特长V形隧道火灾数值模拟研究

王 涛

(四川省机场集团有限公司，四川成都 610000)

随着西部大开发的持续发展，我国高速铁路迅速发展，西部山区隧道的数量和长度也不断提升，因此使隧道火灾风险和火灾后果的严重性不断增大。国内外隧道火灾事件屡见不鲜，1999年法国的勃朗峰隧道发生严重火灾，造成23人受伤，5人死亡；2011年甘肃七道梁隧道发生火灾，造成1人受伤，4人死亡。由于隧道所处环境复杂，内部空间狭长、相对封闭、与外界连通口较小，火灾发生时有毒烟气迅速蔓延扩散难以排出，人员疏散和消防扑救都将十分困难，往往会造成极具破坏性和危险性的后果[3]。尽管长大隧道内发生火灾的频率很小，但其造成的影响及损害是巨大的。为了更好的预防隧道火灾的发生以及火灾发生后的人员疏散，有必要对隧道的通风系统进行更加深入的研究。

国内针对隧道火灾的防灾救援开展了一系列的研究[1-6]，但所涉及的隧道都以单坡和“人”字坡为主，渭河隧道是V形坡特长隧道，而国内对V形坡特长隧道火灾的烟气分布特性和温度分布的研究较少，本文以渭河隧道为研究背景，运用CFD的Fluent软件对隧道发生火灾时的烟气分布特性和温度分布情况进行研究，分析了临界风速下隧道火灾及烟气的蔓延规律，并得到了不同火灾情况下最恰当的救援方案，为隧道火灾通风设计提供一定的理论指导。

1 工程概况

渭河隧道全长10 016 m，隧道内纵坡分别为-4 ‰/1490 m，25 ‰/2550 m，15 ‰/1264，-8 ‰/2005 m，-23 ‰/2707 m,隧道内纵坡呈“V”字型，隧道最小埋深36 m，最大埋深350 m[7]。竖井位于隧道最低点附近，深56.78 m，净空尺寸14.2 m×8.0 m，竖井通过横通道与正洞连接，出口平导位于线路左侧，与左线线路中线间距40 m，连接横通道与正线的夹角为60 °，运营期间作为截排水和通风通道，平导总长1995 m。

2 模型建立

本文以渭河隧道为研究对象，建立火灾数值模拟仿真模型，为了模拟结果更加真实，按照1∶1建立模型(图1)。该隧道长10 016 m，隧道半径6.41 m，隧道高8.68 m。建立模型时以隧道入口平面为xy平面，竖向为y方向，向上为正，沿隧道纵向为z方向，隧道出口方向为正。竖井位于v形坡的谷底处，平导位于线路左侧，与左线线路中线间距40 m，连接横通道与正线的夹角为60 °，长1 995 m。

在竖井底部布置轴流风机，确保竖井的送风速度不小于0.75 m/s，并在竖井横通道中布置直径为1.5 m的风管；在隧道入口布置射流风机，确保隧道入口处风速不小于1.5 m/s。

3 风流组织

隧道是一种场地狭长、相对封闭、与外界连通口较小的地下狭小空间，发生火灾时，着火列车停在隧道内，列车周围温度迅速升高，火势迅速蔓延，着火范围不断扩大，列车燃烧生成的有毒烟气也将迅速蔓延扩散，使隧道内烟气弥漫、能见度低、可视性差，救援设备和救援人员难以接近着火点，人员疏散困难。火灾持续时间长、消防扑救困难，隧道结构也将受到破坏，造成重大经济损失。因此，隧道设计中必须考虑防灾通风的具体措施。

对于铁路长大隧道防灾通风的设计，一般需要综合考虑隧道运营通风方案，并通过多种计算模型对隧道内的空气流动和烟气流动进行计算机动态模拟，以检验通风方案的效能，为合理设计隧道运营通风及防排烟提供理论依据。

当列车在隧道中失火，因失去动力不能继续运行或列车火灾规模过大，不得不在隧道内停车时，旅客逃生是首要的，此时隧道内应进行隧道机械通风，保证人的生命安全，旅客的逃生原则是“逆风而行”。根据失火列车在隧道内所处的位置，采取不同的送风、排烟模式和旅客逃生方案。

4 火灾工况模拟

当火灾发生在竖井与隧道出口间(即火灾发生点1、Z=4 860m处)，距离隧道洞口较远且无法驶出洞外时，则应该在隧道内进行人员的疏散和救援。隧道内射流风机由正常运营通风转为防灾应急通风，射流风机进行送风增压防止烟雾反向蔓延，并将烟气通过平导和隧道出口排出洞外，竖井底部的轴流风机进行供氧增压，使避难空间处保持空气流通并防止烟气反向蔓延，在隧道竖井底部布置轴流风机，设定竖井的送风速度为0.75 m/s，隧道入口端布置射流风机，设定隧道入口风速为1.5 m/s，隧道通风示意图见图2。

(a)火灾点1

(b)火灾点2

4.1 求解模型参数设置

(1)运用热量源项来模拟火灾的燃烧和放热，隧道内列车火灾的热释放率参照德国城际特快的试验结果，将列车火灾热释放率设为20 MW[8]。

(2)受火灾高温的影响，隧道内空气密度分布不均匀，因此使用Rosseland热辐射模型，设定空气介质的散射系数为0.01，吸收系数为0.1[9]。

(3)假设燃烧为充分燃烧，且产物为CO2，根据氧耗原理可得货车火源在单位时间内单位体积生成的CO2烟气质量为6.17×10-3kg[10]，且认为烟气流动具有各向同性。

