高才馳 ,陳寧威 ,陳 飛 ,張小寧

(1.蘇交科集團(tuán)股份有限公司,南京 210019;2.南京地鐵運(yùn)營(yíng)有限責(zé)任公司,南京 210008;3.山東大學(xué)土建與水利學(xué)院,濟(jì)南 250061)

隨著交通網(wǎng)絡(luò)的不斷完善,我國(guó)隧道的數(shù)量也在逐年增加[1]。據(jù)中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸部發(fā)布的《2021 年交通運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》,截至2021 年年底,我國(guó)已有公路隧道23 268 處,總長(zhǎng)2 469.89 萬(wàn)延米。隧道在方便人們出行、提高運(yùn)輸效率的同時(shí),也伴隨著火災(zāi)安全隱患。雖然隧道火災(zāi)事故發(fā)生的頻率不高,但是一旦發(fā)生,造成的損失往往十分重大[2-5]。2017 年,山東省威海市陶家夼隧道火災(zāi)造成13 人死亡,其中11 名是兒童;同年,河北省保定市浮圖峪隧道發(fā)生火災(zāi)爆炸事故,造成15 人死亡,直接經(jīng)濟(jì)損失逾4 200 萬(wàn)元。近年來(lái),新建的隧道結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜[6-11],傳統(tǒng)的隧道火災(zāi)煙氣控制方案可能失效,給隧道消防安全帶來(lái)了新挑戰(zhàn)。在獲取隧道火災(zāi)數(shù)據(jù)時(shí),試驗(yàn)雖最可信[12],但是存在成本高、周期長(zhǎng)、數(shù)據(jù)少等缺點(diǎn);而理論分析基本無(wú)法給出隧道內(nèi)物理場(chǎng)的解析解。數(shù)值模擬能夠給出隧道火災(zāi)發(fā)生、發(fā)展、熄滅全過(guò)程的信息[13-15],并合理預(yù)測(cè)溫度場(chǎng)和煙氣流動(dòng)的特征[16-17],具有成本低、數(shù)據(jù)豐富等優(yōu)點(diǎn)。在隧道火災(zāi)的數(shù)值模擬方面,CFD 模擬是應(yīng)用最廣泛的方法[18],其代表軟件有FDS(Fire Dynamics Simulator,火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模擬工具)、FLUENT 和PHONIECS。借助這些軟件,學(xué)者們對(duì)諸多隧道火災(zāi)場(chǎng)景開(kāi)展了數(shù)值模擬研究。在頂棚下方最大溫度方面,Hu 等[19]通過(guò)FDS 模擬與全尺寸試驗(yàn)的對(duì)比,驗(yàn)證了Kurioka 模型的準(zhǔn)確性;姚堅(jiān)[20]使用FLUENT 軟件模擬了不同縱向風(fēng)速下的溫度場(chǎng)變化規(guī)律,建立了描述隧道火災(zāi)縱向和橫向溫度的近似公式。陳長(zhǎng)坤等[21-22]使用FDS 軟件研究了火源面積對(duì)隧道內(nèi)溫度分布的影響。在煙氣運(yùn)動(dòng)方面,Wang 等[23-24]使用FLUENT 軟件模擬了彎曲隧道發(fā)生火災(zāi)時(shí)的臨界風(fēng)速。Yang 等[25]模擬了隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時(shí)的煙氣流動(dòng)。FLUENT 軟件是常用于火災(zāi)模擬計(jì)算的軟件,但使用FLUENT 軟件計(jì)算得到的隧道火災(zāi)溫度一般都偏高[20],因此有必要對(duì)FLUENT 軟件支持的多種CFD 模型進(jìn)行對(duì)比分析,提出結(jié)果準(zhǔn)確、計(jì)算成本低的模型,為研究隧道內(nèi)火災(zāi)的數(shù)值模擬提供參考。

