基于CFD坡度隧道火灾烟气蔓延特性模拟研究*

黄洋　张英　陈先锋　牛奕

(武汉理工大学资源与环境工程学院　武汉 430070)



安全工程

基于CFD坡度隧道火灾烟气蔓延特性模拟研究*

黄洋张英陈先锋牛奕

(武汉理工大学资源与环境工程学院武汉 430070)

摘要隧道是狭长受限空间的一种，其特殊性导致隧道火灾的危害比一般火灾更大，烟气层的温度以及烟气逆流距离与隧道火灾后果紧密相连。将火风压考虑在内，对坡度隧道火灾过程中烟气逆流距离进行了理论分析，得出烟气逆流距离的理论预测公式。运用CFD软件对不同坡度隧道火灾进行模拟发现坡度越大，温降幅度越大，烟气向上游蔓延的速度越慢，逆流距离越小，因此上游更安全。通过比较逆流距离的理论预测值和模拟值，发现理论值比模拟值偏小，但是两者仍然能够很好的吻合，理论预测公式能够运用于实际火灾中，为消防措施的制定提供一定的参考。

关键词隧道火灾坡度效应逆流距离温度CFD

0引言

近几年，随着城镇化的发展，城市人口快速增多，导致交通拥挤，在这种状况下，交通隧道得到了空前的发展。交通隧道在带来交通便利的同时，也带来了巨大的火灾危险。交通隧道为狭长型空间，出入口比较少，这些特点致使火灾时烟气难以排出，温度升高迅速，因此隧道火灾比一般火灾危害更大，造成更大的经济损失以及更多的人员伤亡[1-2]。控制烟气回流现象是降低隧道火灾事故损失的关键因素之一，引起了国内外众多学者的重视。

现场试验、小尺寸试验及数值模拟是研究隧道火灾的三种主要方法，前两种费用较高、存在安全威胁且难以实现，而随着数学、流体力学、火灾动力学等相关学科的发展及火灾仿真软件的日趋成熟，采用数值模拟的方法对隧道火灾事故进行研究得到了越来越广泛的应用。因此，本文采用专业火灾动态模拟软件CFD开展坡度效应对隧道火灾温度分布、烟气逆流距离的影响研究。

1CFD模型建立

1.1CFD简介

CFD软件 (Computational Fluid Dynamics，即计算流体动力学，简称CFD)是进行流体力学研究的重要技术，FDS是其中一款专业模拟火灾的软件。FDS的计算主要基于质量守恒、能量守恒、动量守恒以及组分守恒[3]。

质量守恒方程：

(1)

动量守恒方程：

(2)

式中，u为速度矢量；G表示体积力矢量；fb表示由于液滴或颗粒引起的外部力;τij为流体的应力张量。

能量守恒方程：

(3)

FDS与Smokeview相结合能够动态的反映出烟气的流动状态、温度的变化及各个组分的分布。目前，FDS在国际上应用广泛，模拟结果的准确性已经得到了验证[4-5]。基于此，研究中选取FDS模拟软件，运行方式确定为大涡模拟，反应方式为多组分混合燃烧。1.2物理模型

以典型单向双车道隧道为模拟原型，隧道断面为半圆拱形，长500m，高5.5m，宽9m，隧道壁为混凝土结构。建模时，以X方向为隧道延伸方向，Y方向为隧道宽度方向，Z方向为隧道高度方向，如图1所示。城市隧道中小汽车是最常见的交通工具，一辆小汽车的火源功率为5MW，故火源功率设置为5MW。火源位于X=350m处，高Z=0.5m。将隧道的两端均设置为开口。隧道中坡度一般在4%以下，故坡度α选取1%、2%、3%、4%4种[6]，坡度通过在X、Z两个方向上分解重力加速度来表征。类比相关文献，将计算时间设置为1 200s。

