海拔效应对隧道火灾特性影响的研究*

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)



海拔效应对隧道火灾特性影响的研究*

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)

鉴于CFD在火灾模拟方面能够准确反映出火灾过程中烟气、温度、CO浓度等的分布特性，采用CFD对不同海拔条件下的隧道火灾进行模拟计算。计算结果表明，火源功率相同时，随着海拔的升高，上层烟气纵向蔓延速度以及下层新鲜空气向火源补充速度均增大。CO浓度以隧道中线为轴两侧对称分布，隧道中线上浓度最低；1.5 m高度处，CO首先出现在隧道出口位置，随后向回蔓延；同一断面上层CO浓度大于下层CO浓度，海拔的升高导致CO生成量增多，高浓度区域范围变大。另外，随着海拔的升高，火源附近拱顶烟气温度增大；不同海拔条件下，拱顶烟气温度沿途均呈幂指数衰减，海拔越高，温降的速率越快。

海拔效应隧道火灾烟气CFD

0　引言

西部地区所处位置海拔较高，环境压力小，空气中氧含量较低，这种低压低氧环境使隧道火灾特性有别于常压下隧道火灾的特性。近年来低压低氧环境对燃烧性能的影响引起了广泛的重视，众多专家、学者针对低压低氧环境下材料的热解速率、火蔓延速度、火焰高度等特性进行了研究分析[1-3]，但将低压低氧环境与隧道火灾结合进行综合探讨方面还有待更深入的研究。研究低压低氧环境对隧道火灾特性的影响，对于高海拔公路隧道火灾消防措施、救援措施的制定有一定的指导作用，能够有效降低高海拔地区隧道火灾的危害。

因此，拟利用流体动力学(CFD)模拟软件对不同海拔条件下隧道火灾进行模拟计算，分析海拔对隧道火灾的影响规律。

1　模型的选择及建立

以计算流体力学为基础，结合计算机技术的数值模拟已经逐渐成为研究火灾过程的重要手段，计算结果的准确性在中外学者的研究中得到了验证[4]。CFD模拟软件主要基于四大基本控制方程进行求解：质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程、组分守恒方程[5]。火灾是一个动态的发展过程，大多为湍流过程，并且受浮力影响比较大，因此需选用受浮力影响的湍流模型——k-ε模型。

1.1物理模型

以典型的单洞双向隧道为模型，选取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。墙体边界设置为热厚性边界条件，模拟中设置为“concrete”属性，模拟段x长300 m(-150～150)，y宽10 m(0～10)，z高7.5 m(0～7.5)。火源为固定热释放速率火源，其位置取最不利条件，即位于隧道中央(x=-2～2，y=4～6，z=0.5)。计算模型具体如图1所示。

图1　计算模型

火灾规模与发生火灾的车辆类型有很大的关系，表1为不同车型的火灾热释放强度。行驶于中西部交通网隧道中的车辆多为小轿车、货车、卡车、客车等，故模拟中将火源设定为热释放强度20 MW的t2稳态火源。分别对海拔为0，1 000，2 000，3 000，4 000 m时的隧道火灾进行模拟。

表1　不同车型的火灾热释放强度　MW

1.2网格设置

网格的尺寸大小对模拟结果的准确性影响很大，前人通过研究发现，网格尺寸与火源特征直径D*有很大的关系，当网格尺寸为0.1～0.2 D*时，模拟结果能够比较准确地反应出真实情况，D*的计算方法如式(1)。

(1)

式中，D*为火源特征直径，m；Q为总的热释放速率，kW；ρ∞为空气密度，kg/m3；Cp为环境空气比热，kJ/(kg·K)；T∞为环境空气温度，K；g为重力加速度，m/s2。

