尹海欽

摘要：本文以公路雙車道直線隧道與曲率半徑300m曲線隧道中不同寬度的火源作為研究對(duì)象，利用FDS軟件，對(duì)在縱向通風(fēng)1.7m/s情況下兩座隧道中不同寬度火源產(chǎn)生的煙氣進(jìn)行數(shù)值模擬。結(jié)果表明：火源煙氣逆流長(zhǎng)度隨著火源寬度的增加而減??；相同火源寬度的情況下，直線隧道的煙氣逆流長(zhǎng)度均高于曲線隧道的煙氣逆流長(zhǎng)度；隨著火源寬度的增加，曲線隧道的煙氣逆流長(zhǎng)度越來越接近直線隧道。研究結(jié)果對(duì)公路隧道通風(fēng)排煙設(shè)計(jì)和規(guī)范制定提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：公路隧道；煙氣逆流長(zhǎng)度；隧道火災(zāi)

引言

隧道作為公路交通網(wǎng)的重要部分，不僅保障了公路的連貫性，更是對(duì)提升運(yùn)輸效率起到了關(guān)鍵作用，因而得到了廣泛的應(yīng)用。截止2022年底，全國(guó)公路隧道已修建24850處，長(zhǎng)度共計(jì)2678.43萬延米[1]。雖然公路隧道帶來的優(yōu)點(diǎn)較多，但是由于其自身具有縱向狹長(zhǎng)，內(nèi)部較為封閉，通風(fēng)受限等結(jié)構(gòu)特點(diǎn)[2]，一旦發(fā)生火災(zāi)，會(huì)導(dǎo)致有害高溫氣體迅速蔓延，同時(shí)人員和車輛不能及時(shí)疏散，最終會(huì)造成嚴(yán)重的后果。1999年勃朗峰隧道內(nèi)一輛滿載貨物的卡車突發(fā)火情，隨后火勢(shì)迅速擴(kuò)散并點(diǎn)燃隧道內(nèi)其他車輛，事故最終造成了41人死亡，36輛汽車被燒毀[3]。因此需要對(duì)隧道火災(zāi)展開研究，提出火災(zāi)的控制與應(yīng)對(duì)措施。目前為止，主流的隧道火災(zāi)控制手段都是利用隧道內(nèi)部原有的通風(fēng)系統(tǒng)對(duì)火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣進(jìn)行抑制，包括自然排煙和機(jī)械排煙，機(jī)械排煙又包含橫向、半橫向和縱向排煙[4]?？v向排煙相較于橫向排煙具有成本低、靈活性高等特點(diǎn)，被大多數(shù)隧道設(shè)計(jì)者采用，因此大量學(xué)者對(duì)隧道內(nèi)縱向通風(fēng)控制火災(zāi)展開了研究。

以上為主流學(xué)者廣泛引用驗(yàn)證的隧道煙氣逆流研究成果，其研究焦點(diǎn)主要在隧道本身結(jié)構(gòu)對(duì)煙氣造成的影響。此外還有一小部分學(xué)者圍繞火源形狀對(duì)煙氣的影響開展研究，馮凱[8]、于年灝[9]對(duì)隧道中一系列長(zhǎng)寬不同的火源展開數(shù)值模擬研究，結(jié)果表明在隧道結(jié)構(gòu)不變的情況下，火源寬度越寬，抑制煙氣所需的臨界風(fēng)速就越大；火源長(zhǎng)度的變化基本不會(huì)造成臨界風(fēng)速的變化。除了直線隧道，還有相當(dāng)一部分學(xué)者分析了曲線隧道等復(fù)雜結(jié)構(gòu)隧道對(duì)煙氣造成的影響。徐柳[10]、Zhang[11]等學(xué)者指出，曲線隧道不同于直線隧道，彎曲的壁面會(huì)對(duì)火災(zāi)產(chǎn)生的熱煙氣造成額外沿程阻力，導(dǎo)致擴(kuò)散速度減慢。轉(zhuǎn)彎半徑越小阻力越大，煙氣逆流長(zhǎng)度越短。目前為止，尚無學(xué)者針對(duì)曲線隧道中的不同寬度的火源進(jìn)行研究，由于新能源車輛種類和隧道數(shù)量的日益增加，隧道發(fā)生火災(zāi)的情況也在日趨復(fù)雜化，因此有必要對(duì)此類情況進(jìn)行研究，為隧道火災(zāi)通風(fēng)控制措施提供參考。

一、數(shù)值模擬

（一）物理模型設(shè)計(jì)

依據(jù)JTG3370.1-2018《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》，本研究對(duì)雙車道隧道進(jìn)行建模，分別建立一條直線隧道和曲率半徑為300m的曲線隧道模型。為方便模擬分析，根據(jù)等效原則，隧道的斷面被設(shè)置為矩形，寬9m高6m，壁面厚度為1m，隧道總共長(zhǎng)200m，隧道整體模型如圖1所示。

火源熱釋放速率HRR是衡量隧道火災(zāi)規(guī)模的主要因素，其大小直接反映了火災(zāi)中煙氣的蔓延速率和溫度分布。在隧道防火設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)道路狀況，確定適當(dāng)?shù)能囕v火災(zāi)熱釋放率，根據(jù)《城市地下道路工程設(shè)計(jì)規(guī)范》統(tǒng)計(jì)，小汽車的熱釋放速率為3～5MW、巴士為15～20MW、重型車為20～30MW。因此設(shè)定火源功率7.5MW來模擬大部分火災(zāi)發(fā)生的情況。燃料種類設(shè)置為庚烷。火源中心位于距離隧道通風(fēng)入口75m處的中心線。

