弧形公路隧道在典型火灾工况下的烟气特性研究

张雪松，荣建忠

弧形公路隧道在典型火灾工况下的烟气特性研究

张雪松1，荣建忠2

(1.重庆市消防总队，重庆 401121； 2.公安部四川消防研究所，四川 成都 610036)

目前，我国已经进行了大量公路隧道火灾的研究，包括实体试验和数值模拟试验，研究的参数包括临界风速、烟气温度、烟气组分、可见度等。有研究表明，不同形状的隧道对火灾烟气运动的影响也不同，但当前大部分研究是基于“直形”“斜坡”公路隧道，缺少对“弧形”公路隧道火灾烟气方面的研究。采用数值模拟的方法研究了重庆市某“弧形”公路隧道在临界风速下的火灾烟气流动特性，具体对烟气组分、烟气温度、可见度等参量进行分析，为弧形隧道的应急救援和人员逃生提供参考。

弧形公路隧道；典型火灾工况；临界风速；烟气温度特征

0 引言

隧道火灾具有极大的危害性，愈来愈受到国内外相关科研机构之重视，很多研究机构已开展了全尺寸隧道的火灾试验[1-2]。欧洲多采用废弃隧道、综合隧道实验基地进行隧道火灾试验[3]，例如，荷兰Benelux2隧道、挪威Runehamar隧道、西班牙TST隧道火灾综合防灾基地等。我国对隧道火灾的研究较为分散[3]，大多以实验室为主体进行研究，采用隧道模型进行试验，研究内容主要是通风控制条件下的隧道火灾，隧道内的温度、烟气蔓延、隧道火灾的消防方法等。上述研究的隧道均为“直形”隧道，国内外相关研究缺乏弧形隧道的火灾烟气研究。

1 临界风速

临界风速是隧道通风系统在火源处为避免产生烟气逆流现象所形成的最小排烟速度，是隧道内火灾烟气控制的关键参数，也是排烟量计算、风机选型的关键依据。通常情况下，影响临界风速的因素有很多。有关文献表明，临界风速的影响因素主要包括火灾热释放速率、隧道坡度、隧道断面当量直径、隧道垂直风流速度、环境温度等[4]。文献[5]指出，燃料类型的改变，仅使得CO2、CO生成量及其下游扩散分布有所不同，而对温度场、速度场的影响则非常小。若以上游逆流消失来判别临界风速，则燃料类型的影响是可以忽略的。

1.1 Wu&Bakar临界风速模型

Wu&Bakar[6]对同高度、不同宽度的5类矩形断面隧道分别进行了试验和数值模拟研究，其中采用了隧道断面当量直径De作为特征长度，De的计算公式如式(1)：

其中，De为隧道断面当量直径，m；A为隧道通风断面面积，m2；P为隧道通风断面周长，m。

Wu&Bakar临界风速模型定义了无量纲热释放速率Q″和无量纲临界风速v″，得出临界风速的表达式，见式(2)～式(4)：

式中，Q为隧道内火源热释放速率峰值，W；ρ0为环境空气密度，kg·m-3；cP为环境空气定压比热容，J·kg-1·K-1；T0为环境空气温度，K；g为重力加速度，9.81 m·s-2。

依据式(2)得出无量纲热释放速率，将无量纲速率带入式(3)，即可得到无量纲临界风速，应用式(4)，可以进一步得到隧道的临界风速。

式中，vcr为Wu&Bakar模型预测的隧道临界风速，m·s-1。

1.2 弧形隧道临界风速模型

张雪松[7]等人采用数值模拟的方法，在Wu&Bakar临界风速的基础上，通过大量精确的数值计算，拟合出了弧形隧道的临界风速模型，认为：π/2弧度是隧道临界风速的一个“拐点”，应该采用分段函数的表示方式来表达弧形隧道临界风速，并提出了适用于弧形隧道的临界风速表达式。

2 弧形隧道的模型建立

重庆市某隧道是石忠高速公路的控制性工程，是西南地区最长高速公路隧道，全长7.6 km，隧道弧度为1.518 4，本文以此弧形隧道作为数值模拟的原型，研究其火灾发生时临界风速下的烟气特性[8-9]。

2.1 火源功率的确定

1970年，美国、日本、澳大利亚、奥地利等国分别进行了多项隧道火灾模拟试验，例如车辆和车载货物燃烧、车辆燃烧、燃油池燃烧等。结合有关研究结果，Opstad针对不同燃烧车辆的热释放速率提出了新的建议值，详见表1。

