纵向风温度对隧道火灾烟气逆流长度和临界风速影响的模拟研究

高天阳

(北京大兴区消防支队，北京 102600)

纵向风温度对隧道火灾烟气逆流长度和临界风速影响的模拟研究

高天阳

(北京大兴区消防支队，北京 102600)

运用数值模拟软件，对不同纵向风温度下，隧道火灾的发展进行模拟，模拟结果显示，随着纵向风温度的增大，隧道火灾烟气逆流长度不断减小，相对应的抑制烟气逆流的临界风速也不断减小。因此对隧道消防提出相应的排烟建议，即可以通过增大纵向风温度的方法更好的进行隧道火灾排烟。

隧道火灾；纵向风；温度；排烟

0 引言

隧道火灾作为危害最严重的火灾类型之一，虽然其发生火灾的频率并不如其他建筑物大，但一旦隧道火灾发生，其必将会造成较大的人员伤亡和财产损失，社会危害性极大。研究隧道火灾的发生发展及其相应的规律，对于更好的控制隧道火灾，消除火灾隐患具有重要的现实意义。对于隧道火灾的研究，学界的研究方法主要有试验方法和数值模拟方法，数值模拟的方法在试验条件受到限制的时候，可以很好地辅助对火灾的研究[1-2]。

国内外，关于运用数值模拟的方法对隧道火灾的研究已取得许多重要的成果。其中最重要的是运用NIST开发的FDS数值模拟软件对火灾的发展及控制进行模拟。W.K. Chow等人运用该类软件对隧道火灾火羽流及烟气蔓延特性进行了模拟。S. Bari运用FLUENT预测了隧道火灾情况下，隧道内温度场的分布、烟气运动等特征[3-4]。国内胡隆华等人通过FDS对火灾在不同隧道坡度情况下的发展进行了模拟研究。在隧道火灾的研究中，烟气的逆流长度和相对应的临界风速是学者们比较关心的问题。

1 逆流长度和临界风速

1.1 定义

在隧道发生火灾时，火灾产生的烟气会冲击顶棚，当烟气达到顶棚时会逐渐下降并形成烟气层。此时，需要机械排烟的方法来清除隧道内的烟气来保证人员安全。烟气逆隧道纵向风运动的现象，即为烟气的逆流现象，烟气逆纵向风蔓延距火源的长度即为烟气的逆流长度。

关于隧道火灾的烟气逆流现象，前人在研究中进一步提出了临界风速这一概念。不难想象，随着隧道内纵向风风速的不断增大，火灾烟气的逆流长度会不断的减小，当纵向风风速继续增大到某一定值时，烟气就不再有逆流现象，此时的纵向风风速即为此种工况下，隧道火灾的临界风速。图1和图2分别是有烟气逆流现象和临界风速下逆流现象消失的示意图。

1.2 理论基础

对于隧道火灾的烟气逆流长度，Thomas等人通过对隧道烟气的弗洛德数进行理论分析，得出了如下关于烟气逆流长度的公式[5]：

图1 有逆流长度的工况

图2 无逆流长度的工况

(1)

式中，L*是无量纲的烟气逆流长度，即逆流长度(L)与隧道高度(H)的比值；g是重力加速度；Q是火源的热释放速率；ρa和cp分别是空气的密度和比热容；Tf是火焰温度；V是隧道内的纵向风风速；A是隧道的截面积。

(2)

式中，Vc是临界风速；Q*是火源的无量纲热释放速率；Vmax是指一个无量纲的超临界风速，仅由隧道几何形状以及火源在隧道内的相对位置决定。

通过对前人关于隧道火灾研究内容的分析，发现对于纵向风温度对隧道火灾发展的影响的研究还未有涉及，本文以此问题作为研究内容。

2 模拟研究

2.1 模型的建立

本文确定的研究模型是一个30m×4m×4m(长×宽×高)的隧道，运用FDS进行模拟，网格数为180×24×24。火源功率为500kW，尺寸为0.4m×0.4m，置放在隧道中间。纵向风从隧道的一侧通入，风速为1.2～1.5m·s-1，隧道另一侧则与外界相通。模拟时间为300s，经过验证发现，在这一时间内，烟气运动已达到稳定状态，因此时间设置是合理的。隧道顶棚布置了热电偶，可以实时测量火灾中隧道顶棚的烟气温度。并通过分析烟气温度的方法来判断烟气的逆流长度和相应的临界风速。本文选取的纵向风温度变化范围为-10～40 ℃，研究在不同纵向风温度下，其对隧道火灾烟气逆流长度和临界风速的影响。模拟的尺寸如图1和图2所示。

