公路隧道火灾非稳态规律的模拟研究

石明杨,任 刚,崔兴华,王 松,杨洪海

(1.东华大学 环境科学与工程学院，上海201620； 2.南方风机股份有限公司，广东佛山528225)

随着国民经济的快速增长，公路交通事业取得飞速的发展，公路隧道里程不断增加。然而随着隧道长度和通行车辆的增加，火灾事故发生的频率也随着增加。作为交通道路上的关键线路和控制性节点，隧道内频繁发生的火灾造成了巨大的社会影响和经济损失。如1999年，法-意勃朗峰隧道 (11.6km)因卡车漏油引擎着火，隧道内燃烧超48h，死41人，烧毁36台车，事故发生后，隧道不得不封闭，中断交通达3年之久，经济损失极为惨重[1]。我国公路近期统计的火灾事故率为 0.104次 /(100万车·km)，几率是铁路的 20～25倍[2]。大量的火灾表明，火灾产生的高温浓烟不但危害人们的生命安全，还对火灾救援产生不利影响，因此展开对隧道火灾的研究就十分重要。

国外很早展开全尺寸隧道火灾实验研究，但其周期长、费用高，且不适用于新建或将建的隧道；缩小尺寸的模型试验由于其局限性，数据并不可靠(难以满足相似准则)[3-4]。而计算机数值模拟周期短、成本低、信息全。数值模拟时，很多人采用了稳态火源，但其只代表最严重的情况，显然不符合实际。本文将对非稳态工况下火灾发展前期的规律进行研究。

1 模型的建立

火灾现象可分为两个互相影响的过程，火源本身和烟气流动，其数学模型为：火源模型和流动模型。

1.1 火源模型

火灾发生是一个三维非定长且伴随着传热传质、多相流动以及化学反应相互作用的非常复杂物理化学过程。考虑直接模拟十分困难，故火灾初期模拟时进行简化：火源采用指数火源，排烟量和火源形状不变[5-6]。

笔者选用VHS(体热源)燃烧模型，不考虑具体的燃烧过程，简化计算过程和计算量。考虑到研究火灾初期，采用T2火源[参考(Ingason，2006)和其他学者的建议值]：

式中：Q为热释放率(MW)；α为系数0.05(MW/min2)。

由法国的Heselden等人通过大量的理论和试验研究绘制的发烟量和热释放率关系可知，5MW时的发烟量为18kg/s。模拟时设定烟气主要成分为空气(CO2、CO)，前者占总质量的95 %，后者占5 %，其中CO占5 %中的1/20。

1.2 流动模型

(1)连续性方程：

(2)运动方程：

(3)能量方程：

(4)组分方程：

(5)扼流效应烟流阻力：

式中：mk1、mk2分别为火灾断面温度和环境温度比；D为隧道断面水力直径；α为隧道坡度。

(6)浮生效应烟流阻力：

hb=(ρ-ρ0)gLsinα=ρ0gLsinα(mk-1)

(7)

(7)烟流摩擦阻力：

(8)临界速度：

式中：vcr为临界风速；H 为隧道高度；Q 为火灾时热释放速率；ρ0为空气密度；cp为空气定压比热；A 为隧道净横断面面积；Tf为热空气温度；T0为环境空气温度；κ为无量纲系数，κ= 0. 61； Kg为坡度修正系数。

2 计算模型及设置条件

计算隧道模型如图1、图2所示，长100m，宽6m；火源距上游30m，处于截面中央位置。火源尺寸为：2.5m×1.5m×1.5m(长×宽×高)；测点A、B 距地面分别为1.5m、3.5m。

图1 隧道断面尺寸图(单位：mm)

图2 隧道网格划分模型

Fluent软件的操作环境中，初始条件：入口平均风速为1m/s，相对压力为0Pa；设置Boussinesq参数，即隧道空气平均温度和密度分别为300K和1.225kg/m3，浮升力加速度 -9.8m/s2；出口为压力出口。边界条件：壁面的表面粗糙系数设为0.02，壁面厚度0.5m处温度恒为290K(考虑到地下恒温)；隧道入口均设为速度入口，出口设为压力出口。在温度传递过程中，考虑辐射传热作用，采用DO辐射模型。本文采用SIMPLE算法来处理速度和压力的耦合[7]。

3 模拟结果分析

通过模拟烟气的流动规律，分析火源模型和流动模型的并结合经验公式(可得临界风速vcr=1.56m/s，热烟气温度Tf=431K)分析如下。

3.1 速度场

图3为火源中心横断面的速度矢量图。根据模拟可知：尽管隧道进口风速为1m/s，但是火源中心断面，火焰在热浮升力的作用下，风速最最大可达5.5m/s。气流的运动规律：随着火源处气流温度升高，由于热浮升力的作用，气流逐渐向上扩散，当其到达拱顶时，受其限制，速度向两侧偏转，当其沿着壁面两侧继续下降遇到纵向的冷气流时，在卷吸力作用下，在顶部两侧附近形成一定的漩涡(基本对称)。此时隧道形状和空间的限制，速度场因而变得复杂。

图3 t=600 s时，y=-20的横断面速度矢量图

3.2 温度场

图4是通风速度为1m/s时，火灾发生300s时，隧道中的三维等温面效果图。可知在火灾下游的温度分布相对比较复杂，需要全面的了解火灾发展的动态过程，才能把握其规律。

图4 隧道200℃三维等温面

3.2.1 纵断面温度分布

图5为火灾前期，隧道纵断面不同时刻的温度分布。

图5 风速1 m/s时各个时刻隧道纵断面温度分布

T=100s时，火源所产生的烟气在上游通风气流的作用下，开始向下游蔓延，但扩散距离短，而且温度低。因为此时产生的高温烟气较少，且火源处受到上游纵向气流力的作用强于浮升力的作用，所以烟气并未达到拱顶处。