湍流模型和燃燒模型是計(jì)算隧道火災(zāi)的兩個(gè)重要工具,受到了眾多學(xué)者的關(guān)注。Gao 等[26]對(duì)比了LES((Large Eddy Simulation,大渦模擬)和標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程,認(rèn)為L(zhǎng)ES 能夠更好地模擬煙氣回流和隧道斷面的熱分層現(xiàn)象,但是兩者均高估了隧道內(nèi)的煙氣溫度。Maele 等[27]對(duì)比了LES 和RANS(Reynolds-averaged Navier-Strokes equations,雷諾平均方程)模擬的通風(fēng)良好的水平隧道發(fā)生火災(zāi)時(shí)的臨界風(fēng)速,發(fā)現(xiàn)RANS 給出的預(yù)測(cè)值偏小而LES 偏大。Yang 等[28]和 Xue等[29]對(duì)比了體積熱源(volumetric heat source,VHS)模型、渦旋破碎(eddy break up,EBU)模型和概率密度(probability density function,PDF)模型,發(fā)現(xiàn)不同燃燒模型對(duì)室內(nèi)火災(zāi)的預(yù)測(cè)結(jié)果缺乏良好的一致性。

以往的研究使用FLUENT 軟件進(jìn)行隧道火災(zāi)數(shù)值模擬時(shí),采用的燃燒模型(如體積熱源法、組分PDF 模型等)和湍流模型(如RANS 或LES)不盡相同,甚至物理模型也不相同,如是否擴(kuò)大計(jì)算域、是否考慮壁厚等。Mcgrattan[30]指出,對(duì)于一個(gè)特定火災(zāi)場(chǎng)景,不同的CFD 模型沒(méi)有對(duì)與錯(cuò),只有合適與否。鑒于此,本文選取單管直隧道火災(zāi)場(chǎng)景,首先利用搭建的縮尺試驗(yàn)臺(tái)開(kāi)展試驗(yàn),然后使用FLUENT 軟件,通過(guò)對(duì)比不同物理模型、燃燒模型和湍流模型的計(jì)算值與試驗(yàn)值的差異,篩選出適用于隧道火災(zāi)模擬的CFD 模型,為復(fù)雜結(jié)構(gòu)隧道火災(zāi)模擬提供參考。

1 縮尺試驗(yàn)設(shè)計(jì)

搭建模型開(kāi)展試驗(yàn),1 ∶6 縮尺寸分岔隧道模型示意如圖1 所示。主隧道長(zhǎng)20.0 m,寬1.2 m,高0.9 m,橫截面為矩形,火源位于主隧道中央。隧道骨架由3 mm 厚的鋼板制成,內(nèi)表面使用5 cm厚的石棉板保護(hù)。將石棉板表面處理平整,以盡可能減小壁面摩擦阻力。使用熱電偶樹(shù)測(cè)量隧道內(nèi)縱截面上的溫度分布,熱電偶布置如圖1(a)所示。其中,最高的熱電偶位于頂棚下方9 cm 處,用以測(cè)量頂棚下方的最大溫度。距離火源1 m 的范圍內(nèi),熱電偶樹(shù)的間距為0.25 m;這個(gè)范圍以外,熱電偶樹(shù)的間距為0.5 m。在距離一端口1 m 處安裝一臺(tái)攝像機(jī),記錄火焰形態(tài)。使用邊長(zhǎng)為0.4 m 的方形乙醇池火模擬火源,乙醇純度為99%。用電子天平記錄乙醇的質(zhì)量損失速率,電子天平精度為1.0 g。熱釋放速率通過(guò)質(zhì)量損失率計(jì)算,燃燒效率取1.0。點(diǎn)火前燃料厚度保持在10 cm。環(huán)境溫度約為10 ℃。