图1隧道模型

1.3监测点的布设

为研究隧道烟气温度分布规律，每个监测断面上的监测点布设如图2所示，在距离拱顶0.25m、0.50m、0.75m的位置均设置温度测点，烟气温度取3个测点的平均值，每10m设置一组测点。为确定烟气逆流距离，同样在距离拱顶0.25m、0.50m、0.75m的位置设烟气测点。

图2监测断面测点布设

2理论预测模型

2.1烟气沿程温降预测模型

不存在纵向通风时，火灾烟气的流动只受浮力的驱动影响，而浮力则是由烟气层与环境空气之间的温度差决定。在蔓延过程中，烟气与周围环境、隧道壁发生热对流、热辐射作用，同时卷吸大量空气，导致烟气的温度沿程不断衰减。Kurioka、胡隆华、王彦富等人通过理论分析，以及实验验证，认为烟气层温度纵向沿程呈幂指数函数变化，可按下式估算：

Tx=Ta+ΔTref×e-k1x

(4)

即

(5)

式中，Tx为与参考位置距离xm处，烟气的温度，K；Ta为空气的温度，K；ΔTref为参考点处烟气温升，K；ΔTx为与参考点距离xm处烟气层与环境空气的温度差，K；k1为温降系数；x为烟气与参考点之间的距离，m。

选择火源位置为参考点，则x即为烟气的逆流距离。用0rigin软件对模拟中测得的数据进行处理、拟合，可得各个坡度下沿程温降系数k以及拟合度R，具体如图3所示。R值大于0.9即可认为拟合公式能够很好地与所测数据吻合。

(a)　0坡度下温升与距离的关系

(b)　1%坡度下温升与距离的关系

(c)2%坡度下温升与距离的关系

(d)3%坡度下温升与距离的关系

(e)4%坡度下温升与距离的关系

图3沿程温度分布与距离关系式拟合

由拟合可得温降系数k值随坡度的增大而增大，表明逆流烟气层的温降幅度也随着坡度的增大而增大。这是因为火风压抑制烟气向上游方向蔓延，而坡度越大，火风压也越大，向上游蔓延的热烟气量越少，卷吸的空气量增多，故随着坡度的增大，温降幅度越大。

2.2烟气逆流距离预测模型

隧道发生火灾后，空气的温度上升、密度降低，在浮力的作用下向上运动，与此同时热烟气不断卷吸周围的冷空气，形成火羽流。火羽流撞击到拱顶后，先向四周径向蔓延，随后受限于隧道侧壁，向顺流、逆流两个方向蔓延。烟气的逆流与火灾事故后果紧密相连，逆流烟气温度沿程幂指数衰减，当烟气温度下降到一定值时，热浮力驱动力与火风压的作用力相当，烟气逆流前锋将处于动态平衡状态，此时烟气逆流前锋与火源的距离就是“烟气逆流距离”。在烟气逆流停滞时，烟气逆流前锋与环境控制的静压差等于火风压：

P静=P火

(6)

忽略火区烟流的加速阻力以及高温烟气的摩擦增值，火风压近似为：

(7)

式中，ρa为环境空气的密度，kg/m3；ρx为与火源水平距离xm处，烟气层的密度，kg/m3；g为重力加速度，α为坡度。

烟气逆流前锋与环境控制的静压差为：

P静=ΔρLgh

(8)

式中，ΔρL为逆流滞止时环境空气与烟气层的密度差，kg/m3；g为重力加速度，m/s2；h为烟气逆流前锋的厚度，m。

对于理想气体，有：

(9)

联立式(1)和式(5)，并将xref视为0，可得：

(10)

联立式(1)、式(2)、式(3)、式(4)、式(6)可得烟气逆流距离：

(11)

3模拟结果与理论预测结果的比较分析

上坡方向视为下游，下坡方向视为上游。通过对比分析t=50s时，不同坡度下烟气蔓延的状况，经过比较，发现坡度越小，烟气向上游蔓延的蔓延距离越大，即烟气向上游的蔓延速度越快。这一现象表明坡度越小，上游危险性越高，人员应在更短的时间内撤离。

