火源横向位置对隧道烟气分布的影响

王 文 孙三祥 石彬彬

火源横向位置对隧道烟气分布的影响

王 文1孙三祥2石彬彬3

（1.陕西铁路工程职业技术学院 渭南 714000；2.兰州交通大学环境与市政工程学院 兰州 730070；3.甘肃林业职业技术学院 天水 741020）

依托工程实际，采用数值模拟方法研究隧道火源位于不同车道时，隧道临界风速、温度、烟雾分布扩散规律。结果表明：纵向通风速度不大于临界通风速度时，火源下游段隧道棚顶温度呈e函数下降，当通风速度大于临界通风速度时，该规律不再适用。火源位于侧壁面时，由于隧道侧壁面的限制作用，其近火源区烟气运移呈“之”字形向隧道出口处蔓延，隧道棚顶不同纵向温度线呈滚动式交替变化。

数值模拟；临界风速；烟雾分布；滚动式

0 引言

隧道火灾烟气运移研究过程中，主要考虑烟气一维纵向运移，对隧道火源附近烟气震荡研究较少。实际公路隧道大都为多车道隧道，车辆一旦在隧道内发生火灾事故，由于火源所处车道的不同，隧道内烟气及温度扩散过程也存在较大差异。

Colomba Di Blasi等[1]研究了火焰形状、大小和位置的变化对临界速度的影响。Soufien Gannouni等[2]模拟研究了车辆障碍物堵塞的隧道内的火灾热浮力流分层问题。Roh J S等[3]采用弗劳德标度法进行了1/20缩尺实验，研究了纵向通风速度对隧道火灾燃烧速率的影响及烟气运动规律。Sina S等[4,5]采用缩尺隧道模型试验结合FDS数值模拟的方法，分析了隧道火灾燃烧速率、放热速率和烟气反分层等因素对隧道火灾燃烧速率、放热速率和烟气反分层的影响。Baochao Xie等[6]采用火灾动力学模拟软件FDS模拟分析了隧道火灾中竖井横截面积和长宽比（长宽比）对自然排烟的影响。覃日富[7]基于FDS数值模拟方法，分析了螺旋隧道中烟浮升力、离心力和浮力之间的关系以及影响范围，总结了螺旋隧道的火灾烟气蔓延特性。黄家成等[8]采用FDS数值模拟软件，对多匝道公路隧道的烟气流动规律进行模拟，分析坡度、弯曲度、匝道对烟气蔓延的影响。

依托某多车道城市隧道工程实际，建立隧道火灾数值模拟分析模型。以恒定热释放率、发烟率为模拟条件，研究火源布置于不同车道式、不同通风速度状况下的隧道纵向温度分布及烟气扩散运移规律。研究主要集中于对近火源区域烟气震荡规律的分析，可为隧道火灾通风、扑救及人员疏散提供建议。

1 模型建立

1.1 物理模型

依托于某城市隧道工程实际，建立三维隧道模型。原隧道采用通风孔将隧道划分为7段不同的通风区段，为方便研究、减少运算量，只对其中一段隧道内的火灾烟雾、温度分布扩散做研究分析。起火点隧道纵向位置中部，横向布置有靠近隧道壁和靠近隧道中线两种布置方式，火源简化为4m×2m×1.5m的矩形障碍物，上表面为火源热释放面。三维模型如图1所示。

1.2 数学模型

在隧道通风问题的研究中，所涉及到的流动方式类似于管内湍流流动，其流动方式较为复杂，要准确进行隧道火灾通风模拟首先要选择恰当的湍流模型。研究选用基于大涡模拟（LES）的火灾模拟软件FDS对隧道火灾进行数值模拟计算。

其连续方程、动量方程及能量方程如下：

试验准备阶段，需要采集离线训练所需图像，并将采集图像进行BP神经网络训练，最后将离线训练所得权值阵v、w，阈值阵θ、γ 4组数据导入在线检测程序中。离线训练中，4个位置图像及所选ROI如图7所示。4位置图像在ROI5内和6位置图像在ROI6内的特征值始终为0，且其他位置图像在此区域特征值显然不为0，故4、6位置图像可通过经验值比较直接得出铆接位置；3、5位置各选择如图7所示的2个ROI，共4个ROI。故BP神经网络模型输入节点数为4，输出节点数为2，根据式(1)，本文隐层节点个数取5个。

式中，为气体密度；`为滤波后的速度矢量；为重力加速度；F为外部力；`τ为亚格子应力（SGS）；`为显焓；为压力；为导热系数；`为温度；S为耗散函数。

1.3 网格设置

在采用火灾动力学软件FDS模拟的过程中，网格尺寸的大小是影响计算结果精度的一个重要因素。*/标准广泛的被用来估算网格尺寸结果，其中网格尺寸和火源特征长度*可由式（5）估算：

McGrattan等[9]推荐，当*/在4～16的范围内取值时可确保计算的精确度，即该模型中网格大小介于0.16～0.67m之间。为确保计算精度、缩短数值时间、提升运算效率，在火源远场区域可以采用较大的网格尺寸，对火源附近部分进行加密，火源上下游10m范围内加密网格尺寸为0.125m，隧道其他区段为非加密部分，网格尺寸为0.25m。有文献研究表明，近火源区域网格尺寸小于0.13m，远火源区域不大于0.4m时，在FDS隧道火灾模拟中能够获得较好的模拟计算值[10]。

1.4 边界条件

数值计算中，相关参数设定如下：

环境初始温度取20℃，环境初始相对湿度设为40%；环境大气压力取101.3kPa；隧道壁面设为绝热、无滑移壁面；隧道出口设置为开口（open），入口设置为速度入口。车体上表面为热释放面，火源功率分别设为5MW、10MW、20MW的稳态火源；火灾模拟运行时间设为120s。