（三）初始條件與邊界條件設(shè)置

本次模擬中環(huán)境溫度與壓強(qiáng)被設(shè)置為常溫常壓，湍流模型為大渦模擬。隧道的材料設(shè)置為混凝土，密度為2280kg/m3，比熱容為1.04kJ/（kg·K），導(dǎo)熱系數(shù)為1.8W/（m·K）。隧道兩端各有一個(gè)開口，隧道縱向通風(fēng)入口處設(shè)置為供給，給隧道提供一個(gè)恒定的縱向風(fēng)速。隧道出口則設(shè)為開放，連通外界環(huán)境。

（四）測(cè)點(diǎn)設(shè)置

隧道中的熱電偶測(cè)點(diǎn)設(shè)置為隧道頂棚中心線下方0.1m處，沿隧道縱向每1m布置一個(gè)，共計(jì)200個(gè)，如圖2所示。

（五）工況設(shè)置

本文將通過改變火源寬度、火源單位面積熱釋放速率和隧道曲率半徑這三個(gè)參數(shù)對(duì)隧道火災(zāi)進(jìn)行數(shù)值模擬，以確定煙氣分布特性。此外我國(guó)公路隧道的縱向通風(fēng)速度普遍為2～4m/s[12]?？紤]到較低的通風(fēng)速度能夠使火災(zāi)煙氣發(fā)展更完整，易于觀察并減少誤差，此外為了模擬現(xiàn)實(shí)射流風(fēng)機(jī)可能存在的功率損失，遂將通風(fēng)速度設(shè)置為1.7m/s，具體工況設(shè)置如表1。

（六）網(wǎng)格設(shè)置

二、模擬結(jié)果及分析

根據(jù)表1的模擬工況得出的結(jié)果如3所示，可以看出在火源長(zhǎng)度和火源功率固定的情況下，直線隧道與曲線隧道中煙氣逆流長(zhǎng)度都隨著火源寬度的上升和單位熱釋放速率下降而下降，與馮凱、于年灝研究結(jié)果一致。

從圖4可以看出，火源寬度越寬，火源單位熱釋放速率越小會(huì)導(dǎo)致火源偏轉(zhuǎn)角顯著增加，火焰向后傾斜，迫使煙氣撞擊頂棚的位置越偏向火源下游，從而使得煙氣逆流距離減少。當(dāng)火源寬度為2.5m時(shí)，直線隧道和曲線隧道火焰形態(tài)有比較明顯的傾斜；而當(dāng)火源寬度增加至5m時(shí)，兩條隧道中的火焰形態(tài)都已經(jīng)嚴(yán)重傾斜，基本趨于貼地。在火源寬度相同的情況下，曲線隧道的火焰形態(tài)傾斜要略微低于直線隧道，這是由于曲線隧道中壁面會(huì)給通風(fēng)造成額外的沿程阻力，導(dǎo)致到達(dá)火源處的風(fēng)速降低，從而使得火源形態(tài)的傾斜減小。

其中在火源寬度相同的條件下，直線隧道的煙氣逆流長(zhǎng)度均高于曲線隧道中的煙氣逆流長(zhǎng)度，這與前人研究得到的趨勢(shì)一致，由于曲線隧道的壁面會(huì)導(dǎo)致額外的沿程阻力，最終使煙氣逆流距離減少。

但從圖5可以得出，隨著火源寬度的增加和單位熱釋放速率的下降，直線隧道和曲線隧道的煙氣逆流距離差不斷地減小。這是由于曲線隧道的壁面給煙氣的擴(kuò)散和通風(fēng)都造成了額外的沿程阻力，當(dāng)火源寬度較低時(shí)，壁面給火源擴(kuò)散造成的阻礙起主導(dǎo)作用，所以曲線隧道的煙氣逆流距離小于直線隧道；然而隨著火源寬度的增大，由于單位面積熱釋放速率的隨之降低，導(dǎo)致煙氣擴(kuò)散速率的減慢，此時(shí)壁面給火源擴(kuò)散造成的阻礙就會(huì)相應(yīng)地減少，給通風(fēng)造成的阻礙就會(huì)成為主導(dǎo)，曲線隧道的煙氣逆流長(zhǎng)度會(huì)逐漸接近直線隧道。因此總體上曲線隧道煙氣逆流長(zhǎng)度具有隨著火源寬度的增加而減小的趨勢(shì)，但是和直線隧道相比逆流長(zhǎng)度仍然較短。

結(jié)語

本文通過對(duì)直線和曲線隧道中相同熱釋放速率、相同長(zhǎng)度、相同縱向通風(fēng)速度下不同火源寬度、單位面積熱釋放速的火源煙氣逆流長(zhǎng)度進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。結(jié)果顯示，火源煙氣逆流長(zhǎng)度隨著火源寬度的增加以及單位面積熱釋放速率的減小而減??；相同火源寬度和單位面積熱釋放速率的情況下，直線隧道的煙氣逆流長(zhǎng)度均高于曲線隧道的煙氣逆流長(zhǎng)度；隨著火源寬度的增加和單位熱釋放速率的下降，曲線隧道的煙氣逆流長(zhǎng)度越來越接近直線隧道。

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