張雪松，榮建忠

弧形公路隧道在典型火災(zāi)工況下的煙氣特性研究

張雪松1，榮建忠2

(1.重慶市消防總隊(duì)，重慶 401121； 2.公安部四川消防研究所，四川 成都 610036)

目前，我國(guó)已經(jīng)進(jìn)行了大量公路隧道火災(zāi)的研究，包括實(shí)體試驗(yàn)和數(shù)值模擬試驗(yàn)，研究的參數(shù)包括臨界風(fēng)速、煙氣溫度、煙氣組分、可見(jiàn)度等。有研究表明，不同形狀的隧道對(duì)火災(zāi)煙氣運(yùn)動(dòng)的影響也不同，但當(dāng)前大部分研究是基于“直形”“斜坡”公路隧道，缺少對(duì)“弧形”公路隧道火災(zāi)煙氣方面的研究。采用數(shù)值模擬的方法研究了重慶市某“弧形”公路隧道在臨界風(fēng)速下的火災(zāi)煙氣流動(dòng)特性，具體對(duì)煙氣組分、煙氣溫度、可見(jiàn)度等參量進(jìn)行分析，為弧形隧道的應(yīng)急救援和人員逃生提供參考。

弧形公路隧道；典型火災(zāi)工況；臨界風(fēng)速；煙氣溫度特征

0 引言

隧道火災(zāi)具有極大的危害性，愈來(lái)愈受到國(guó)內(nèi)外相關(guān)科研機(jī)構(gòu)之重視，很多研究機(jī)構(gòu)已開(kāi)展了全尺寸隧道的火災(zāi)試驗(yàn)[1-2]。歐洲多采用廢棄隧道、綜合隧道實(shí)驗(yàn)基地進(jìn)行隧道火災(zāi)試驗(yàn)[3]，例如，荷蘭Benelux2隧道、挪威Runehamar隧道、西班牙TST隧道火災(zāi)綜合防災(zāi)基地等。我國(guó)對(duì)隧道火災(zāi)的研究較為分散[3]，大多以實(shí)驗(yàn)室為主體進(jìn)行研究，采用隧道模型進(jìn)行試驗(yàn)，研究?jī)?nèi)容主要是通風(fēng)控制條件下的隧道火災(zāi)，隧道內(nèi)的溫度、煙氣蔓延、隧道火災(zāi)的消防方法等。上述研究的隧道均為“直形”隧道，國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究缺乏弧形隧道的火災(zāi)煙氣研究。

1 臨界風(fēng)速

臨界風(fēng)速是隧道通風(fēng)系統(tǒng)在火源處為避免產(chǎn)生煙氣逆流現(xiàn)象所形成的最小排煙速度，是隧道內(nèi)火災(zāi)煙氣控制的關(guān)鍵參數(shù)，也是排煙量計(jì)算、風(fēng)機(jī)選型的關(guān)鍵依據(jù)。通常情況下，影響臨界風(fēng)速的因素有很多。有關(guān)文獻(xiàn)表明，臨界風(fēng)速的影響因素主要包括火災(zāi)熱釋放速率、隧道坡度、隧道斷面當(dāng)量直徑、隧道垂直風(fēng)流速度、環(huán)境溫度等[4]。文獻(xiàn)[5]指出，燃料類型的改變，僅使得CO2、CO生成量及其下游擴(kuò)散分布有所不同，而對(duì)溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)的影響則非常小。若以上游逆流消失來(lái)判別臨界風(fēng)速，則燃料類型的影響是可以忽略的。

1.1 Wu&Bakar臨界風(fēng)速模型

Wu&Bakar[6]對(duì)同高度、不同寬度的5類矩形斷面隧道分別進(jìn)行了試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究，其中采用了隧道斷面當(dāng)量直徑De作為特征長(zhǎng)度，De的計(jì)算公式如式(1)：

其中，De為隧道斷面當(dāng)量直徑，m；A為隧道通風(fēng)斷面面積，m2；P為隧道通風(fēng)斷面周長(zhǎng)，m。

Wu&Bakar臨界風(fēng)速模型定義了無(wú)量綱熱釋放速率Q″和無(wú)量綱臨界風(fēng)速v″，得出臨界風(fēng)速的表達(dá)式，見(jiàn)式(2)～式(4)：

