林志, 蔣浩*, 蘇培循, 邵羽, 何廷全, 章海

(1.重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院, 重慶 400074; 2.廣西交通設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司, 南寧 530029;3.廣西新發(fā)展交通集團(tuán)有限公司, 南寧 530029; 4.招商局重慶公路工程檢測(cè)中心有限公司, 重慶 400067)

隨著城市家庭汽車數(shù)量的不斷增加,許多城市極力發(fā)展地下空間,建立城市地下快速路網(wǎng),有效緩解城市中心區(qū)域的交通擁堵情況[1]。由于不同等級(jí)的地下快速路相互連接,城市地下路網(wǎng)整體風(fēng)險(xiǎn)上升。為減少地下快速路火災(zāi)造成的損失,必須針對(duì)城市地下快速路的火災(zāi)煙氣蔓延規(guī)律進(jìn)行研究。

關(guān)于隧道火災(zāi)研究,Kurioka等[2]對(duì)火焰形態(tài)、火焰傾斜角度等進(jìn)行了系統(tǒng)分析;Ingason等[3]建立了縱向通風(fēng)隧道內(nèi)的隧道頂棚火焰長(zhǎng)度經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)模型;何坤[4]通過(guò)全尺寸數(shù)值模擬研究了經(jīng)典隧道內(nèi)多火源煙氣蔓延規(guī)模。宋洋等[5]使用Pyrosim研究航站樓火災(zāi)發(fā)展,結(jié)論表明仿真結(jié)果真實(shí)、準(zhǔn)確;楊松等發(fā)現(xiàn)隧道火災(zāi)研究一般基于直線隧道,缺少特殊線性隧道的火災(zāi)研究[6]。

綜上所述,目前主要依托傳統(tǒng)公路隧道建立數(shù)值模型進(jìn)行仿真研究,但是現(xiàn)代城市地下快速路路網(wǎng)復(fù)雜,與傳統(tǒng)的長(zhǎng)直型隧道區(qū)別較大,火災(zāi)發(fā)生后煙氣復(fù)雜,人員財(cái)產(chǎn)損失嚴(yán)重。因此,現(xiàn)通過(guò)建立全尺寸數(shù)值仿真模型,研究城市地下快速路入口處火災(zāi)煙氣蔓延規(guī)律,可以豐富隧道火災(zāi)煙氣蔓延規(guī)律知識(shí)體系,為城市地下快速路人員逃生疏散提供研究基礎(chǔ),為城市地下快速路防災(zāi)減災(zāi)標(biāo)準(zhǔn)提供理論支撐。

1 模型建立

1.1 模型計(jì)算原理

FDS(fire dynamic simulation)軟件一般采用大渦模擬與直接模擬相結(jié)合的方式,獲得火災(zāi)反應(yīng)產(chǎn)生的相關(guān)溫度、煙氣、能見(jiàn)度、生成物數(shù)據(jù),采用的計(jì)算模型是場(chǎng)模型。本文研究城市地下快速路岔路口區(qū)域發(fā)生火災(zāi)現(xiàn)象,在火源處設(shè)立密集網(wǎng)格達(dá)到區(qū)域模型的效果,離火源遠(yuǎn)處設(shè)立稀疏網(wǎng)格。

基于FDS開(kāi)發(fā)的一款可視化工具PyroSim軟件,快速建立火災(zāi)模型,模擬城市地下快速路發(fā)生火災(zāi)時(shí),遵循動(dòng)量守恒方程、質(zhì)量守恒方程和能量守恒方程[7-10],開(kāi)展后續(xù)研究。

1.2 參數(shù)設(shè)置

本文的數(shù)值仿真模型是根據(jù)上海北橫通道瀘定路樞紐的實(shí)際工況建立的1∶1模型,實(shí)際尺寸示意圖如圖1所示。

圖1 上海北橫通道瀘定路樞紐示意圖Fig.1 Schematic diagram of Luding Road Hub of Shanghai North Cross Passage

城市地下快速路主線尺寸14 m×6 m,匝道尺寸11 m×6 m;環(huán)境溫度20.0 ℃;環(huán)境壓力1.013 25×105Pa;最大能見(jiàn)度30.0 m;環(huán)境氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.232 378 kg/kg;環(huán)境二氧化碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)5.95×104kg/kg;相對(duì)濕度40.0%;通過(guò)Pyrosim建立全尺寸模型如圖2所示。

圖2 全尺寸仿真模型總體示意圖Fig.2 Overall schematic diagram of the full-scale simulation model