T=200s时，火源产生的烟气温度缓缓上升，此时，烟流受到的浮升力作用逐渐变强，高温烟气逐渐向下游及拱顶处扩散，进而到达拱顶之后，烟层厚度逐渐变薄，随后又逐渐变厚，这就是所谓的“鱼跃现象”。“鱼跃区”距火灾距离火源较远，且下游的烟雾温度较低。

T=300s时，火源产生的烟气温度逐渐升高，此时，在浮升力作用显著增强，高温烟气向上扩散，向下游扩散很短的距离后，便到达拱顶，此时，同样有“鱼跃现象”产生。“鱼跃区”距火灾距离火源非常近，烟气分层现象明显，烟层出现少许的波浪形。

T=400s时，火源产生的烟气温度继续升高，开始有“回流”趋势，火源下游的高温烟气分层增多，而且，“鱼跃区”后拱顶处的温度显著升高。

T=500s时，烟气出现“回流”现象，但此时回流长度短，回流区烟层厚度较薄。

T=600s时，烟气回流长度逐渐变大，烟层逐渐变厚。

T=700s时，火灾基本趋于稳定，此时高温烟层波浪线波浪增多，且分层明显，回流也趋于稳定，回流长度为15m。

3.2.2 横断面温度分布

从横断面的温度(图6)来看，开始火灾刚刚蔓延到拱顶，200s时可知在拱顶下方两侧有两个对称的高温核心区，核心区向外温度逐渐减小，但左右两侧温度分布都保持对称；400s时高温核心区逐渐向左上方(拱顶及两侧)方向移动，温度出现分层，呈现出中间温度低、两侧温度高的现象，此外还可知，在介于中央低温区和两侧壁面的高温区之间有一段温度分布厚度大；600s温度分层更为明显，拱顶两侧温度继续升高而且显著高于下层。

图6 火源下游10 m的横断面不同时刻温度分布

3.2.3 测点A、B的温度非稳态变化

图7、图8为测点A、B不同时刻的纵向温度分布，从图中可以看出在火源处的温度迅速升高，且拱顶处温度高，随着高温烟气的蔓延，测点A、B都反映出“鱼跃现象”。随着时间的推移鱼跃区逐渐向火源靠近。

从测点A的温度分布可知，沿着隧道方向，温度到火源处温度迅速飙升，在火源下游，出现温度的波动，呈现出温度先下降后又升高的规律；从测点B的温度分布可知，在火源上方即拱顶处，温度急剧升高，随着纵向的距离的增大，温度逐渐减小。不同于A测点，B测点的最高温度出现“漂移”，出现在火源右上方位置。此外，从稳定后的温度分布可知，烟气回流长度为15m。

图7 测点A不同时刻纵向温度分布

4 结论

利用三维数值模拟对隧道火灾的非稳态变化规律研究是可行的，通过模拟可以得出火灾发展前期。隧道中速度场和温度场的分布以及变化规律。

(1) 在隧道纵向通风速度为1m/s时，烟气出现回流现象；通过计算得到临界风速为1.56m/s，可以预测当V=2m/s时，回流现象可以得到有效地控制。

(2)火源下游，高温烟气有“鱼跃现象”产生，随着时间的推移，“鱼跃区”逐渐靠近火源。

(3)靠近火源处下游附近，隧道拱腰附近有两个对称的高温核心区，中心温度高，周围温度低；远离火灾处，温度分布规律呈拱顶及两侧壁面温度高，拱顶下方温度分层且依次下降。

①采用左向焊，焊枪与焊件间的夹角约为75°～80°，左向焊容易看清坡口，焊缝成型较好，不易出气孔。

②焊接板厚为34mm，为得到一定的焊缝宽度，焊枪可作适当的横向摆动，但焊丝不应插入对缝的间隙内。

③在起弧处提前送气2～3s，排除待焊处的空气。

④焊丝伸出长度6～8mm为宜。

⑤引弧位置应设在距焊道端头5～10mm处，电弧引燃后，缓慢返回端头。

⑥喷嘴末端与焊件的距离以10mm左右为宜，焊枪以直线运走或直线往复运走为好。

⑦采用短弧焊接，并使焊丝伸出长度的变化最小。

⑧焊接结束时，要填满弧坑，焊缝熔池尚未凝固冷却之前要继续通气保护熔池。

4.4 焊后处理

(1)焊后应及时进行缓冷热处理，可采用电和火焰二种方式加热，硅酸铝纤维毯保温，以保证焊接质量。这是减小焊接变形的有效措施，不可忽视。

(2)焊后及时进行焊缝外观检查和焊缝无损检测，发现问题立即返修处理，返修处理时也应按照前述的工艺进行操作，否则可能会出现影响焊接质量的焊接变形。

5 结束语

回转窑筒体安装质量及焊接质量直接关系到球团矿熟料的生产能力，进而影响钢厂的生产能力和设备寿命。冶金钢厂球团矿回转窑筒体的组对焊接质量，是回转窑安装的一个重要且关键的工序环节，如何快速、安全、高质、高效地进行施工，是我们施工单位致力于研究和实践所追求的目标，希望我们的这个成果能够对读者有所参考和启发，能够推动这样的研究和实践往前再迈进一步。

[1]GB50551-2010球团机械设备安装工程质量验收规范[S]

[2]GB50236-2011现场设备、工业管道焊接工程施工及验收规范[S]