隧道受限火灾合理纵向通风风速范围研究*

陈荣芳，李 欣，郭志国，周令剑

(江西理工大学 资源与环境工程学院,江西 赣州 341000)

0 引言

公路隧道一旦发生火灾，便会产生温度高、浓度大的毒性气体。据统计，火灾事故中85%以上的死亡者是由于吸入毒性气体后死亡的[1]。简便易行且造价低的纵向通风被广泛应用于隧道火灾排烟中，较大的纵向通风风速能加快隧道内热量交换，使火源近场温度降低，但下游烟气层易遭破坏，造成烟气充满隧道内部；较小纵向风速一方面可能会助长火焰，另一方面，上游出现大量的回流烟气会使整个隧道中的人员暴露于高温的毒性烟气中。适宜的风速范围将有利于人员快速疏散及消防员的火灾救援。

目前，有许多的学者采用不同的研究方法对纵向通风条件下烟气流动特性及隧道火灾烟气控制进行了大量的研究，并取得重要的成果。如钟委等[2]利用FDS模拟3种较小热释放速率的火源在隧道纵向通风速度为4 m/s时的火灾场景，探究了不同横向位置对烟气分岔流动特性的影响。姜学鹏等[3]建立在纵向通风的隧道中，隧道长度与临界风速的关系式。Zhong等[4]在缩尺模型实验中研究了不同贴壁距离的火源对临界纵向通风速度的影响。张一龙[5]研究了一定综合因素影响下的临界风速变化规律。郭宇豪[6]给出了隧道宽高皆为5 m时，火源功率为5～20 MW时的分层风速在1.4～1.5 m/s。Zeng等[7]提出隧道内的最佳纵向通风速度应控制在临界速度和临界分层速度的范围内。

前人关于纵向通风临界风速及相关影响因素的研究颇多，且大多针对火灾发生在隧道口不远处的纵向中心线上。而关于合理的纵向通风速度范围的研究相对有限。合理的纵向通风速主要有2点：1)在一定时间内烟气回游量不足以威胁人员疏散；2)维持下游烟气层稳定。再者隧道火灾发生的位置具有随机性，其贴壁距离不同，火羽流对空气的卷吸程度及烟气撞击顶棚和侧壁后的流动情况均不同。因此，本文采用FDS模拟分析5种纵向通风速度不同近壁距离火源顶棚下方烟气最高温度的分布特性、烟羽流倾角及下游烟气分层状况，探讨公路隧道中合理纵向通风速度的范围，研究结果可为隧道通风设计及火灾科学研究提供参考。

1 理论基础

Newman[8]在1条矿井隧道中开展全尺寸火灾实验，提出隧道火灾中的分层现象可以用弗劳德数来量化，引入无量纲温度比ΔTcf/ΔTavg和ΔTcf/ΔTh探讨烟气分层的状况，建立相应的关系式如式(1)所示：

(1)

式中：ΔTcf是隧道顶部与隧道底部的温差，℃；ΔTh是隧道顶部与环境的温差，℃；ΔTavg是隧道断面平均温度，℃。

纽曼将2个无量纲温度比的结果绘制在对数图上，如图1所示，当ΔTcf/ΔTavg<1.7时，ΔTcf/ΔTh<1，此时隧道底部温度明显高于环境温度，表明烟气分层遭到破坏，对应的分层区域为区域Ⅱ;当ΔTcf/ΔTavg>1.7时，ΔTcf/ΔTh≈1，此时隧道底部温度近似为环境温度，表明烟气处于明显的稳定分层状态，对应的分层区域为区域Ⅰ。

图1 纽曼提出的温度分层Fig.1 Temperature stratification proposed by Newman

2 隧道模型

2.1 隧道几何模型与热电偶布局

模拟纵向通风条件下的单向双车道隧道火灾，隧道截面设为矩形[9]。在FDS中隧道模型尺寸为200 m×12.5 m×8 m，隧道厚度为0.5 m且只考虑火源与衬砌间的能量交换，不考虑内部钢筋和围岩的影响作用。