1.3 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格尺寸大小影響著火災(zāi)計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性,通常認(rèn)為精細(xì)的網(wǎng)格得出的仿真結(jié)果更加精確。選取無(wú)量綱表達(dá)式D/d,確定計(jì)算網(wǎng)格的尺寸,其中:D為火源特征直徑,d為計(jì)算網(wǎng)格尺寸。當(dāng)D/d的值在4～16時(shí),認(rèn)為計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確,FDS用戶指導(dǎo)手冊(cè)[4]給出D的計(jì)算式為

(1)

式(1)中:Q為火源熱釋放速率,kW;ρ0為空氣密度,kg/m3;Cp為空氣比熱容,kJ/(kg·K);T∞為環(huán)境溫度,K;g為重力加速度,m/s2。

根據(jù)依托工程隧道情況,空氣密度取值為1.204 kg/m3,空氣比熱容為1.005 kJ/(kg·K),空氣溫度取293 K,重力加速度為9.81 m/s2。d計(jì)算出的取值范圍在0.114～0.456 m。

根據(jù)d的取值范圍,選取了0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 m分別進(jìn)行數(shù)值仿真結(jié)果計(jì)算,分析網(wǎng)格尺寸計(jì)算敏感性,綜合考慮計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性與計(jì)算時(shí)間成本,確定選取網(wǎng)格尺寸為0.2 m。

1.4 工況設(shè)計(jì)

選取了美國(guó)消防協(xié)會(huì)(National Fire Protection Associatio,NFPA)2020年新發(fā)布的臨界風(fēng)速計(jì)算公式[11]。依托工程在15 MW火源時(shí),主線臨界風(fēng)速為1.72 m/s,匝道臨界風(fēng)速為1.84 m/s。

火災(zāi)位置設(shè)置在城市地下道路岔路口區(qū)域合流點(diǎn),其中火災(zāi)規(guī)模為15 MW,根據(jù)主線與匝道風(fēng)速采用控制變量法,分別控制匝道風(fēng)速v=1.84 m/s不變和主線風(fēng)速v=1.72 m/s不變,共設(shè)計(jì)32種工況如表1和表2所示。

表2 匝道風(fēng)速變化工況設(shè)計(jì)Table 2 Design of the working condition of the wind speed change on the ramp

1.5 有害物質(zhì)安全臨界值確定

城市地下快速路是一個(gè)相對(duì)封閉的空間?；馂?zāi)發(fā)生時(shí)會(huì)產(chǎn)生有害物質(zhì),對(duì)人員的逃生和疏散造成不利影響,主要表現(xiàn)在高溫、能見(jiàn)度、有毒氣體3個(gè)方面[12]。

認(rèn)為環(huán)境中人員在安全高度2 m處的溫度達(dá)到60 ℃。它是溫度風(fēng)險(xiǎn)的臨界值[13]。隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時(shí)能見(jiàn)度應(yīng)在7～15 m。考慮到城市地下高速公路環(huán)境復(fù)雜、人員眾多,在人員安全高度為2 m時(shí),能見(jiàn)度危險(xiǎn)閾值設(shè)定為大于等于10 m。

隧道火災(zāi)中約50%的死亡是由CO中毒引起的,約30%是由CO和其他因素共同作用引起的[14-15]。體積分?jǐn)?shù)在5×10-5VOL%及以下的CO濃度對(duì)人體沒(méi)有影響,但當(dāng)超過(guò)100 ppm(1 ppm=1.8 mg/m3)時(shí),嚴(yán)重危及人員安全,降低人員速度,特別是在隧道等狹長(zhǎng)環(huán)境中。更快、更保守的考慮,結(jié)合城市地下高速公路CO設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)和CO作用對(duì)人體的危害,火災(zāi)情況下人員2 m安全高度CO濃度設(shè)定為400 ppm為危險(xiǎn)的臨界值。

2 模擬結(jié)果分析

2.1 入口段總體分析

當(dāng)城市地下快速路合流點(diǎn)附近發(fā)生火災(zāi)時(shí),火災(zāi)煙氣將同時(shí)受到匝道通風(fēng)與主線通風(fēng)的影響,氣流交匯容易產(chǎn)生煙氣渦流,對(duì)人員逃生產(chǎn)生不利影響如圖3所示。

圖3 入口段火災(zāi)煙氣蔓延示意圖Fig.3 Schematic diagram of the spread of fire smoke in the entrance section

2.2 溫度變化分析

2.2.1 風(fēng)速變化下溫度云圖

數(shù)值模型分析結(jié)果發(fā)現(xiàn),不同匝道半徑下的溫度分布云圖變化趨勢(shì)類似,選取匝道半徑70 m的火災(zāi)煙氣溫度云圖進(jìn)行展示,如圖4和圖5所示。

