大风速下火源横向位置对缓坡隧道烟气特性的影响

宋文武，万 伦，罗 旭，虞佳颖，陈建旭

(西华大学能源与动力工程学院， 四川 成都 610039)

近年来，随着交通的高速发展，公路路网的建设也在同步增长。由于我国是一个拥有70%山区面积的国家，公路交通发展的同时，必然会出现更多的隧道。截止到2016年底，我国公路隧道已达15 181处，里程14 039.7 km[1]。在隧道运营过程中，隧道的安全问题显得十分重要。隧道火灾是安全运营的主要考虑因素之一。由于隧道狭长的地理空间限制，一旦发生火灾将会产生大量的有害烟气，同时隧道内的温度不易下降，不清楚烟气运动规律和温降特性会给隧道内的人员逃生造成很大的安全隐患[2]。

发生在1999年3月勃朗峰隧道内的特大火灾，造成了38人死亡；2008年英吉利海峡隧道内发生的火灾导致14人中毒和受伤；2000年奥地利萨尔茨州基茨施坦霍县隧道内发生的火灾造成155人死亡，18人受伤[3]。于丽等通过对隧道火灾事故进行研究或者基于模型试验进行总结，发现隧道发生火灾时，隧道顶棚烟气分布、烟气温度、可见度与人员的安全逃生具有十分紧密的相关性[4-10]。在发生火灾时，给予隧道一定的纵向通风，当纵向风速大于临界风速时，烟气不会产生逆流，并且适宜的纵向通风能够加快烟气温度的降低速度，增大可见度距离，加快烟气及有毒有害气体的排出，可以提高人员安全逃生的机率[11]。

隧道发生火灾时，温度急剧上升，受浮力效应的影响，燃料释放的热量积聚在隧道顶部，对隧道衬砌结构的稳定性有很大的影响，研究隧道顶棚的烟气流场及温度分布对人员的安全逃生具有重要的现实意义[12]；此外研究发现人的平均身高1.60 m处的烟气温度及速度流场矢量变化对人员的安全逃生也具有十分重要的参考价值[13]。

从国内外研究现状来看，公认的比较成熟的隧道顶棚烟气温度分布是Kurioka模型规律[14]。ZHU等[15]基于该模型规律来研究纵向通风作用下隧道顶棚烟气温度的变化，但是通过大量的试验研究发现，该模型只适用于没有坡度的隧道，对于有坡度的隧道的可靠性有待提高；易亮等[16]通过模型试验对坡度隧道中烟气在纵向风的作用下烟气温度的分布进行了验证，得到了坡度修正系数随坡度变化的线性表达式；钟委等[17]通过试验和数值模拟研究了火源横向位置对无坡度隧道烟气分岔运动的分岔影响，发现烟气顶棚流动由对称分岔流动转变为非对称分岔流动。以上研究多数为基于火源位置位于隧道横向中部展开的研究，并且研究中鲜有考虑到隧道的坡度问题，而实际的隧道发生火灾时，火源位置是不固定的。

本文将研究坡度为3%的隧道，并且将其定义为缓坡隧道，因为隧道坡度一般为-3%～3%。选取一个应用最为广泛的坡度3%作为研究对象具有重要的现实意义[18]。将缓坡隧道与水平隧道进行数值模拟对比研究，基于此，研究隧道内火源不同的横向位置对隧道顶棚烟气分布、1.6m高处的速度流场矢量分布、隧道顶棚烟气沿程温降规律的影响，为研究隧道内火源在不同横向位置发生火灾时的烟气分布及温度分析提供一定的参考依据。

1 数值模拟

1.1 计算模型

本研究中，采用了单向通车隧道模型，隧道尺寸采用300 m(长)、10 m(宽)、5 m(高)，得到的最后模型如图1所示。研究火源不同横向位置对隧道顶棚烟气分布及1.6 m高处的速度流场矢量分布、隧道顶棚烟气沿程温降规律的影响，并与坡度为0的水平隧道进行对比分析。类比相关文献，坡度采用重力加速度来表征[19]。火源纵向位置为X=51.5 m处，对模型网格进行独立性研究，前人通过研究发现网格尺寸一般选择为火源直径的0.1倍～0.2倍。由火源直径公式可以得到特征直径为1.61 m[20]，网格尺寸小于0.32时，计算结果精度满足要求。整个模型网格采用不均匀网格，经过网格无关性分析，火源附近50～100 m处网格加密为其他处隧道模型网格采用，整个隧道模型网格总数为587 015个。