根据网格尺寸必须为2，3，5的倍数的原则，结合计算中采用的物理模型，对网格尺寸进行独立性试验，最终确定网格尺寸为0.25m×0.25m×0.25m时较合适。

2　结果分析

隧道结构属于狭长受限空间，出入口少、排烟以及排热都很困难，烟气蔓延与温度分布是隧道火灾中两个最重要的研究参数。隧道火灾过程由于空气供给不足常为不完全燃烧，会产生大量的高浓度烟气(含有大量CO等有毒有害气体)，对人员的生命安全造成威胁。同时，烟气将大幅降低隧道内的可见度，阻碍人员逃生。高温对人员造成灼伤的同时，也可能破坏隧道结构，使火灾救援难度加大。通过对不同海拔条件下的隧道火灾进行数值模拟计算，对隧道内的温度分布以及烟气的蔓延状况进行分析，总结海拔对隧道火灾特性的影响规律。

2.1烟气蔓延

隧道火灾的发展过程比较复杂，由火源、环境、隧道结构等各个方面的因素共同决定。烟气的蔓延状况是隧道火灾灾害程度的重要影响因素之一，可分为3个阶段：阶段Ⅰ——烟气产生并卷吸空气向上传播，形成火羽流；阶段Ⅱ——烟气发生顶棚射流现象，向周围各个方向扩散，并完成轴向传播向纵向一维传播的转换；阶段Ⅲ——烟气达到一维蔓延状态，上部形成热烟气层沿纵向方向蔓延，下层为冷空气层，向火源传播。

这里仅考虑阶段Ⅲ烟气达到一维蔓延时火灾烟气蔓延特性。图2为40s时不同海拔条件下隧道火灾烟气蔓延距离。显然，海拔越高，烟气蔓延距离越大，表明高海拔条件下烟气蔓延速度更快。同时下层新鲜空气向火源处补充速度也会随着海拔的升高不断增大，这是因为高海拔地区空气中含氧量较低，在相同火源功率条件下，为满足氧气需求，需要更多的空气补充，因此下层空气向火源处补充的速度更快。另外，烟气蔓延动态过程，发现在出口位置烟气不能完全排出，开始大量聚集并且发生回流。

图2　烟气蔓延距离

烟气浓度、CO浓度主要受卷入的新鲜空气含量的影响，而温度不仅受卷入的新鲜空气量的影响，还会受与隧道壁等之间的热对流的影响，因此当温度降到对人员造成危害的临界值80 ℃以下时，CO的浓度可能仍然比较高，可以对人员造成伤害。通过观察1.5m高度(人的口鼻位置)处CO浓度分布的动态图，发现CO首先出现在隧道出口附近，随后向回蔓延，CO浓度以隧道中线为轴在两侧呈对称形式分布，隧道中线附近浓度小于临近隧道壁面附近区域的浓度。图3为隧道中线CO浓度分布示意图，显示出CO浓度在临近隧道顶部区域较大，在临近隧道底板区域较小。在隧道出口处，CO含量最多，随着海拔的升高，CO浓度增大，危险性也随之增大。

2.2温度

隧道多是混凝土或者钢筋混凝土砌筑而成，这些材料在一定的高温条件下会失去强度。当温度达到200 ℃时，混凝土结构强度降低了30%左右，因此将200 ℃视为隧道结构受影响的一个临界值。隧道发生火灾后，隧道断面由于受到的热辐射、热对流、热传导作用有所差异，同一断面上的温度也有所不同。隧道烟气温度分布如图4所示。

图3　CO浓度分布

图4　烟气温度分布(单位：℃)

由图4可知，烟气温度有明显的分层现象，上层温度高于下层温度，这是因为高温烟气首先在上层纵向蔓延，温度降低后再向下层蔓延；海拔越高，温度高于200 ℃的区域越大，隧道的顶部受高温的危害最大。因此认为随海拔的增大，将会使更大范围的隧道结构受到高温威胁。

