m3;

Tmax—最高煙氣溫度,℃;

T0—環(huán)境溫度,℃;

δ,α—常數(shù),值可以根據(jù)下列條件確定:

(6)

Hu等[10]曾通過全尺寸實驗數(shù)據(jù)和FDS流體動力學數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,對Kurioka等[11]最高煙氣溫度預(yù)測模型進行驗證,結(jié)果表明Kurioka等通過小尺寸實驗所建立的模型具有較好的可靠度,可以推廣應(yīng)用到實際隧道工程中。

1.3 隧道頂棚下最大煙溫經(jīng)驗公式

(7)

2 隧道模型

2.1 隧道幾何模型

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。建立隧道模型為一級兩車道公路隧道,其尺寸長度為300m,建筑限界寬度為11.5m,隧道厚度為0.5m且只考慮火源與襯砌間的能量交換,不考慮內(nèi)部鋼筋和圍巖的影響作用[14]。隧道建筑限界高度:一、二級公路取5.0m?，F(xiàn)實中公路隧道的高度一般為7～9m,寬度為10～14m。故在FDS中隧道尺寸為12.5m×8m×300m,為方便定位火源、各溫度探測器的位置及減少模擬計算量,取網(wǎng)格邊界與隧道尺寸相同?；馂?zāi)模擬的隧道模型,如圖1。

圖1 FDS模擬隧道模型結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 FDS simulation tunnel model structure diagram

美國工廠聯(lián)合組織研究中心曾開展一系列的全尺寸火災(zāi)實驗[15],測量不同高度頂棚的溫度分布。實驗發(fā)現(xiàn),頂棚下方自由發(fā)展的軸對稱煙氣頂棚射流,豎直分布的溫度最大值在頂棚0.01Hd內(nèi),但并不緊貼頂棚壁面?？紤]到頂棚受限,結(jié)合計算,以下模擬實驗的熱電偶均布在頂棚下方10cm位置處,用以測量不同火源功率火源上方典型位置的煙氣溫度值。將火源置于隧道縱向中心線上,隧道縱向以中心火源為對稱點,在近火源處中心火源兩側(cè)每隔0.55m設(shè)一個熱電偶,共40個;在遠火源(與火源的縱向距離大于5.5m)中心火源兩側(cè)每隔5m設(shè)一個熱電偶,共36個,即在整個模擬中共設(shè)76個熱電偶。

2.2 模擬工況及邊界條件

暫不考慮通風帶來的影響,研究火源功率、近壁距離對頂棚下方最高溫度的縱向分布規(guī)律的影響。將隧道中央到側(cè)壁橫向距離平均取3個位置點作為實驗中的3種火源位置,即實驗中工況。模擬試驗工況設(shè)置中近壁距離為2.75m和0m的火源屬于偏置火源(偏離隧道中央放置的火源),見表1。初始條件與邊界條件,見表2。

表1 火災(zāi)模擬工況設(shè)置Tab.1 Setting of fire simulation conditions

表2 模擬設(shè)置的初始條件和邊界條件Tab.2 Initial conditions and boundary conditions of the simulation

其中,火災(zāi)增長系數(shù)α=0.0469kW/s2。當隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時,火源位置離出口越遠,越不易被發(fā)現(xiàn),人員越難以疏散,即火災(zāi)發(fā)生在隧道中央對人員的安全疏散最危險。本文考慮火源設(shè)在隧道最中間位置時的火災(zāi)發(fā)展情況,火源尺寸0.5m×0.5m×0.5m。每個模型模擬時長均為1000s。

2.3 定義材料和反應(yīng)

根據(jù)JTG 3370.1—2018《公路隧道設(shè)計規(guī)范》規(guī)定,隧道的襯砌材料采用混凝土,其比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)分別設(shè)為1.04kJ/(kg·k)和1.8W/(m·k),密度為2280.0kg/m3。公路隧道中的火災(zāi)大多數(shù)為油類火災(zāi),如油罐車爆炸,汽車油箱著火等,依據(jù)燃燒源的類型和燃燒特性定義燃燒反應(yīng)為:庚烷燃燒反應(yīng)。

在模擬中,火災(zāi)模擬都沒有燃燒模型,大多數(shù)使用體積熱源對火災(zāi)進行建模,該體積熱源由時間函數(shù)的熱釋放速率來表示。通常情況下,火災(zāi)發(fā)展到一定階段后,由于受到燃料等限制,火源功率到達最大值后不再增加,此時可認為火源是從時間t2火源變成穩(wěn)定火源。為了簡化模型,本文將火源設(shè)定為穩(wěn)定火源,火源呈正方體,熱釋放速率近似按時間t2規(guī)律發(fā)展。PIARC和法國CETU給出的大型客車火災(zāi)熱釋放速率15～20MW,本文將基于t2火災(zāi)增長,采用LES方法建立火源功率為5和20MW的公路隧道火災(zāi),并應(yīng)用于火災(zāi)動力學模擬器FDS模擬。