圖1 1 ∶6 縮尺寸分岔隧道模型示意

2 數(shù)值模擬模型及設(shè)置

2.1 物理模型

按照縮尺寸試驗(yàn)裝置建立3 種不同的物理模型。第1 種物理模型與縮尺試驗(yàn)臺(tái)相同,但沒(méi)有體現(xiàn)壁厚;第2 種物理模型在隧道兩端口增加兩個(gè)六面體,以消除隧道出口邊界條件對(duì)隧道內(nèi)流場(chǎng)的影響;第3 種物理模型在第2 種物理模型的基礎(chǔ)上體現(xiàn)了壁厚,使流體能夠向隧道壁面散熱。后兩種物理模型的具體尺寸如圖2 所示。

圖2 后兩種物理模型的具體尺寸

2.2 燃燒模型

隧道火災(zāi)模擬常用的燃燒模型有體積熱源法和燃燒速率計(jì)算法。體積熱源法不計(jì)算化學(xué)反應(yīng)速率,直接將火源簡(jiǎn)化為一個(gè)發(fā)熱體,即對(duì)空間內(nèi)位于火焰內(nèi)部的網(wǎng)格添加能量源項(xiàng),其值等于火源功率,計(jì)算方法為

式中,cell 表示網(wǎng)格單元,[flame region] 表示火焰區(qū)。

體積熱源法雖不能考慮火焰形態(tài),模擬的煙氣生成量也比實(shí)際小,但是計(jì)算量不大,能給出較合理的臨界風(fēng)速預(yù)測(cè)值,因此被很多學(xué)者采用[24-25,31-32]。

由于VHS 模型僅考慮了火源對(duì)計(jì)算域熱量的傳遞,沒(méi)有考慮熱煙氣的生成,因此基于Heskestad羽流模型,提出傳質(zhì)體積熱源(mass transfer-volumetric heating source,MT-VHS)模型,該模型能夠在VHS 模型的基礎(chǔ)上釋放熱空氣以模擬火羽流。Heskestad 模型認(rèn)為火源熱煙氣的質(zhì)量流量可以描述為

綜合式(1)～式(3)可得MT-VHS 模型的表達(dá)式?？梢钥闯?在質(zhì)量傳遞方面,該模型能夠?qū)⒎蠈?shí)際量的熱煙氣送入計(jì)算域;在熱量傳遞方面,該模型繼承了體積熱源法的優(yōu)點(diǎn),能夠產(chǎn)生穩(wěn)定功率的熱量,但該模型沒(méi)有考慮空氣卷吸。氣體描述模型決定了氣體的流動(dòng)傳熱狀態(tài),主要參數(shù)包括密度、定壓比熱、導(dǎo)熱系數(shù)和動(dòng)力黏度。為了減少模擬計(jì)算量,本文認(rèn)為熱煙氣是溫度高的空氣。空氣的物性參數(shù)使用擬合的曲線來(lái)表示[32]。

火災(zāi)數(shù)值模擬中,常用的湍流模型有k-ε雙方程模型和大渦模擬。k-ε雙方程模型是雷諾平均方程中的一種,它采取了工程上可接受的、將溫度等物理量進(jìn)行時(shí)間平均的處理方式,因而極大地減少了計(jì)算量;而大渦模擬基于渦旋的能量級(jí)串原則,不對(duì)物理量進(jìn)行時(shí)間平均,直接對(duì)渦旋進(jìn)行模擬計(jì)算。以往學(xué)者在進(jìn)行火災(zāi)模擬計(jì)算時(shí),兩種湍流模型均被使用。下文將對(duì)比兩種模型的計(jì)算結(jié)果。

2.3 模擬工況設(shè)置

空氣的流動(dòng)和熱物性參數(shù)對(duì)火災(zāi)時(shí)的溫度等有直接的影響。常用的布辛涅斯克近似理論僅能適用于溫度變化不大的場(chǎng)景(如自然對(duì)流等)。因此,本文通過(guò)對(duì)空氣在300～2 000 K 之間進(jìn)行擬合,使用得到的擬合公式來(lái)描述空氣在不同情況下的流動(dòng)和熱物性?？諝馕镄詤?shù)隨溫度的變化如表1 所示。