图1 隧道计算模型图

1.2 数值计算设置

隧道数值模型边界条件设置左端为进风口，右端为出风口。模拟实际公路隧道中的以小汽车为火源，火源功率为3 MW，数值模拟时简化为3 m的长方形油盘，离地面高0.5 m，单位面积的热释放速率为1 000 kW/m2b,纵向通风速度为4 m/s。火源横向位置分别为Y=0 m、Y=1 m、Y=2 m、Y=3 m、Y=4 m。火源中心到隧道壁的距离D分别为5、4、3、2、1 m。初始环境温度为20 ℃，模拟时间设置为200 s。研究在这5种工况下隧道内顶棚端烟气流动分布以及在1.6 m高处的速度流场矢量分布规律、烟气在顶棚沿程温降规律。

2 结果分析

2.1 隧道顶棚烟气分布

隧道内火源的不同横向位置发生火灾后烟气运动是不一样的。当燃烧达到稳态后，烟气在隧道顶棚分布呈现一定的规律。图2揭示了火源不同横向位置时缓坡隧道和水平隧道内烟气达到稳态时流动的分布图，可以看出火源横向位置在隧道中间时烟气的流动呈V型对称运动，烟气与隧道壁碰撞运动一定距离以后再合成运动，与隧道壁碰撞再分岔运动；随着火源位置与隧道壁距离的减小，烟气由对称运动转为非对称运动，同时当火源位置贴近隧道壁时，烟气运动呈现S型运动，缓坡隧道烟气变化较为明显，在D=3时就开始变化。这是由于坡度效应引起的火风压作用的效果。根据“镜像效应”，与火源位置位于隧道中部时烟气对称运动的一侧相似。

J=3%

J=0

(a)D=5 m

J=3%

J=0

(b)D=4 m

J=3%

J=0

(c)D=3 m

J=3%

J=0

(d)D=2 m

J=3%

J=0

(e)D=1 m

图2 火源不同横向位置的烟气分布图

2.2 1.6 m高处流场矢量分布

烟气在隧道中以一定的速度流动，研究发现人体平均身高1.6 m处的温度流场分布对人员的逃生具有很大的影响。图3揭示了火源的不同横向位置在缓坡隧道和水平隧道中1.6 m高度处烟气流场速度矢量分布。引起烟气流场变化的原因有火源与隧道壁侧墙的距离、火源的几何尺寸、火源在隧道中占据的几何空间产生的阻塞效应。本数值模拟时把火源简化成一个长方形的油盘，所以流场分析主要考虑火源与隧道壁的侧距。火源位于隧道横向中部时，坡度隧道烟气的流场矢量呈现基本对称结构，因为坡度效应的作用，水平隧道流线比较紊乱。随着火源向隧道壁的靠近，缓坡隧道火源位置一侧的流场趋势由正S型变成反S型方向，特别地，当火源位置贴近隧道壁时特别明显，两侧流场基本相同。这是因为火源向Y正向一侧的火羽流与隧道壁碰撞以后，能量损失大，远离火源一侧流场与火源位于隧道中心向负Y方向的流场趋势相同；由图3可知，与水平隧道流线相比，缓坡隧道的流线较优。

J=3%

J=0 (a)D=5 m

J=3%

J=0 (b)D=4 m

J=3%

J=0 (c) D=3 m

J=3%

J=0 (d) D=2 m

J=3%

J=0 (e) D=1 m图3 1.6 m高度处烟气流场速度矢量图

由图3可知，烟气在50～150 m处烟气的流动变化比较大，靠近火源一侧的流场变化比远离火源一侧的隧道壁的烟气流动变化要大，水平隧道变化特别明显。这是因为靠近火源烟气温度比较高，火羽流与隧道壁发生碰撞后，损失比较大。

2.3顶棚烟气沿程温降分析

在纵向风的作用下，火羽流与隧道顶壁撞击的过程中会形成中心低温区，中心低温区引起的温降大，曲线波动幅度大且没有规律，研究隧道顶棚沿程温降规律过程中，要避开中心低温区。根据模拟结果可以发现，该隧道模型火源的不同横向位置出现的中心低温区在80 m处附近，同时在隧道90 m处开始隧道顶棚的温度分布达到稳定。为了避开中心低温区，选取隧道X= 90 m处作为参考位置。在Origin中得到纵向100～300 m隧道顶棚烟气温降分布，对模拟的数据进行相关处理及拟合，可以得到缓坡隧道内100～300 m的温降系数以及拟合度R。根据相关参考文献可得拟合度R大于0.9认为模拟结果是可以接受的[21]。隧道顶棚烟气沿程温降规律如图4所示。