美国工厂联合组织研究中心(FMRC)曾开展一系列的全尺寸火灾实验[1]，得出竖直分布的温度最大值在顶棚下0.01H内(H为火源到隧道顶棚的距离)，并不紧贴顶棚壁面。考虑到顶棚受限，结合计算以下模拟实验的热电偶均布在顶棚下方10 cm位置处，用以测量顶棚下方烟气的最高温度值。火灾发生在隧道的中间位置时对于人员的安全疏散来说是最危险的，因此，本文讨论火源设在隧道最中间位置时的火灾发展情况。以隧道纵向中心火源为起点，上游为负，下游为正，其中取距火源25 m内为近火源区。模拟共设置63个热电偶及7组热电偶树。FDS模拟的隧道净空及热电偶测点布置详如图2(a)～2(b)所示。

图2 FDS隧道模型净空结构及热电偶分布示意Fig.2 Hollow structure and thermocouple distribution diagram of FDS tunnel model

2.2 初始条件与边界条件

采用大涡模拟(LES)方法建立隧道火灾，并应用于火灾动力学模拟器FDS模拟。模拟过程中，环境初始温度为20 ℃，初始压强为1个大气压，重力加速度为9.81 m/s2。空气密度为1.205 3 kg/m3；空气的定压比热容为1.005 kJ·(kg·K)-1。初始时刻烟气浓度为0 mol/mol。障碍物为绝热体，温度初始设置为20 ℃。每个模型模拟时长均为800 s。隧道左端口设为“SUPPLY”通风属性，为隧道提供均匀稳定的风速，右端口设为“OPEN”属性，即与隧道外的开放空间连通。自然纵向风速在0.8～1.5 m/s之间，为了更好地研究纵向通风对隧道烟气排放的影响，纵向风速设定在 0.8～4 m/s之间，间隔为0.8 m/s,共5种风速。参照Mcgrattan等[10]相应网格独立性的建议，综合考虑计算结果与计算机性能，模拟计算网格尺寸选取0.25。

2.3 定义材料和反应

模型区间隧道表面的衬砌材料，包括顶棚、墙壁、底部，均设置为混凝土“CONCRETE”，其比热容和导热系数分别设为1.04 kJ/(kg·k)和1.8 W/(m·k)，密度为2 280.0 kg/m3。定义燃烧反应：庚烷燃烧反应。针对隧道内大型客车的燃烧规模，将火源热释放速率设定为20 MW，且其增长率符合快速燃烧的t2模型。其中，火灾增长系数α=0.046 9 kW/s2，t=653 s。为简化模型，将火源设定为边长为0.5 m正方形火源，火源的3种贴壁距离分别为：0(贴壁火)，2.75，5.5 m(中心火)。

3 数据结果与分析

3.1 顶棚下方平均最高烟气温度纵向分布规律

如图3所示，中心火在风速为0.8 m/s时，顶棚下火源正上方及火源下游70 m处的温度随时间变化，由图可见火灾燃烧温度随着时间先上升后进入动态平衡，在663 s时进入“准稳定阶段”。

图3 烟气温度随时间的变化Fig.3 Variation of smoke temperature with time

确定各工况处于“准稳定阶段”的平均最高温升，得到顶棚下方烟气平均最高温度纵向分布规律，如图4所示，其中，图4(a)～4(o)展现3种贴壁距离下，不同纵向通风风速下顶棚下方烟气平均最高温度纵向分布规律。近火源下游顶棚下方隧道中心上的烟气最高温度均呈指数衰减变化。随着贴壁距离的减小，侧壁对火源的热反馈增大，火源撞击顶棚上方的最高温升显著增加。当风速为0.8 m/s时，羽流撞击区上游均出现明显的烟气回流，且回流烟气温度均高达138 ℃以上。随着纵向风速增大，以纵向风的惯性力为主导[11-12]，上游烟气回流量减少，隧道内部烟气层平均最高温度由于大量冷空气的掺混而逐渐下降[13-14]。当纵向通风风速增大到2.4 m/s以上时，热烟气无法向上游蔓延,烟气逆流现象不明显，火源上游接近常温。纵向通风的惯性力对烟气羽流上升浮力及横向驱动力的削弱程度与纵向通风风速及火源受限程度有关。纵向通风风速越大，烟羽流横向驱动力越弱，烟气顶棚射流撞击区与烟气冲击侧壁后产生的反浮力壁面射流形成的汇聚区的间距也越大，且2个区域进一步向下游移动，二者之间均出现几乎无烟的低温区，即烟气分岔流动[15]现象，此时，对于中心火源，顶棚下方的烟气特性具有对称性；而非中心火源下游，隧道顶棚下方烟气最高温度排序为：右侧壁>隧道纵向中心线上>左侧壁，在烟羽流汇聚区，二者温度逐渐相近。风速越大，该现象越明显。因此，隧道火灾发生后，要根据起火位置准确判断低温区，并迅速展开科学救援。