表1 空氣物性參數(shù)隨溫度的變化

為對(duì)比不同物理模型、燃燒模型、氣體描述模型和湍流模型的特點(diǎn),篩選出合理的模型,模擬工況設(shè)置如表2 所示。使用ICEM 軟件劃分結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,并對(duì)火源附近的網(wǎng)格進(jìn)行加密。網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證表明,使用總數(shù)為56 萬(wàn)的網(wǎng)格能夠兼顧準(zhǔn)確性和經(jīng)濟(jì)性。試驗(yàn)中質(zhì)量損失速率為1.32 g·s-1,折合火源功率為35.34 kW。因此在使用VHS 模型時(shí)設(shè)定=35.34 kW。試驗(yàn)中使用的乙醇燃燒時(shí)產(chǎn)生的熱煙氣量很少,總的熱釋放中以熱輻射的形式散失的熱量占比較小,因此取

表2 模擬工況設(shè)置

3 結(jié)果及分析

3.1 頂棚下方的縱向溫度分布

VHS 模型中不同設(shè)置的頂棚下方溫度分布預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)值對(duì)比如圖3 所示。

圖3 VHS 模型中不同設(shè)置的頂棚下方溫度分布預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)值對(duì)比

圖3(a)為使用VHS 模型(即工況A1～A6)300 s 時(shí)頂棚下方的縱向溫度分布?？梢钥闯?使用布辛涅斯克近似計(jì)算的頂棚下方溫度比使用擬合參數(shù)計(jì)算的低200～500 K。布辛涅斯克近似認(rèn)為空氣物性是常數(shù),而隨著溫度升高,空氣密度降低,導(dǎo)熱系數(shù)增大,比熱基本不變,因此空氣的熱擴(kuò)散系數(shù)α=λ/ρc隨著溫度升高而增大,使空氣溫度劇烈升高。VHS 模型不能對(duì)頂棚下方溫度給出準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)值。此外,由圖3(b)可以看出,若模型沒(méi)有擴(kuò)大計(jì)算域,溫度分布可能是嚴(yán)重不對(duì)稱的,這可能是隧道出口邊界條件設(shè)置的影響。實(shí)際的隧道出口存在中性面[34],壓強(qiáng)必定有變化。若不考慮擴(kuò)大計(jì)算域,則在設(shè)置邊界條件時(shí),隧道端口被認(rèn)為是等壓強(qiáng)的。是否考慮壁厚對(duì)溫度影響不大,因此在工況B 組中僅使用擴(kuò)大計(jì)算域的物理模型。

MT-VHS 模型頂棚下方縱向溫度分布與試驗(yàn)值的對(duì)比如圖4 所示。由圖4 可以看出,當(dāng)設(shè)定氣體性質(zhì)為擬合參數(shù)時(shí),該模型對(duì)火源近場(chǎng)的溫度預(yù)測(cè)效果非常好,但是對(duì)火源遠(yuǎn)場(chǎng)的預(yù)測(cè)效果較差。現(xiàn)實(shí)中,煙氣通過(guò)卷吸空氣和向壁面散熱降溫,而在模擬中沒(méi)有考慮壁面的對(duì)流散熱。同時(shí),模擬火源沒(méi)有卷吸周?chē)目諝?熱煙氣與冷空氣之間的剪切流動(dòng)不強(qiáng),這兩個(gè)原因?qū)е禄鹪催h(yuǎn)場(chǎng)的溫度較高。其他設(shè)置相同時(shí),LES 給出的頂棚下方縱向溫度曲線波動(dòng)較標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程的大,原因可能是LES 沒(méi)有進(jìn)行時(shí)間平均。

圖4 MT-VHS 模型頂棚下方縱向溫度分布與試驗(yàn)值的對(duì)比

3.2 頂棚下方最大溫度

使用布辛涅斯克近似會(huì)明顯低估溫度,未加大計(jì)算域可能導(dǎo)致縱向溫度分布不對(duì)稱,因此選取工況A4、B1 和B2 的頂棚下方最大溫度做對(duì)比,頂棚下方最大溫度如圖5 所示,同時(shí)給出了Li 模型[31]的預(yù)測(cè)值。