PIARC的统计数据表明：在100次隧道着火事故中，大约有80～90次的着火未造成人员伤亡和财产损失，因此，并非所有的隧道火灾都会造成严重的火灾事故后果，隧道内着火的概率远远大于隧道火灾发生的概率。常规设计很难预防一些偶然因素对隧道重大火灾的触发，或者意外因素加速隧道重大火灾事故的产生和发展。所以，对于隧道火灾典型工况的具体设计，必须结合隧道的重要性、交通量、行车规模等诸多因素和隧道防火设计的目标(即保证隧道使用者、设施安全以及保证隧道结构安全)来进行考虑。

表1 Opstad关于不同燃烧车辆HRR的建议值

隧道火灾热释放速率的相关研究表明：(1)在已发生的隧道火灾中，大货车以及车载货物燃烧对隧道火灾的严重程度有决定性的影响，且其最大HRR可能明显大于模拟试验；(2)对于有大货车燃烧的情形，现有规范低估了火灾的HRR。根据重庆市公路隧道交通组成的预测(见表2)可知，在重庆市公路隧道交通车型中，类似于大货车的车型将会占有较大比例，因此，在进行重庆市公路隧道火灾典型热释放速率设计时，着重于大货车火灾情形的影响是比较合理的，且应考虑以下几种车型组合的火灾工况：1辆大货车+1～2辆小轿车；1辆大货车+1辆小轿车+1辆大巴；1辆大货车+1～2辆大巴。

表2 重庆市公路隧道交通组成预测比例

综上所述，在考虑重庆市公路隧道将采用的运营策略(即防止大释热量的车辆进入隧道内)的同时，参考Opstad关于不同燃烧车辆HRR的建议值，选取50 MW(即相当于载有可燃物的大货车火灾情形)作为重庆市公路隧道火灾典型热释放速率是较为合适的。因此，在弧形隧道的数值模拟中，火源功率取50 MW，火源尺寸为3 m×3 m。

2.2 临界风速计算

依据Wu&Bakar临界风速模型，计算临界风速主要包括以下几个步骤：

首先，计算主洞断面当量直径。

其次，计算无量纲热释放速率。

再次，计算无量纲临界风速。

v″=0.40(0.20)-1/3(Q″)1/3=0.258 4

最后，计算临界风速。

综合考虑以上两种针对弧形隧道的临界风速计算方法，本文选取3.05 m·s-1(两模型的中间数值)作为临界风速值，并分别选择2.9 m·s-1(小于临界风速)和3.5 m·s-1(大于临界风速)纵向风速，来考察典型火灾功率50 MW下的弧形公路隧道的火灾烟气特征。

2.3 其他参数及数据采集点设置

为了研究该隧道在典型火灾下的烟气运动，火源功率设置为50 MW，位于隧道内最危险的隧道中部，扩展计算区域为10 m，网格尺寸为0.5 m×0.5 m×0.5 m。数值模拟的数据采集点共14个，分别位于火源前30 m、60 m、100 m，以及位于火源后30 m、60 m、100 m和隧道出口位置，每个位置测量点的高度为1.6 m(人眼高度)和8 m(顶棚)，计算的数据包括温度、二氧化碳、可见度以及隧道横截面的温度分布，通过这些数据来分析烟气的流动特征。

3 模拟结果及分析

3.1 烟气流动特性

图1为在临界风速情况下的烟气蔓延图。在模拟时间的前20 s，火灾烟气受到洞口风的影响很少，基本向火源两边自由发展，呈现出一定的对称性。随着火灾的发展和洞口风的继续补充，在约50 s时，烟气出现回流，大量的烟气被吹到下游，并到达隧道洞口；随着时间的发展，隧道内聚集的烟气越来越多，同时在火源处的烟气回流越来越小，在450 s时系统达到了稳定的状态。

图1 临界风速下的烟气蔓延图

3.2 烟气温度分析

3.2.1 截面温度分析

截面位于火源前30 m、60 m、100 m，火源中轴面，以及火源后30 m、60 m、100 m。从图2可以得出，在火灾发展的初期，烟气逆风向流动，流动的距离大约为30 m，随着火灾发展，火源上游的烟气会逐渐被吹到火源下游，在约30 s的时候，烟气运动到隧道下游60 m处，此时火源下游的隧道温度逐步升高，在约150 s时，隧道内的温度变化不大，在火源下游处，距离火源处越远，烟气沉降越多，温度更均衡，下层冷空气所占比例越小，顶棚处的温度也越低。

3.2.2 监测点的温度分析

火源上游的温度对比见图3和图4，其中，图3为1.6 m高度处的温度对比图，图4为隧道顶棚处的温度对比图。从图3可以看出，位于火源上游30 m的地方会受到火源影响，温度会提升，但是随后，受到通风影响，温度会最终下降到环境温度；火源上游60 m、100 m的地方温度变化非常小(60 m处变化仅为0.2 ℃)，烟气几乎不会逆向蔓延到这些位置。因此，在发生火灾时，逃生人员应该逆向通风方向来逃生。