式中，Q為隧道內(nèi)火源熱釋放速率峰值，W；ρ0為環(huán)境空氣密度，kg·m-3；cP為環(huán)境空氣定壓比熱容，J·kg-1·K-1；T0為環(huán)境空氣溫度，K；g為重力加速度，9.81 m·s-2。

依據(jù)式(2)得出無(wú)量綱熱釋放速率，將無(wú)量綱速率帶入式(3)，即可得到無(wú)量綱臨界風(fēng)速，應(yīng)用式(4)，可以進(jìn)一步得到隧道的臨界風(fēng)速。

式中，vcr為Wu&Bakar模型預(yù)測(cè)的隧道臨界風(fēng)速，m·s-1。

1.2 弧形隧道臨界風(fēng)速模型

張雪松[7]等人采用數(shù)值模擬的方法，在Wu&Bakar臨界風(fēng)速的基礎(chǔ)上，通過(guò)大量精確的數(shù)值計(jì)算，擬合出了弧形隧道的臨界風(fēng)速模型，認(rèn)為：π/2弧度是隧道臨界風(fēng)速的一個(gè)“拐點(diǎn)”，應(yīng)該采用分段函數(shù)的表示方式來(lái)表達(dá)弧形隧道臨界風(fēng)速，并提出了適用于弧形隧道的臨界風(fēng)速表達(dá)式。

2 弧形隧道的模型建立

重慶市某隧道是石忠高速公路的控制性工程，是西南地區(qū)最長(zhǎng)高速公路隧道，全長(zhǎng)7.6 km，隧道弧度為1.518 4，本文以此弧形隧道作為數(shù)值模擬的原型，研究其火災(zāi)發(fā)生時(shí)臨界風(fēng)速下的煙氣特性[8-9]。

2.1 火源功率的確定

1970年，美國(guó)、日本、澳大利亞、奧地利等國(guó)分別進(jìn)行了多項(xiàng)隧道火災(zāi)模擬試驗(yàn)，例如車輛和車載貨物燃燒、車輛燃燒、燃油池燃燒等。結(jié)合有關(guān)研究結(jié)果，Opstad針對(duì)不同燃燒車輛的熱釋放速率提出了新的建議值，詳見(jiàn)表1。

PIARC的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明：在100次隧道著火事故中，大約有80～90次的著火未造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，因此，并非所有的隧道火災(zāi)都會(huì)造成嚴(yán)重的火災(zāi)事故后果，隧道內(nèi)著火的概率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于隧道火災(zāi)發(fā)生的概率。常規(guī)設(shè)計(jì)很難預(yù)防一些偶然因素對(duì)隧道重大火災(zāi)的觸發(fā)，或者意外因素加速隧道重大火災(zāi)事故的產(chǎn)生和發(fā)展。所以，對(duì)于隧道火災(zāi)典型工況的具體設(shè)計(jì)，必須結(jié)合隧道的重要性、交通量、行車規(guī)模等諸多因素和隧道防火設(shè)計(jì)的目標(biāo)(即保證隧道使用者、設(shè)施安全以及保證隧道結(jié)構(gòu)安全)來(lái)進(jìn)行考慮。

表1 Opstad關(guān)于不同燃燒車輛HRR的建議值

隧道火災(zāi)熱釋放速率的相關(guān)研究表明：(1)在已發(fā)生的隧道火災(zāi)中，大貨車以及車載貨物燃燒對(duì)隧道火災(zāi)的嚴(yán)重程度有決定性的影響，且其最大HRR可能明顯大于模擬試驗(yàn)；(2)對(duì)于有大貨車燃燒的情形，現(xiàn)有規(guī)范低估了火災(zāi)的HRR。根據(jù)重慶市公路隧道交通組成的預(yù)測(cè)(見(jiàn)表2)可知，在重慶市公路隧道交通車型中，類似于大貨車的車型將會(huì)占有較大比例，因此，在進(jìn)行重慶市公路隧道火災(zāi)典型熱釋放速率設(shè)計(jì)時(shí)，著重于大貨車火災(zāi)情形的影響是比較合理的，且應(yīng)考慮以下幾種車型組合的火災(zāi)工況：1輛大貨車+1～2輛小轎車；1輛大貨車+1輛小轎車+1輛大巴；1輛大貨車+1～2輛大巴。