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 受限條件下頂棚最高溫度縱向分布規(guī)律

針對工況1和工況6,在近火源處和遠火源處,各取3個熱電偶,分別是火源正上方、28號、18號、12號、06號及00號6個位置處的熱電偶,查看其溫度隨時間的變化,如圖2。由圖2可以看出,各工況下溫度隨時間的變化而不斷上升,經(jīng)過一段時間后,溫度趨于穩(wěn)定,即此時燃燒已進入準穩(wěn)定階段。

圖2 頂棚下方典型位置溫度變化Fig.2 Temperature changes at typical locations under the ceiling

對于火源功率為5MW的3個工況達到穩(wěn)定燃燒的平均穩(wěn)定時間約為486s。而火源功率為20MW的工況4、5、6達到穩(wěn)定燃燒的平均時間約為736s,通過查看相關(guān)運行后的Smokeview軟件,在t=444s時,出現(xiàn)夾帶火焰頂棚射流,之后直到596s,一直為間歇性火焰頂棚射流,t=656s之后,出現(xiàn)持續(xù)的火焰頂棚射流。由此可以看出,火源功率越大,達到穩(wěn)定燃燒的時間就越長。對相同火源功率的工況取其趨于燃燒穩(wěn)定階段的溫度的平均值作為該工況位置的平均最高溫度,得到頂棚下方平均最高溫度縱向分布規(guī)律,如圖3。

由圖3可知,在火源兩側(cè),沿隧道縱向溫度分布基本對稱,且每一側(cè)的溫度測點讀數(shù)呈指數(shù)變化。在遠火源處最高溫度變化受火源距離影響不明顯,但當貼壁距離減小至0m時,在遠火源處,其平均最高溫度小于其他2個橫向位置溫度。在近火源處,特別是火源正上方,貼壁火災(zāi)(即當火源與隧道側(cè)壁距離為0m時的火災(zāi))的平均最高溫度明顯大于非貼壁火災(zāi)。也就說明,不論是火焰還是煙氣羽流撞擊頂棚的頂棚射流,對不接觸側(cè)壁的火源,平均最高溫度幾乎與火災(zāi)位置無關(guān),而對貼壁火災(zāi),由于固壁邊界限制效應(yīng)明顯增強,而火源在貼壁處持續(xù)燃燒,加熱側(cè)壁壁面,此時側(cè)壁對火源的熱反饋相應(yīng)增大,故火源正上方天花板的最高溫度顯著增加。

3.2 溫度比值與偏距間存在的分布關(guān)系

頂棚下方徑向蔓延的煙氣隨著火源橫向近壁距離的改變,將受到隧道兩側(cè)壁不同程度的非對稱卷吸,而不同火源功率的火災(zāi)煙氣撞擊側(cè)壁后所形成的反浮力壁面射流大小也不同。比較2種火源功率下無量綱偏距d/(w/2)改變時,距火源x處頂棚溫升ΔTx與中心火源處頂棚溫升ΔTc比值,如圖4。不同火源功率,貼壁火災(zāi)的無量綱溫升數(shù)據(jù)結(jié)果不同?；鹪丛狡x隧道縱向中心,卷吸受限強度越高,火源功率為5MW的貼壁火災(zāi),不同下游橫截面的溫升值小于非貼壁火源,這是由于其在近火源處,徑向蔓延的煙氣不能到達兩側(cè)壁,此時橫向距離起主導(dǎo)作用,煙氣擴散到遠壁面時損失熱量較多,使得煙氣沿縱向蔓延時,下游的溫升也較小。當火源功率增大至20MW時,釋放的熱量增加,反浮力壁面射流量越大,引發(fā)的煙層溫度越高。近火源處,固壁邊界的熱反饋作用明顯大于橫向的熱量損失,促使貼壁火災(zāi)上方的最高溫升增加,不同下游位置貼壁火災(zāi)的溫升與其他位置基本持平。而在遠火源處,與火源功率大小無關(guān),側(cè)壁對溫升的衰減逐步降低,縱向距離起主導(dǎo)作用。

注:d為火源近壁距離;w為隧道凈寬度圖4 5個典型縱向距離的偏置火源與中心火源的頂棚溫升比值Fig.4 Ceiling temperature rise ratio of five typical longitudinal distance offset fire sources to central fire sources

4 結(jié)論

(1)火源位于隧道不同橫向位置時,頂棚下方最高溫度隨著火源縱向距離的增加均呈指數(shù)形式衰減。

(2)隨著偏置火源到側(cè)壁距離的減小,頂棚下的最高溫升不斷升高。貼壁火災(zāi)正上方的頂棚射流最高溫度明顯高于非貼壁的。

(3)火源功率越大的偏置火源,受側(cè)壁熱反饋作用較橫向距離上溫度的削弱越大;縱向距離對遠火源處溫升起主導(dǎo)作用。