图4 不同纵向风速作用下顶棚纵向平均最高温度分布Fig.4 Distribution of longitudinal average maximum temperature at ceiling under different longitudinal wind velocities

3.2 烟羽流的倾角

1)如图5所示，若已知羽流偏移角θ1，便可依据公式(2)求得最高温升点偏移火源距离L1；若再知羽流汇聚偏移角θ2，则可求得低温区长度L2，如式(2)所示：

(2)

式中：tanθ1是为羽流偏移角正切值；tanθ2是羽流汇聚偏移角正切值；Hef为地面与隧道顶棚的间距，m；L1为烟羽流最高温升点纵向偏移距离，m；L2为烟羽流扩散低温区长度，m。

图5 烟气发展示意(纵向对称面)Fig.5 Schematic diagram of smoke development (longitudinal symmetry plane)

2)由表1知，火焰的倾斜角随风速的增大而减小。风速为0.8，1.6 m/s时，各羽流偏移转角差别较小。风速较大时，中心线上火羽流在较强的纵向风惯性力作用下，火焰向下游严重倾斜；随着近壁距离逐渐减小，隧道侧壁对倾斜火焰的摩擦拖曳作用越强，从而削弱火羽流倾斜程度。贴壁距离越小，由于撞击顶棚后径向蔓延的烟气不能同时到达两侧壁，外加纵向风的作用使烟气需运动一定距离后才能在隧道中心汇聚，故羽流汇聚偏转角也随之减小。

表1 不同纵向风速下不同贴壁距离的烟羽流偏移量Table 1 Smoke plume offsets with different near-wall distances under different longitudinal wind velocities

羽流偏移角越小，火焰就会在地上蔓延，加大火焰触及下游可燃物的可能性，引燃更多的可燃物，造成多火源火灾，严重妨碍火灾的救援。

3.3 烟气分层状态变化

经过上述理论分析易知，ΔTcf/ΔTavg的取值区间可用于表示烟气的层化状态。如图6所示，风速越大，ΔTcf/ΔTavg相对减小，当风速增大到一定程度时，ΔTcf为0，上游不再有烟气，层化强度为0。当风速为0.8 m/s时，随着距离火源的增加ΔTcf/ΔTavg呈现逐渐降低的趋势，其值在1.7附近，表明隧道烟气层处于较为稳定状态；风速为1.6～2.4 m/s近火源处的烟气分层状态受火源的影响较差，而远火源处烟气分层较明显；当风速增大到2.4 m/s以上时，纵向风的惯性力占主导地位，使得烟气在火源附近就被吹到接近地面处，整个疏散区域内烟气分层遭到破坏。随着贴壁距离的减小，近火源区域的无量纲温度比越小，表明此时烟气层震荡波动越明显，烟气层更易失稳。

图6 不同贴壁距离和不同纵向风速下烟气的分层状况Fig.6 Smoke stratification with different near-wall distances and longitudinal ventilation velocities

综上，建议在人员疏散阶段准确判断风向后，对于不同受限程度下的隧道火灾均可采用1.6～2.4 m/s的风速对隧道进行通风，一方面可以有效控制烟气回流及火焰倾斜程度，另一方面能够保持烟气良好的层化状态；随着火灾的发展及人员疏散的完成，可以逐步增大纵向风速，从而为消防救援提供较清洁环境。同时，可以有效降低火灾烟气温度，减小对隧道结构的损伤。

4 结论

1)近火源下游顶棚下方隧道中心上的最高温度沿纵向均呈指数衰减变化。随着贴壁距离的减小，火源撞击顶棚上方的最高温升显著增加。不同贴壁距离和纵向通风风速下，均出现分岔流动。隧道中心线火灾火羽流撞击处温升及火羽流偏移角明显小于贴壁火。

2)当风速小于1.6 m/s时，火源上游出现大量高温烟气回流；而当风速超过2.4 m/s时，分岔流动现象显著，各偏移角变小，火源下游烟气层严重失稳。

3)针对大型客车隧道火灾事故，建议在人员疏散阶段，准确判断风向后可采用1.6～2.4 m/s的风速，随着火灾的发展及人员疏散的完成，可以逐步增大纵向风速。