表2 重慶市公路隧道交通組成預(yù)測(cè)比例

綜上所述，在考慮重慶市公路隧道將采用的運(yùn)營(yíng)策略(即防止大釋熱量的車輛進(jìn)入隧道內(nèi))的同時(shí)，參考Opstad關(guān)于不同燃燒車輛HRR的建議值，選取50 MW(即相當(dāng)于載有可燃物的大貨車火災(zāi)情形)作為重慶市公路隧道火災(zāi)典型熱釋放速率是較為合適的。因此，在弧形隧道的數(shù)值模擬中，火源功率取50 MW，火源尺寸為3 m×3 m。

2.2 臨界風(fēng)速計(jì)算

依據(jù)Wu&Bakar臨界風(fēng)速模型，計(jì)算臨界風(fēng)速主要包括以下幾個(gè)步驟：

首先，計(jì)算主洞斷面當(dāng)量直徑。

其次，計(jì)算無(wú)量綱熱釋放速率。

再次，計(jì)算無(wú)量綱臨界風(fēng)速。

v″=0.40(0.20)-1/3(Q″)1/3=0.258 4

最后，計(jì)算臨界風(fēng)速。

綜合考慮以上兩種針對(duì)弧形隧道的臨界風(fēng)速計(jì)算方法，本文選取3.05 m·s-1(兩模型的中間數(shù)值)作為臨界風(fēng)速值，并分別選擇2.9 m·s-1(小于臨界風(fēng)速)和3.5 m·s-1(大于臨界風(fēng)速)縱向風(fēng)速，來(lái)考察典型火災(zāi)功率50 MW下的弧形公路隧道的火災(zāi)煙氣特征。

2.3 其他參數(shù)及數(shù)據(jù)采集點(diǎn)設(shè)置

為了研究該隧道在典型火災(zāi)下的煙氣運(yùn)動(dòng)，火源功率設(shè)置為50 MW，位于隧道內(nèi)最危險(xiǎn)的隧道中部，擴(kuò)展計(jì)算區(qū)域?yàn)?0 m，網(wǎng)格尺寸為0.5 m×0.5 m×0.5 m。數(shù)值模擬的數(shù)據(jù)采集點(diǎn)共14個(gè)，分別位于火源前30 m、60 m、100 m，以及位于火源后30 m、60 m、100 m和隧道出口位置，每個(gè)位置測(cè)量點(diǎn)的高度為1.6 m(人眼高度)和8 m(頂棚)，計(jì)算的數(shù)據(jù)包括溫度、二氧化碳、可見(jiàn)度以及隧道橫截面的溫度分布，通過(guò)這些數(shù)據(jù)來(lái)分析煙氣的流動(dòng)特征。

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 煙氣流動(dòng)特性

圖1為在臨界風(fēng)速情況下的煙氣蔓延圖。在模擬時(shí)間的前20 s，火災(zāi)煙氣受到洞口風(fēng)的影響很少，基本向火源兩邊自由發(fā)展，呈現(xiàn)出一定的對(duì)稱性。隨著火災(zāi)的發(fā)展和洞口風(fēng)的繼續(xù)補(bǔ)充，在約50 s時(shí)，煙氣出現(xiàn)回流，大量的煙氣被吹到下游，并到達(dá)隧道洞口；隨著時(shí)間的發(fā)展，隧道內(nèi)聚集的煙氣越來(lái)越多，同時(shí)在火源處的煙氣回流越來(lái)越小，在450 s時(shí)系統(tǒng)達(dá)到了穩(wěn)定的狀態(tài)。

圖1 臨界風(fēng)速下的煙氣蔓延圖

3.2 煙氣溫度分析

3.2.1 截面溫度分析

截面位于火源前30 m、60 m、100 m，火源中軸面，以及火源后30 m、60 m、100 m。從圖2可以得出，在火災(zāi)發(fā)展的初期，煙氣逆風(fēng)向流動(dòng)，流動(dòng)的距離大約為30 m，隨著火災(zāi)發(fā)展，火源上游的煙氣會(huì)逐漸被吹到火源下游，在約30 s的時(shí)候，煙氣運(yùn)動(dòng)到隧道下游60 m處，此時(shí)火源下游的隧道溫度逐步升高，在約150 s時(shí)，隧道內(nèi)的溫度變化不大，在火源下游處，距離火源處越遠(yuǎn)，煙氣沉降越多，溫度更均衡，下層冷空氣所占比例越小，頂棚處的溫度也越低。

