国内隧道火灾数值模拟及沥青路面燃烧研究

李晓东 徐 冀

(辽宁省交通规划设计院,辽宁 沈阳 110166)



国内隧道火灾数值模拟及沥青路面燃烧研究

李晓东 徐 冀

(辽宁省交通规划设计院,辽宁 沈阳 110166)

针对我国隧道火灾破坏性严重的具体情况，介绍了国内隧道火灾数值计算研究的现状，指出研究公路隧道火灾特性，沥青及沥青混合料的燃烧机理对隧道消防具有重要意义。

隧道火灾，数值模拟，沥青路面燃烧

1 研究背景

自20世纪改革开放以来，我国开始加快交通基础设施建设，我国公路建设取得迅猛发展。由于我国地势西高东低，多山、多丘陵的地形特点，截至2011年年底，全国公路隧道为8 522处，总计525.34万延米，我国已经成为世界上公路隧道最多，里程最长的国家。公路隧道尤其是行车速度较快的高速公路隧道，交通事故率远大于隧道外路段，浙江省2001年对通车的高速公路的调查，隧道事故率是其他路段的3倍多；由于隧道的封闭性，一旦发生火灾事故，其后果不堪设想，以下是国外一些隧道火灾的损失情况。

1999年5月29日发生的陶恩隧道(Tauern Motorway Tunnel)火灾，持续4个小时，造成49人受伤，34辆车辆烧毁；2001年10月，当时全球第二长隧道圣哥达隧道(Sait Gotthard Highway Tunnel)由于两辆货车相撞发生火灾，大火燃烧了一天后才被扑灭，隧道内温度达到1 000多摄氏度，当天即被证实至少有100多人不明下落。

由于公路隧道特殊的条件，现有的公路隧道路面材料多采用沥青混凝土。沥青路面中含有沥青这种遇火易发生燃烧，且易融化流淌的石油炼制最终产物，一旦公路隧道发生大中型火灾，沥青路面很有可能参与燃烧，并产生有毒气体，结合隧道火灾的特点，沥青路面的燃烧将成为隧道火灾中极不安全的因素。因此，研究公路隧道火灾特性、沥青及沥青混合料的燃烧机理对隧道消防具有极大的意义。

2 国内隧道火灾数值计算研究现状

20世纪80年代起，为模拟预测隧道火灾中，温度场及烟气分布规律和流动情况，国外兴起了火灾的数值模拟研究，取得的研究成果广泛的应用于铁路、公路隧道及地下空间的通风设计及消防研究。隧道火灾数值模拟研究近几年迅猛发展原因得益于以下几点：

1)计算机技术的发展，计算机硬件条件的提升为数值模拟提供了更好的计算平台。2)流体力学、传热学、燃烧学相关学科理论的发展，提供了更加坚实的理论基础。3)越来越多实验数据的积累为公路隧道火灾的数值模拟提供了可靠的数据支撑。

我国在地铁、隧道火灾数值模拟研究领域，研究人员主要是使用国外成套的CFD(Computational Fluid Dynamics，CFD)计算软件对火灾进行数值计算，或者以国外软件为基础对程序进行二次开发，主要研究隧道火灾时的温度场分布情况及烟气浓度及流向规律情况。

东南大学屈言宾采用CFD软件FLUENT对公路隧道火灾进行模拟，分别比较了不同热释放率的火灾的温度场的分布情况，并分析了通风速度对路面温度场的影响，认为20 MW的火灾会使隧道内最高温度达到1 000 ℃；低于5 MW火灾基本不会造成沥青路面引燃，但有可能释放有毒气体。

西南交通大学张会冰主要考察在使用FDS模拟隧道火灾过程中，如何设置边界条件尤其是壁面的类型才能使火灾模拟更加接近真实情况。作者采用FDS软件对隧道壁面进行不同的设置，并对模拟结果进行了对比分析，认为在火灾模拟过程中采用考虑温度变化和传热的变热流壁面模拟结果比较合理。

同济大学姚坚以复兴东路双层越江公路隧道为原型，使用FLUENT软件对隧道内火灾的最高温度、横断面温度、纵断面温度进行了考察，并提出了隧道内横断面和纵断面温度场分布的近似公式。

哈尔滨工业大学邓宇强利用CFD软件FLUENT对隧道火灾情况下隧道温度场进行了瞬态模拟。选择了比较适合隧道火灾模拟的建模方法，主要针对火灾规模、通风条件变化的情况下的隧道火灾进行了模拟，得出了隧道火灾温度场分布和烟气的流动情况，并分析了不同火灾情况下可能参与燃烧的路面区域。