圖4 匝道風(fēng)速為臨界風(fēng)速時(shí)的溫度云圖Fig.4 Temperature cloud for ramp wind speed at critical wind speed

圖5 主線風(fēng)速為臨界風(fēng)速時(shí)的溫度云圖Fig.5 Temperature cloud for mainline wind speed at critical wind speed

整體來(lái)看,當(dāng)控制匝道風(fēng)速v=1.84 m/s不變時(shí),4種變化主線風(fēng)速的工況,匝道溫度均被有效地控制,整體溫度升高不明顯;當(dāng)控制主線風(fēng)速v=1.72 m/s不變時(shí),4種變化匝道風(fēng)速的工況,主線溫度均被有效地控制,整體溫度升高不明顯,調(diào)控匝道風(fēng)速時(shí)火災(zāi)上游沒(méi)有出現(xiàn)溫度輻射,隧道內(nèi)的高溫區(qū)域主要集中在火源下游不遠(yuǎn)的隧道側(cè)壁處。

2.2.2 溫度縱向變化曲線

根據(jù)圖6和圖7,結(jié)合人員安全高度處的溫度縱向變化曲線可知,當(dāng)主線風(fēng)速v=0.72 m/s,火源上游主線溫度逆風(fēng)速輻射。隨著風(fēng)速的增加,這種現(xiàn)象很快消失,說(shuō)明低風(fēng)速無(wú)法抑制溫度向上游蔓延。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到v=0.72 m/s時(shí),依托工程溫度危險(xiǎn)區(qū)最大,在火源下游120 m以內(nèi);當(dāng)溫度輻射到達(dá)匯合段時(shí),呈穩(wěn)定下降趨勢(shì)。

圖6 主線風(fēng)速變化時(shí)縱向溫度曲線Fig.6 Longitudinal temperature curve with wind speed change on the main line

圖7 匝道風(fēng)速變化時(shí)縱向溫度曲線Fig.7 Longitudinal temperature curve when the wind speed changes on the ramp

當(dāng)匝道風(fēng)速v=0.84 m/s時(shí),火源上游的匝道出現(xiàn)一定的溫升,隨著匝道風(fēng)速增加,煙氣逆流帶來(lái)的溫升現(xiàn)象得到抑制,火源上游的主線內(nèi)則一直保持在安全溫度環(huán)境內(nèi)。岔路口區(qū)域溫度曲線呈波動(dòng)狀態(tài),煙氣進(jìn)入合流段時(shí),不同風(fēng)速下的溫度呈逐漸下降趨勢(shì)。當(dāng)匝道風(fēng)速v=0.84 m/s或1.34 m/s時(shí),依托工程溫度危險(xiǎn)區(qū)可輻射到火源下游180 m范圍內(nèi),但當(dāng)風(fēng)速達(dá)到v=1.84 m/s后,危險(xiǎn)區(qū)域只能到達(dá)火源下游100 m的區(qū)域。風(fēng)速越高,隧道內(nèi)的整體溫度越低,危險(xiǎn)區(qū)域越小。

2.3 能見(jiàn)度變化分析

2.3.1 能見(jiàn)度分布云圖分析

選取匝道半徑為70 m時(shí)不同風(fēng)速下的人員安全高度處能見(jiàn)度云圖進(jìn)行展示,如圖8和圖9所示。

圖8 匝道風(fēng)速為臨界風(fēng)速的能見(jiàn)度云圖Fig.8 Visibility cloud for on-ramp with critical wind speeds

圖9 主線風(fēng)速變化時(shí)能見(jiàn)度縱向變化曲線Fig.9 Longitudinal change curve of visibility when main line wind speed changes

圖9 主線風(fēng)速為臨界風(fēng)速的能見(jiàn)度云圖Fig.9 Visibility cloud for mainline wind speeds at critical wind speeds

綜合來(lái)看,城市地下快速路入口段火災(zāi)發(fā)生后,主線與匝道同時(shí)開(kāi)啟排煙風(fēng)機(jī),主線風(fēng)速在1.22 m/s,逆流情況基本消失,可以快速地將火災(zāi)煙氣向下游疏散,主線風(fēng)速1.72 m/s及匝道風(fēng)速1.84 m/s時(shí),能見(jiàn)度良好,對(duì)人員逃生有利。