J=3%

J=0图4 火源不同横向位置隧道顶棚沿程温度分布规律

由图4可知，温度拟合系数R都大于0.9，说明拟合结果是符合要求的。缓坡隧道温降曲线在不同的火源横向位置变化比水平隧道变化小。同时可以看出在缓坡隧道和水平隧道中烟气的温降系数随着火源与隧道壁距离的减小而增大，表示顶棚中心烟气的温降幅度随着隧道火源与隧道壁距离的减小而增大。这是因为随着火源与隧道壁距离的减小，一侧火羽流与隧道壁接触的时间减少，速度更快，碰撞隧道壁后烟气动量损失更大，造成烟气温度下降的幅度更大。

2.4 隧道顶棚温度分布

烟气在4 m/s的纵向通风作用下缓坡隧道和水平隧道内顶棚温度分布规律如图5所示。从火区流出的烟流在纵向通风以及火灾动力效应的作用条件下，向出风口移动，随着时间的增加，烟流前沿到火区的距离增大，烟气区域范围不断扩大。坡度隧道增加梯度比水平隧道大，越靠近隧道壁，变化梯度越大且坡度隧道中靠近火源的低温区消失时间比水平隧道早，这是因为缓坡隧道会产生火风压。由于在运动过程中，烟流温度高于隧道内其他环境温度，烟流不断与周围空气进行热交换，使沿程空气的温度升高。烟流热能减少，温度下降，隧道周围的物体不断接受烟流热能，温度随着时间的增加而升高，靠近火源的温升梯度比接近出风口的温升梯度要大。

J=3%

J=0 (a)D=5 m

J=3%

J=0 (b)D=4 m

J=3%

J=0 (c) D=3m

J=3%

J=0 (d) D=2 m

J=3%

J=0 (e) D=1 m图5 隧道顶棚烟气温度分布图

当火源位于隧道横向中心位置时，由中心向隧道壁两侧的温度分布是中心对称的；随着火源与隧道壁距离的减小，火源附近的中心低温区开始发生偏移，缓坡隧道变化更为明显，由隧道中心向隧道壁转移；火源靠近隧道壁时，温度分布为火源位于隧道中心时的镜像一侧，同时低温区的范围比火源位于隧道横向中部时要大，水平隧道低温区比缓坡隧道低温区大。

3 结论与讨论

通过理论基础与数值模拟相结合的分析方法，本文对火源不同横向位置且燃烧已经达到稳态时的烟气分布特性进行研究，得到缓坡隧道内随着火源与隧道壁距离的减小，顶棚烟气分布由最初的V型对称运动转为非对称运动。特别地，当火源贴近隧道壁时，烟气运动为V型的一侧，且呈“S”型；水平隧道1.6 m高处的流线比较紊乱；但是缓坡隧道1.6 m高处速度流场矢量分布随着火源位置向隧道壁的逐渐靠近，火源一侧纵向隧道内纵断面温度变化幅度较大，且由火源位置位于隧道中心的正“S”型变为火源贴近隧道壁的反“S”型。尽管火源横向位置不同，缓坡隧道和水平隧道内顶棚烟气温度均是呈指数型减小的规律，随着火源向隧道壁的靠近，温降系数增大，表示顶棚中心烟气温降幅度随距离的减小而增大。顶棚烟气温度低温区随火源与隧道壁距离的减小而发生偏移，逐渐向隧道壁靠近，且低温区的范围随距离的减小而增大，且水平隧道低温区增加梯度较坡度隧道大。

本文的研究结论可以为隧道火灾的烟气特性分析提供参考和借鉴。值得注意的是，国内外研究证明，实际的隧道火灾情况比较复杂，车辆的运行速度、车辆的阻塞效应、风机的通风速度、火源的几何尺寸等对烟气特性会产生影响，因此在以后的隧道火灾烟气特性分析中，要综合考虑车辆的运行速度、车辆的阻塞效应、风机的通风速度以及火源的几何尺寸。此外，公路隧道中的气象条件对隧道火灾的烟气特性影响还有待进一步研究。