南京工业大学的唐高胤、张礼敬，运用火灾模拟软件FDS对南京长江过江隧道火灾过程中的纵向通风进行了模拟计算，并分析了烟气的浓度及温度场分布，结果显示在3 m/s的通风条件下隧道结构安全，基本能实现逃生人员安全疏散。

3 国内关于沥青燃烧与热解方面的研究

清华大学龚景松采用挂滴燃烧法对单滴沥青燃料燃烧特性进行了初步的研究，分别研究了沥青燃料滴的分解、蒸发、着火和燃烧规律。根据观察的实验现象和测量的结果表明沥青的燃烧具有不同于液体燃料和固体燃料的特点，主要表现在单滴沥青在点燃时会产生明显的温度突跃，而且存在明显的固体残炭的燃烧阶段，燃烧过程中的单滴沥青体积会明显膨胀。

黄亚东，冯丹丹[10]，采用热重法对SBS改性沥青、阻燃沥青及其胶浆的燃烧特性进行研究。结果表明:两种沥青及沥青胶浆的燃烧的TG曲线形状十分相近，燃烧过程中，沥青二次挥发分燃烧与残炭燃烧同时进行。同时，作者认为采用添加阻燃剂的方式对沥青自燃点的影响不大，但是加入阻燃剂的沥青燃烧速率较改性沥青低40%。

纪伦，谭忆秋[11]通过极限氧指数实验、锥形量热仪实验，研究两种形式存在的沥青，研究表明，沥青材料在火灾过程中，放热量及发烟量大，释放的烟尘会造成可见度降低，而沥青混合料一旦点燃其燃烧依然剧烈并伴有大量烟尘和热量的释放。

董喜贵[12]从国内外5种原油中分离了沥青质，分别进行了四个升温速率下氮气气氛的TG实验，来研究沥青质的热解动力学特征。通过活化能分布模型计算了沥青质活化能、指前因子的分布规律。分析沥青质的热解动力学特征，作者认为沥青质的热解是多组不同活化能参数物质的平行裂解反应，指前因子和活化能具有良好的补偿效应，采用活化能分布模型能够较好的分析沥青质的热解特性。

4 结语

国内隧道火灾数值计算研究方面较为系统科学，大量的研究成果能够较好地模拟隧道火灾的情况，得出的火灾温度场和烟气分布规律能够较好的为隧道火灾消防及防火设计提供依据。沥青路面燃烧方面，主要集中在沥青材料燃烧性能的研究，沥青混合料及沥青路面燃烧特性较少，需进一步开展研究。

[1]周仁强.长大公路隧道火灾模式下通风及控制技术研究.成都:西南交通大学硕士学位论文,2006.

[2]陈辉强.新型阻燃沥青的制备及其阻燃机理研究.西安:长安大学博士学位论文,2009.

[3]林孙滔.地铁站火灾数值模拟中隧道口边界条件等效算法研究.成都：西南交通大学硕士学位论文,2012.

[4]屈言宾.公路隧道耐火沥青路面的性能研究.南京:东南大学硕士学位论文,2008.

[5]张会冰.不同壁面边界条件对隧道火灾模拟结果的影响.成都:西南交通大学硕士学位论文,2007.

[6]姚 坚.公路隧道内火灾温度场分布规律数值模拟分析.上海:同济大学硕士学位论文,2007.

[7]邓宇强.阻燃沥青的综合评定分析与公路隧道火灾温度场数值模拟.哈尔滨:哈尔滨工业大学硕士学位论文,2008.

[8]唐高胤,张礼敬.南京长江隧道火灾数值模拟.中国安全生产科学技术,2011,7(12):74-79.

[9]龚景松.单滴沥青燃料燃烧特性的初步研究.冶金能源，2000,19(3):43-51.

[10]黄亚东,冯丹丹.沥青燃烧特性的实验研究.消防科学与技术,2011,30(6):473-476.

[11]纪 伦，谭忆秋.长隧道沥青混凝土路面安全环保阻燃技术研究.森林工程,2009,25(2):56-60.

[12]董喜贵.石油沥青质的热解动力学研究.浙江大学学报,2004,30(3):652-655.

Overview on domestic tunnel fire numerical simulation and asphalt pavement burning research

Li Xiaodong Xu Ji

(LiaoningInstituteofTrafficPlanning&Design,Shenyang110166,China)

In light of specific domestic tunnel fire damage conditions, the paper introduces domestic tunnel fire numerical simulation research status, and points out the significant meaning for studying highway tunnel fire properties and asphalt and asphalt mixture burning mechanism for tunnel fire fighting.

tunnel fire, numerical simulation, asphalt pavement burning

1009-6825(2015)18-0191-02

2015-04-16

李晓东(1987- ),男，助理工程师； 徐 冀(1982- )，男，助理工程师

U458

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