(4)由于涉及热量交换和气体组分的流动扩散，计算时激活能量方程Energy Equation和组分输运模型，为充分模拟温度场中气体随时间的流动和分布特性，将气体设定为非定常流动，重力加速度取9.81 m/s2，隧道内温度为27 ℃(300 K)，依此对模型进行求解。

4.2 边界条件

根据建立的计算模型，结合隧道实际情况，设置的边界条件如下：

(1)隧道入口和竖井入口设为速度入口，方向与入口断面垂直。

(2)隧道出口和平导出口设为自由出口，方向与入口断面垂直。

(3)隧道壁面设为固体壁面单元，材料为混凝土，传热系数为0.58 W/m2·K。

(4)竖井入口的风速为0.75 m/s；竖井横通道内的风管两端分别设为速度入口和速度出口，其值为23.48 m/s。

(5)根据相关公式计算得出质量源项其值为6.17×10-3kg/(m3·s)，热量源项其值为59 260 W/m3 [10]。

4.3 模拟结果及分析

为分析纵向通风对V形坡隧道内烟气扩散的影响，对渭河V形坡特长隧道火灾进行数值模拟计算，纵向风速取1.5 m/s，竖井风速取0.75 m/s。通过分析计算，在整个扩散过程中，隧道内烟气浓度逐渐增大，并在风流作用下逐渐向洞口蔓延，1 200 s时扩散至隧道与平导的交接处，2 200 s时风流达到稳定，局部最高烟气浓度达到1.1 %。

在分析过程中选取火源处截面、隧道出口处截面、平导出口处截面和Z=4500m处截面进行分析，其中Z=4500m处于上风区的避难空间，该截面可以反映避难空间的空气质量和温度，为人员疏散路线的选择提供依据。

由图3可知，在1.5 m/s的纵向通风状态下，隧道火灾上风段基本没有烟气分布；下风段的烟气在扩散过程中，在风流作用下烟气与空气充分混合，整个断面内烟气浓度极差很小，二氧化碳浓度基本保持在0.75 %左右，火源附近的二氧化碳浓度最大，达到了1.1 %。从而说明烟气在隧道内随整个断面稳定扩散，当扩散至隧道口时(图3(c)),烟气又逐渐呈现分层状态，这是由于在该断面已接近烟气羽流的前锋，热烟气沿隧道顶面向外扩散，还没有与新鲜空气充分接触，因此出现了较为明显的分层现象，说明纵向通风作用有利于烟气的流动扩散。

图3 隧道烟气浓度分布状况(t=2200s)

图4可以看出，隧道内各断面的空气流速比较合理，上风区没有出现烟气回流。由于火源(图4(a))距竖井送风口距离较近，因此风速较大，有利于防止烟气的反向蔓延，也有利于烟气和送入的新鲜空气进行对流换热，使火源处温度降低。避难空间处(即Z=4500 m处)风速约为5 m/s，大于临界风速，使烟气不会蔓延至避难空间，为避难人员提供了安全的疏散环境。通过隧道出口(图4(c))和平导出口(图4(d))的风速，可以发现火灾下风区的风速逐渐趋于稳定，使火灾产生的烟气稳定的向洞口扩散，且烟气的整体扩散速度大于2 m/s，满足铁路隧道通风设计规范要求的2～6 m/s的烟气流速。

图4 隧道风速分布状况(t=2200s)

发生火灾时，人员通过避难空间疏散出洞外，因此应保证避难空间内有足够的新鲜空气，且避难空间的新鲜空气送风量应满足《铁路隧道防灾救援疏散工程设计规范》，通过竖井可以从隧道外引入清洁的新鲜空气，且新鲜空气送风量满足相关规范要求。

由图5可知，由于隧道内稳定的风流，使隧道上风区处于常温(27 ℃左右)，整个隧道几乎没有出现烟气反向蔓延的情况，避难空间处也没有烟气出现。而下风区的烟气和温度在蔓延过程中，不断与送入的新鲜空气混合并与隧道壁进行对流换热，导致温度和烟气浓度逐渐降低。由于火源(图5(a))距离竖井的通风口较近，风速较大，因此温度没有太高，火源处的最高温度为142 ℃，说明纵向通风降低了隧道内的温度，在一定程度上对人员疏散和隧道结构起到了保护作用，随着通风的进行，隧道下风区的温度逐渐稳定，维持在100 ℃左右。

5 结论

(1)隧道的下风区域属于安全疏散的危险地带，此区域温度较高，烟气聚集浓度较大，同时能见度较低，因此在疏散时应组织人员迅速向火源上风区域疏散。

(2)纵向通风作用下，火焰中心向下移动，隧道内温度和烟气浓度明显降低，说明纵向通风能有效减小高温对隧道结构造成的破坏，并使烟气不发生回流，能较好的抑制烟气温度和有害气体浓度。

图5 隧道温度分布状况(t=2200s)

(3)发生火灾时，火源产生的高温有毒烟气在纵向强制气流作用下未发生回流，隧道司乘人员可逆向隧道气流方向逃生，本文所讨论的通风方案可满足火灾情况下人员逃生要求。

(4)竖井临界风速为0.75 m/s，根据风机功率及相关规范计算出在竖井底部应布置两台DTF-15-6P型号的轴流风机风机。隧道入口临界风速为1.5 m/s，根据风机功率及相关规范计算出在隧道入口端应布置6台SDS90K-4P-22型号的射流风机，人员疏散和通风方案如图2所示。