通过分析烟气测点，得出模拟中烟气逆流距离。表1为理论烟气逆流距离与模拟中烟气逆流距离的比较。理论分析中忽略了火区烟流的加速阻力以及高温烟气的摩擦增值，所以理论预测值比实际值略小，从表1中知理论值与模拟值差异在10%以内，故认为理论预测值符合实际，预测公式能够很好的预测烟气逆流距离。

表1　理论烟气逆流距离与模拟逆流距离比较

在实际应用中只需要知道隧道坡度、环境温度、逆流烟气前锋厚度、火源处烟气层的温度以及与火源不同距离处的烟气层温度，就能够运用理论公式得到烟气的逆流距离。

4结论

通过理论分析与数值模拟相结合的方法，研究了坡度效应对隧道火灾中逆流烟气的温度衰减规律以及逆流距离的影响，主要得到以下结论：

(1)逆流方向烟气温度沿程幂指数衰减，坡度越大，温降系数k1越大，表明逆流烟气的温降幅度随着坡度的增大而增大。

(2)坡度越小，向上游蔓延的速度越快，上游的危险性也越大，人员应在较短的时间内撤离。

(3)烟气逆流距离与温降关系紧密，k1值越大，逆流距离越小。通过分析，理论预测值与模拟所得逆流距离误差在10%以内，可以估计实际火灾中烟气的逆流距离，因此认为理论预测模型可以用来指导隧道火灾的研究以及消防工作的开展。

(4)隧道火灾中烟气逆流距离的影响因素较多，如隧道尺寸、火源功率等，模拟中对这些因素进行了简化，在后续工作中有待深入地研究。

参考文献

[1]赵峰,夏永旭,谢涛.公路隧道运营事故统计分析研究[J].公路,2014(6):280-287.

[2]张晓磊.公路隧道火灾案例统计分析[J].河北交通职业技术学院学报,2013,10(2):58-61.

[3]吕淑然,杨凯.火灾与逃生模拟仿真—PyroSim+Pathfinder[M].北京：化学工业出版社,2014.

[4]张文海,杨胜州.基于FDS列车车厢火灾烟气危害分析研究[J].工业安全与环保,2013，39(12):57-60.

[5]姜连瑞,朱亚婵,郭龙飞,等.高层建筑外保温材料燃烧特性及火灾扑救研究[J].工业安全与环保, 2014，40(1):31-34.

[6]赵红莉,徐志胜,李洪,等.坡度对隧道火灾烟气温度分布的影响[J].中南大学学报(自然科学版),2013(10):4257-4263.

*基金项目：国家自然科学基金(51404178)。

作者简介黄洋,硕士，从事安全科学及技术工程研究。

(收稿日期：2015-01-20)

The Simulation Research of Slope Tunnel Fire Characteristics Based on CFD

HUANG YangZHANG YingCHEN XianfengNIU Yi

(SchoolofResourceandEnvironmentEngineering,WuhanUniversityofTechnologyWuhan430070)

AbstractAs one kind of long and limited space, the tunnel fire does harms more seriously compared to the common fire accident and the consequences of tunnel fire are tightly connected to the temperature and back-flow distance. Considering fire wind pressure, a theoretical study is conducted to predict the back-flow distance in slope tunnel fire process, getting the theoretical forecast formula of back-flow distance. CFD is used to simulate sloping tunnel fires, showing that while the slope increases, the temperature decreases faster, the traveling velocity to upstream becomes smaller, the back-flow distance is shorter, so the upstream is more safe. By comparing theoretical back-flow distance with the simulated one, it is found out that the theoretical value is a little lower than the simulated one, but both can be fitted. The theoretical formula can be applied to predict the back-flow distance in practice, providing some references for the stipulation of fire control measures.

Key Wordstunnel fireslope effectback-flow distancetemperatureCFD