圖5 頂棚下方最大溫度

可以看出,VHS 模型高估了頂棚下方最大溫度,而MT-VHS 模型的預(yù)測(cè)結(jié)果與Li 模型很接近,誤差在10%以內(nèi)。因此,在使用FLUENT 軟件模擬隧道火災(zāi)時(shí),推薦使用MT-VHS 模型,且在定義空氣性質(zhì)時(shí)推薦使用擬合參數(shù)。

4 結(jié)論

針對(duì)FDS 無(wú)法捕捉復(fù)雜隧道結(jié)構(gòu)的問(wèn)題,本文基于Heskestad 羽流模型,提出了空氣卷吸模型和傳質(zhì)體積熱源模型,并選取典型隧道火災(zāi)場(chǎng)景,比較了不同物理模型、燃燒模型、氣體描述模型的計(jì)算結(jié)果,最后將模擬結(jié)果與縮尺試驗(yàn)相比較,篩選出了科學(xué)經(jīng)濟(jì)的CFD 模型。具體結(jié)論如下:

(1) 在隧道兩端出口加大計(jì)算域能夠消除不合理的邊界條件對(duì)隧道內(nèi)溫度場(chǎng)的影響。隧道端口存在中性面,因此端口處的壓強(qiáng)必定有變化,而不擴(kuò)大計(jì)算域的物理模型,簡(jiǎn)單地將端口處的壓強(qiáng)認(rèn)為是一個(gè)常數(shù)不夠合理。數(shù)值模擬結(jié)果也表明,若沒(méi)有加大計(jì)算域,隧道頂棚下方溫度縱向分布可能變得不對(duì)稱。隧道壁厚對(duì)溫度影響不大。

(2) 空氣熱物性參數(shù)決定了隧道內(nèi)的溫度場(chǎng)。其他模型設(shè)置相同時(shí),布辛涅斯克近似給出的隧道內(nèi)溫度較低,擬合參數(shù)給出的溫度較高。布辛涅斯克近似假設(shè)空氣性質(zhì)不變,但實(shí)際上隨著溫度的升高,空氣密度降低,導(dǎo)熱系數(shù)增大,導(dǎo)致空氣的熱擴(kuò)散系數(shù)增大,使頂棚溫度急劇升高。由于沒(méi)有考慮壁面散熱,使用空氣擬合參數(shù)計(jì)算得到的溫度較高。

(3) 加大計(jì)算域、燃燒模型采用MT-VHS 的設(shè)置能夠給出隧道頂棚下方最大溫度較好的預(yù)測(cè)值,本文的誤差在10%以內(nèi)。但是該模型沒(méi)有考慮壁面的散熱和空氣卷吸,因此給出的縱向溫度分布比試驗(yàn)值高。

本文選取了典型火災(zāi)場(chǎng)景,對(duì)比了不同CFD 模型的計(jì)算結(jié)果,確認(rèn)了傳質(zhì)體熱源模型的科學(xué)性和經(jīng)濟(jì)性,為復(fù)雜隧道內(nèi)火災(zāi)的數(shù)值模擬提供了科學(xué)的方法。雖然該模型對(duì)頂棚下方最大溫度的預(yù)測(cè)較準(zhǔn)確,但是對(duì)縱向溫度分布的預(yù)測(cè)值偏大,需要考慮對(duì)流換熱系數(shù)。此外,通風(fēng)情況下的火羽流形態(tài)和空氣卷吸發(fā)生改變,傳質(zhì)體積熱源模型中的質(zhì)量傳遞的量以及火焰長(zhǎng)度和傾斜角度需要修正,此外,本文沒(méi)有考慮火焰觸頂?shù)墓r,將作為下一步的研究方向。