拱顶烟气温度分布如图5所示。图5(a)表明随着海拔的升高，火源处拱顶烟气最高温度上升，在水平距离火源100m范围内，海拔越高，拱顶烟气温度越大；但是与火源水平距离超过100m以后，高海拔隧道的拱顶烟气温度反而会逐渐小于低海拔隧道的拱顶烟气温度。对拱顶的烟气层温度进行分析、处理、拟合可得烟气纵向衰减幂指数函数拟合图如图5(b)所示，各海拔条件下拟合度均大于0.98，因此认为拱顶烟气温度在不同的海拔条件下都符合幂指数衰减规律，从图5(b)可以看出沿程温度的下降幅度随着海拔的升高不断增大。综合图5(a)与图5(b)，在火源功率相同的条件下，高海拔地区火灾中火焰高度更高，范围更广，对近火源区域的热辐射越强烈，因此近火源区域的温度较高；另外，高海拔地区烟气蔓延更快，同时空气更迅速地向火源处补充，导致卷吸的空气量更多，沿程烟气温降更快。由此认为海拔的升高将导致临近火源区域温度升高，但是在高海拔条件下，拱顶烟气温度下降速度较快，当与火源的水平距离大到一定程度后，高海拔下的拱顶烟气温度反而小于低海拔下的拱顶烟气温度。从温度角度看，高海拔地区临近火源区域的危险程度更大，但是与火源距离较大时，低海拔地区的危险程度更大。

(a)

(b)

3　结语

(1)火源功率相同条件下，烟气蔓延速度与新鲜空气向火源补充的速度都随着海拔的升高而增大。

(2)1.5m高度处，CO首先出现在隧道出口位置，以隧道中线为轴CO浓度对称分布于两侧，中线上浓度最低。临近隧道拱顶区域CO浓度较大，临近隧道底板的区域CO浓度较小，随着与火源距离的增大，隧道断面上高浓度区域的面积逐渐增大。

(3)不同海拔条件下，临近火源区域温度分层现象均比较明显，上层温度显著高于下层温度，拱顶烟气温度最高，沿程均呈幂指数衰减，火源上方拱顶烟气温度随着海拔的升高逐渐增大，但高海拔条件下温度降低速率更快，故临近火源区域拱顶烟气温度高于低海拔地区，与火源距离达到一定值后，低海拔条件下拱顶烟气温度反而高于高海拔地区。

[1]ZHANGY,JIJ,LIJ,etal.Effectsofaltitudeandsamplewidthonthecharacteristicsofhorizontalflamespreadoverwoodsheets[J].FireSafetyJournal,2012,51:120-125.

[2]张英.典型可炭化固体材料表面火蔓延特性研究[D].合肥：中国科学技术大学,2012.

[3]牛奕.低压低氧环境下纸箱堆剁火的实验和模拟研究[D].合肥：中国科学技术大学,2013.

[4]葛江.基于FDS的车厢火灾烟气流动的数值模拟分析[J].工业安全与环保,2012，38(6):50-52.

[5]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.

张英，男， 1985年生，副教授，博士，主要从事狭长受限空间火灾研究。

Numerical Simulation on Altitude Effects to Tunnel Fire

HUANG YangZHANG YingCHEN XianfengNIU Yi

(SchoolofResourceandEnvironmentEngineering,WuhanUniversityofTechnologyWuhan430070)

CFD simulation can accurately reflect the distribution of smoke, temperature and CO concentration in tunnel fire, so it is used to compute tunnel fire in different altitude. The results show that the up-layer-smoke diffusion velocity becomes bigger and the supplying velocity of down-layer fresh air for fire grows with the rise of altitude. CO concentration distributes symmetrically on both sides of the midline of tunnel and it is lowest in the midline. CO firstly appears at the exit of the tunnel and then back-flows at the height of 1.5 m. CO concentration is much higher at upper layer than that at lower layer, CO will be produced more at high altitude and the high concentration area will be larger. The ceiling temperature near the fire increases with the increase of altitude. Ceiling temperature decays along the tunnel in an exponential function no matter in high altitude or in low altitude, and it decays faster in high altitude.

altitude effectstunnel firesmokeCFD

国家自然科学基金(51404178)。

黄洋，女， 1990年生，硕士，主要从事火灾安全科学研究。

2015-07-01)