3.2.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度分析

火源上游的溫度對(duì)比見(jiàn)圖3和圖4，其中，圖3為1.6 m高度處的溫度對(duì)比圖，圖4為隧道頂棚處的溫度對(duì)比圖。從圖3可以看出，位于火源上游30 m的地方會(huì)受到火源影響，溫度會(huì)提升，但是隨后，受到通風(fēng)影響，溫度會(huì)最終下降到環(huán)境溫度；火源上游60 m、100 m的地方溫度變化非常小(60 m處變化僅為0.2 ℃)，煙氣幾乎不會(huì)逆向蔓延到這些位置。因此，在發(fā)生火災(zāi)時(shí)，逃生人員應(yīng)該逆向通風(fēng)方向來(lái)逃生。

圖2 臨界風(fēng)速下的溫度截面變化圖

圖3 火源上游高度1.6 m處的溫度對(duì)比圖

圖4 火源上游頂棚位置的溫度對(duì)比圖

圖5～圖7分別為火源下游30 m、60 m、100 m的溫度對(duì)比圖。通過(guò)分析火源下游監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度對(duì)比圖，可以得到如下結(jié)論：(1)位于火源下游，在同一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，通風(fēng)的風(fēng)量越大，溫度越低；(2)位于火源下游，在通風(fēng)量不變的情況下，距火源越遠(yuǎn)，溫度越低；(3)位于火源下游，距火源越遠(yuǎn)，下層冷空氣溫度越接近頂棚溫度，說(shuō)明溫度分層界限越不分明；(4)位于火源下游，通風(fēng)量越大，溫度方差越大，溫度越不穩(wěn)定。

圖5 火源下游30 m溫度對(duì)比圖

圖6 火源下游60 m溫度對(duì)比圖

圖7 火源下游100 m溫度對(duì)比圖

3.3 二氧化碳濃度分析

選取系統(tǒng)達(dá)到“穩(wěn)態(tài)”時(shí)的平均物理量來(lái)進(jìn)行分析，選取時(shí)間為200～500 s，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理得到圖8。在系統(tǒng)達(dá)到“穩(wěn)態(tài)”時(shí)，火源上游的二氧化碳濃度幾乎是0，是利于消防人員滅火和人員逃生的，在火源下游無(wú)論頂棚還是高度為1.6 m處都會(huì)存在一定量的二氧化碳，不利于滅火和人員逃生。在火源下游，與火源距離越遠(yuǎn)，頂棚的二氧化碳濃度越低，相反1.6 m高度處的濃度會(huì)提高，但不會(huì)超過(guò)其相同位置頂棚的二氧化碳濃度；通風(fēng)量越大，在頂棚處的二氧化碳濃度越低，而在1.6 m處的二氧化碳濃度和通風(fēng)量關(guān)系不是很大。

圖8 火源下游二氧化碳濃度對(duì)比圖

3.4 可見(jiàn)度

圖9為可見(jiàn)度計(jì)算結(jié)果，由圖可知：(1)在火源下游，相同位置處，高度為1.6 m處的可見(jiàn)度要大于頂棚處的可見(jiàn)度；通風(fēng)量越大，頂棚處的可見(jiàn)度越大，而高度1.6 m處的可見(jiàn)度隨著通風(fēng)量的影響變化不大。(2)在火源下游，通風(fēng)量一定時(shí)，與火源距離越遠(yuǎn)，頂棚處的平均可見(jiàn)度越大，相反，1.6 m處的可見(jiàn)度逐漸降低，但是，在與火源距離相同的地方，1.6 m高度處的可見(jiàn)度要高于其相應(yīng)頂棚位置的可見(jiàn)度。