2.2 模拟结果

2.2.1 逆流长度

选取纵向风风速为1.3m·s-1时，纵向风温度从-10 ℃到40 ℃情况下，模拟研究隧道内火灾烟气逆流长度的变化，截取稳定时刻的典型热烟气运动图片如图3～图8所示。

根据布置在隧道顶棚的热电偶测得的稳定时的温度来判断热烟气是否蔓延到相应的位置，从而确定该种工况下的烟气逆流长度。图9～图11所示为隧道火灾在纵向风风速1.2、1.3、1.4m·s-1情况下的烟气逆流长度随着纵向风温度的变化情况。处理数据中发现，在出现逆流现象时，逆流长度随着纵向风温度的增高而降低，相关的数据基本符合线性拟合的关系。当风速达到1.5m·s-1时，烟气不再出现逆流情况，说明此时的临界风速小于或者等于1.5m·s-1。确切的临界风速值可以通过后续的数据分析与计算得到。

图3 T=-10 ℃情况下的烟气运动图

图4 T=0 ℃情况下的烟气运动图

图5 T=10 ℃情况下的烟气运动图

图6 T=20 ℃情况下的烟气运动图

图7 T=30 ℃情况下的烟气运动图

2.2.2 临界风速

根据前文中关于在不同纵向风温度下，隧道火灾烟气逆流长度的变化情况，算得相应工况下的临界风速，如图12所示。可以看到的是，随着隧道内纵向风温度的增大，抑制烟气逆流的临界风速逐渐减小。因此本文的研究成果在工程上的应用为，当隧道内发生火灾时，可以在隧道一端通入热纵向风来进行排烟，这样可以降低所需的排烟临界风速。

图8 T=40 ℃情况下的烟气运动图

图9 风速1.2 m·s-1下的烟气逆流长度

图10 风速1.3 m·s-1下的烟气逆流长度

3 结论

通过模拟研究，可得出以下结论：(1)随着隧道内纵向风温度的增大，烟气逆流长度不断减小，抑制烟气的临界风速也不断减小。(2)实际工程中，可以通过增大纵向风温度的方法来更好的进行隧道火灾的排烟。

图11 风速1.4 m·s-1下的烟气逆流长度

图12 不同纵向风温度下的临界风速

[1] 李欢欢,朱国庆,陈少松,等.公路隧道中临界风速数值模拟研究[J].消防科学与技术,2011,30(3):198-201.

[2] 杨瑞新,陈雪峰.高等级公路长隧道火灾特点及消防设计初探[J].消防科学与技术,2002,21(9):50-52.

[3]HULH,CHENLF,WUL,etal. An Experimental Investigation and Correlation on Buoyant Gas Temperature below Ceiling in a Slopping Tunnel Fire[J]. Applied Thermal Engineering,2013,51(1):246-254.

[4] CHOW W K. Simulation of Tunnel Fires Using a Zone Model[J]. Tunnelling and Underground Space Technology,1996,11(2):221-236.

[5] 易亮，杨洋，徐志胜，等.纵向通风公路隧道火灾拱顶烟气最高温度试验研究[J].燃烧科学与技术,2011,17(2):109-114.

(责任编辑 马 龙)

The Effect of Crosswind Temperature on Tunnel Fire Back-layering Length and Critical Velocity

GAO Tianyang

(DaxingDistrictMunicipalFireBrigade,Beijing102600,China)

Numerical software is used to simulate the tunnel fire characteristics and development under different crosswind temperatures. Results show that with the increase in crosswind temperature, a tunnel fire back-layering length decreases, and thus the corresponding critical velocity to arrest the back-layering also decreases. Suggestions were proposed to better exhaust tunnel fire smoke, which is to increase the crosswind temperature.

tunnel fire; crosswind; temperature; smoke exhaust

2015-09-06

高天阳(1985— )，男，吉林公主岭人，助理工程师。

U458.1; D631.6

A

1008-2077(2015)12-0010-04