2.3.2 能見(jiàn)度縱向變化曲線

根據(jù)圖9,除低風(fēng)速v=0.72 m/s時(shí),煙氣逆流發(fā)生在火源上游,其他風(fēng)速均不產(chǎn)生煙氣逆流。根據(jù)圖10,城市地下快速路入口段控制主線風(fēng)速為臨界風(fēng)速時(shí),改變?cè)训里L(fēng)速,能見(jiàn)度基本高于危險(xiǎn)臨界值,岔路口區(qū)域能見(jiàn)度呈波動(dòng)傳遞狀態(tài);進(jìn)入合流段后,不同風(fēng)速下的能見(jiàn)度趨于穩(wěn)定。

圖10 匝道風(fēng)速變化時(shí)能見(jiàn)度縱向變化曲線Fig.10 Longitudinal change curve of visibility when the wind speed changes on the ramp

綜合分析,主線風(fēng)速保持在1.22 m/s,匝道風(fēng)速保持在1.34 m/s時(shí),城市地下快速路入口能見(jiàn)度縱向變化情況,有利于人員逃生。

2.4 CO濃度變化分析

2.4.1 CO濃度分布云圖

根據(jù)圖11可知,不同風(fēng)速下的城市地下快速路入口段內(nèi)CO濃度都未達(dá)到危險(xiǎn)臨界值。當(dāng)主線風(fēng)速v=0.72 m/s時(shí),火源上游的主線隧道內(nèi)出現(xiàn)CO分布,這說(shuō)明此時(shí)煙氣出現(xiàn)逆流現(xiàn)象,也可以較為明顯的發(fā)現(xiàn)城市地下快速路內(nèi)隧道中間CO濃度低于兩側(cè)。

由圖11和圖12可知,當(dāng)城市地下快速路內(nèi)開(kāi)啟縱向通風(fēng)后,火源上游的匝道與主線隧道內(nèi)都不會(huì)出現(xiàn)CO氣體。當(dāng)風(fēng)速較低時(shí)城市地下快速路內(nèi)的中間車道CO濃度較低,靠近隧道兩側(cè)墻壁的CO濃度較高。

圖12 主線風(fēng)速為臨界風(fēng)速的CO濃度云圖Fig.12 Cloud view of CO concentration with mainline wind speed as critical wind speed

2.4.2 CO濃度縱向變化曲線

從圖13可以看出,不同風(fēng)速下城市地下快速路入口段CO濃度均未達(dá)到危險(xiǎn)臨界值;當(dāng)風(fēng)速v=0.72 m/s時(shí),火源上游的主線隧道內(nèi)出現(xiàn)一定量的CO氣體,隨著風(fēng)速的增大,迅速消失;當(dāng)CO進(jìn)入合流段時(shí),不同風(fēng)速下的CO濃度基本保持穩(wěn)定。

圖13 人員安全高度縱向CO濃度變化曲線(v=0.72 m/s)Fig.13 Longitudinal CO concentration change curve at the safety height of personnel(v=0.72 m/s)

由圖14可知,當(dāng)城市地下快速路入口段發(fā)生火災(zāi)時(shí),控制主線風(fēng)速不變,逐漸提高匝道風(fēng)速,入口處火源上游發(fā)生在低風(fēng)速v=0.84 m/s時(shí)出現(xiàn)CO氣體,隨著風(fēng)速的增加,CO氣體迅速消失,岔路口區(qū)域CO濃度波動(dòng)狀態(tài),變化復(fù)雜。CO氣體進(jìn)入合流段后濃度穩(wěn)定,濃度曲線近似于水平曲線。

圖14 人員安全高度處縱向CO濃度曲線(v=0.84 m/s)Fig.14 Longitudinal CO concentration curve at personnel safe height(v=0.84 m/s)

3 結(jié)論

以上海北橫通道瀘定路樞紐為研究依托工程,采用理論分析、全尺寸數(shù)值仿真計(jì)算等方法,對(duì)城市地下快速路入口的火災(zāi)煙氣蔓延規(guī)律進(jìn)行研究,得出如下結(jié)論。

(1)工況設(shè)計(jì)選擇0.72、1.22、1.72、2.22 m/s 4種主線風(fēng)速,只有溫度達(dá)到危險(xiǎn)臨界值,能見(jiàn)度和CO濃度處于相對(duì)安全的水平。城市地下快速路入口處合流段的溫度下降速率、能見(jiàn)度、CO濃度與主線風(fēng)速有很強(qiáng)的相關(guān)性,隨著主線風(fēng)速的增加,合流段降溫速度減慢,能見(jiàn)度提高,CO濃度降低。

(2)城市地下快速路入口處,主線與匝道共同提供排煙風(fēng)速,主線和匝道可以保持臨界風(fēng)速進(jìn)行有效排煙。入口段發(fā)生火災(zāi)時(shí),推薦的主線排煙風(fēng)速為1.72 m/s,匝道排煙風(fēng)速推薦為v=1.84 m/s。