圖9 火源下游可見(jiàn)度對(duì)比圖

4 結(jié)論

本文基于重慶市某水平弧形公路隧道建立了該隧道的數(shù)值模型，并進(jìn)行臨界風(fēng)速下火災(zāi)煙氣數(shù)值模擬。結(jié)合前人的臨界風(fēng)速研究成果，對(duì)該弧形隧道進(jìn)行了2.9 m·s-1(小于臨界風(fēng)速)、3.05 m·s-1(臨界風(fēng)速)、3.5 m·s-1(大于臨界風(fēng)速)三種不同縱向風(fēng)速下，隧道內(nèi)典型火災(zāi)工況的煙氣組分、煙氣溫度、可見(jiàn)度等參量的數(shù)值模擬研究。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，約在50 s時(shí)，煙氣出現(xiàn)回流現(xiàn)象；整個(gè)火災(zāi)模擬中，在火源下游處，距離火源處越遠(yuǎn)，煙氣沉降越多，溫度更均衡，下層冷空氣所占比例越小，頂棚處的溫度也越低；火源上游溫度和二氧化碳濃度低，適合人員疏散與消防應(yīng)急救援，相反，火源下游溫度和二氧化碳濃度偏高，不利于疏散與救援。

[1] 安永林,楊高尚,彭立敏.隧道火災(zāi)淺談[J].采礦技術(shù),2006,6(1):38-39.

[2] 薛國(guó)虎,孫輝.公路隧道火災(zāi)及防火措施現(xiàn)狀研究[J].黑龍江科技信息,2008(6):189.

[3] 韓新,崔力明.國(guó)內(nèi)外隧道火災(zāi)試驗(yàn)研究進(jìn)展簡(jiǎn)述[J].地下空間與工程學(xué)報(bào),2008,4(3):544-549.

[4] 徐琳.長(zhǎng)大公路隧道火災(zāi)熱煙氣控制理論分析與實(shí)驗(yàn)研究[D].上海:同濟(jì)大學(xué),2007.

[5] 黃亞?wèn)|,吳珂,黃志義,等.長(zhǎng)隧道火災(zāi)中拱頂溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬[J].消防科學(xué)與技術(shù),2009,28(4):162-165.

[6] 劉鵬舉,李剛,彭偉.隧道火災(zāi)研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J].中國(guó)科技信息,2008(2):35-36,38.

[7] 張雪松,汪箭.水平弧形公路隧道臨界風(fēng)速研究[J].消防科學(xué)與技術(shù),2011,30(11):983-986.

[8] 李建興,李小江,邢金城,等.隧道火災(zāi)臨界風(fēng)速的理論計(jì)算與數(shù)值模擬[J]. 暖通空調(diào),2009,39(5):33-35.

[9] 張發(fā)勇,馮煉.終南山特長(zhǎng)公路隧道火災(zāi)通風(fēng)數(shù)值模擬分析[J].地下空間,2004,24(4):506-509.

(責(zé)任編輯 馬 龍)

Study on Fire Smoke Movement inside Arc-shaped Tunnels under Typical Fire Condition

ZHANG Xuesong1, RONG Jianzhong2

(1.ChongFireCorps,Chongqing401121,China; 2.SichuanFireResearchInstituteoftheMinistryofPublicSecurity,Chengdu,SichuanProvince610036,China)

At present, a large number of studies including physical experiments, numerical simulation experiments have been carried out on highway tunnel fires. These studies focus on parameters of critical velocity, smoke temperature, smoke components, visibility and so on. But the shapes of different tunnels can have different effects on smoke movement. The subjects of most previous studies are not “arc-shaped” highway tunnels, but “straight” and “slope” highway tunnels. This paper applies the method of numerical simulation to study the fire smoke movement in an “arc-shaped” highway tunnel in Chongqing at critical air velocity, and analyzes the smoke temperature, smoke components, visibility in details, in an attempt to provide reference for the emergency rescue and escape of arch-shaped tunnel fires.

arc-shaped highway tunnel; typical fire condition; critical velocity; smoke temperature characteristic

2016-12-16

公安部消防局項(xiàng)目“違法違章建筑消防安全問(wèn)題研究”(2015XFR11)

張雪松(1977— )，男，四川岳池人，工程師； 榮建忠(1984— )，男，山西大同人，助理研究員。

U459.2;D631.6

A

1008-2077(2017)04-0022-06