图2 临界风速下的温度截面变化图

图3 火源上游高度1.6 m处的温度对比图

图4 火源上游顶棚位置的温度对比图

图5～图7分别为火源下游30 m、60 m、100 m的温度对比图。通过分析火源下游监测点的温度对比图，可以得到如下结论：(1)位于火源下游，在同一个监测点，通风的风量越大，温度越低；(2)位于火源下游，在通风量不变的情况下，距火源越远，温度越低；(3)位于火源下游，距火源越远，下层冷空气温度越接近顶棚温度，说明温度分层界限越不分明；(4)位于火源下游，通风量越大，温度方差越大，温度越不稳定。

图5 火源下游30 m温度对比图

图6 火源下游60 m温度对比图

图7 火源下游100 m温度对比图

3.3 二氧化碳浓度分析

选取系统达到“稳态”时的平均物理量来进行分析，选取时间为200～500 s，经过数据处理得到图8。在系统达到“稳态”时，火源上游的二氧化碳浓度几乎是0，是利于消防人员灭火和人员逃生的，在火源下游无论顶棚还是高度为1.6 m处都会存在一定量的二氧化碳，不利于灭火和人员逃生。在火源下游，与火源距离越远，顶棚的二氧化碳浓度越低，相反1.6 m高度处的浓度会提高，但不会超过其相同位置顶棚的二氧化碳浓度；通风量越大，在顶棚处的二氧化碳浓度越低，而在1.6 m处的二氧化碳浓度和通风量关系不是很大。

图8 火源下游二氧化碳浓度对比图

3.4 可见度

图9为可见度计算结果，由图可知：(1)在火源下游，相同位置处，高度为1.6 m处的可见度要大于顶棚处的可见度；通风量越大，顶棚处的可见度越大，而高度1.6 m处的可见度随着通风量的影响变化不大。(2)在火源下游，通风量一定时，与火源距离越远，顶棚处的平均可见度越大，相反，1.6 m处的可见度逐渐降低，但是，在与火源距离相同的地方，1.6 m高度处的可见度要高于其相应顶棚位置的可见度。

图9 火源下游可见度对比图

4 结论

本文基于重庆市某水平弧形公路隧道建立了该隧道的数值模型，并进行临界风速下火灾烟气数值模拟。结合前人的临界风速研究成果，对该弧形隧道进行了2.9 m·s-1(小于临界风速)、3.05 m·s-1(临界风速)、3.5 m·s-1(大于临界风速)三种不同纵向风速下，隧道内典型火灾工况的烟气组分、烟气温度、可见度等参量的数值模拟研究。通过研究发现，约在50 s时，烟气出现回流现象；整个火灾模拟中，在火源下游处，距离火源处越远，烟气沉降越多，温度更均衡，下层冷空气所占比例越小，顶棚处的温度也越低；火源上游温度和二氧化碳浓度低，适合人员疏散与消防应急救援，相反，火源下游温度和二氧化碳浓度偏高，不利于疏散与救援。

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(责任编辑 马 龙)

Study on Fire Smoke Movement inside Arc-shaped Tunnels under Typical Fire Condition

ZHANG Xuesong1, RONG Jianzhong2

(1.ChongFireCorps,Chongqing401121,China; 2.SichuanFireResearchInstituteoftheMinistryofPublicSecurity,Chengdu,SichuanProvince610036,China)

At present, a large number of studies including physical experiments, numerical simulation experiments have been carried out on highway tunnel fires. These studies focus on parameters of critical velocity, smoke temperature, smoke components, visibility and so on. But the shapes of different tunnels can have different effects on smoke movement. The subjects of most previous studies are not “arc-shaped” highway tunnels, but “straight” and “slope” highway tunnels. This paper applies the method of numerical simulation to study the fire smoke movement in an “arc-shaped” highway tunnel in Chongqing at critical air velocity, and analyzes the smoke temperature, smoke components, visibility in details, in an attempt to provide reference for the emergency rescue and escape of arch-shaped tunnel fires.

arc-shaped highway tunnel; typical fire condition; critical velocity; smoke temperature characteristic

2016-12-16

公安部消防局项目“违法违章建筑消防安全问题研究”(2015XFR11)

张雪松(1977— )，男，四川岳池人，工程师； 荣建忠(1984— )，男，山西大同人，助理研究员。

U459.2;D631.6

A

1008-2077(2017)04-0022-06