模拟工况设置如表1所示。

表1 5MW火源模拟工况

2 模拟验证

Lee等[11]利用小尺寸实验（见图2）研究了隧道纵向通风条件下火灾烟气温度沿隧道纵向方向的衰减特性，其结果可用于本文数值模型验证。数值模型中隧道几何尺度及物理参量与实验条件相同。

图2 实验模型示意图

隧道模型长度为10.4m，断面面积为0.4m×0.4m，壁面为1cm厚的石膏板，其导热系数为0.16W/(m·K)，密度为90kg/m3，比热为900J/(kg·K)。距火源中心点1～6m内每隔1m布置温度测点，热电偶设置在距隧道顶棚0.02m处。油盘尺寸0.08m×0.08m，放置在距隧道入口3m处，热释放率2.47kW。隧道两端为开口条件，初始温度环境为20℃。

图3 模拟值与实验结果的比较

本文模拟结果与文献模拟结果吻合较好；实验中温度沿程衰减较快，其原因可能由于火源燃烧不稳定造成。但与模拟结果比较，温差在10℃以内，可认为本文采用的模拟模型及方法可用于隧道火灾烟气模拟。

分别在隧道横向位置=3、9、13.5m布置温度探测器，用以监测隧道顶部温度在不同位置的纵向分布。从火源上部开始，向隧道两端对称布置，间隔为1m，测点距隧道顶距离为0.2m。布置测点如图4所示。

图4 监测点设置

3 模拟结果分析

为研究隧道烟气锋面的运移扩散规律，以火源功率=5MW为例，分析不同通风速度下，火源靠近隧道侧壁面位置时，隧道顶面烟气锋面分布规律，结果如图5所示。

图5 隧道横断面烟雾分布

由图5可以看出，当通风速度为=2m/s时，隧道逆流烟气前沿呈不对称分布，隧道中部烟气前沿偏后，火源侧略低于远火源侧壁面处。当通风速度=3m/s时，烟气上游锋面呈阶梯状分布，且在火源侧约20m的区域烟雾变薄。主要是由于烟气冲击隧道顶棚，以火源点为中心向周边扩散，当遇到隧道壁面阻碍时会在冲击隧道侧壁，侧壁处压力上升，使烟气点呈现出图（a）的分布规律。但当通风速度较大时，冲击所形成的压力作用减弱，隧道烟气呈图（b）的分布规律。

以火源功率=5MW、通风速度=1m/s工况下烟雾运移扩散为例，分析隧道顶面烟气锋面在运移过程中的变化规律，如图6所示。

图6 不同时刻隧道烟气分布

由图6可以看出，当火源靠近隧道侧壁面布置，在通风速度小于临界通风速度的情况下，烟气向上游逆流过程中，其烟气峰面呈“之”字形交替运移。且随着烟气前锋面距火源位置的增大，其烟气锋面交替幅值逐渐减小。

为更好的分析烟气运移过程，将其震荡过程以平面示意图方式展示，如图7所示。

图7 烟气横向震荡平面示意图

结合图5、6的分析，由烟流运移平面示意图7可看出，火源置于隧道中线位置时，烟气撞击侧壁产生的烟流A，由于左右两侧壁对称，其产生的动能冲击会相互抵消，不会对烟气纵向主流产生大的影响。而当火源置于隧道一侧壁时，烟气横向运移冲击隧道壁面，部分能量损失，但仍有大部分能量重新参与另侧壁面，使烟流A在隧道两侧壁面间震荡衰减。震荡烟流A会对纵向流烟B气产生冲击扰动，降低纵向烟流B的动能，同时烟气层紊乱增强。随着烟气纵向运移，其震荡烟流A震荡频率逐渐降低，最终于主流烟气B运移方向一致。

震荡会导致烟气动能减小，烟气能量耗散增大，紊乱增强，烟气纵向主流运移速度下降。主要起影响作用的是阻尼震荡的一次波。在近火源区域由于火源烟气浮升力大，其冲击隧道顶棚及侧壁时产生的冲击力也比较大。烟气撞击隧道顶棚和隧道侧壁面时所产生的震荡作用比较明显。

对火源功率=5MW工况，隧道顶部不同位置的温度进行监测，并对监测数据进行数据分析，不同通风情况下隧道顶部温度分布曲线，如图8所示。

图8 隧道温度分布

通风速度为=0m/s的工况下，隧道两端温度呈对称分布。火源正上方隧道顶部温度最大，随着火源温度监测线向远离火源侧横向移动，纵向测线温度峰值呈规律性减小，且衰减值∆逐渐减小。通风速度为1m/s工况下，远火源侧温度峰值点纵向偏移量要大于火源上方温度峰值点纵向偏移量，且纵向偏移量∆呈规律性减小。通风速度为2m/s工况下，各监测线温度峰值点纵向偏移量趋于一致。隧道纵向通风风速越大，隧道近火源侧烟气震荡现象越明显。通风速度为3m/s工况下，近火源区温度呈线性下降。火源峰值越大，其下降速率越快，温度衰减速率(∆/∆)值越大。隧道火源下游段烟气温度波动极为明显，且随着距火源横向位置偏移量的增大，其波动值逐渐减弱。

由图8可以看出，对于隧道不同断面的温度监测值，火源上方隧道顶温度值最大，随着监测点距离火源纵向位置的增大，在近火源区域，其隧道顶部纵向温度越小，但在远火源区域，隧道顶部纵向温度值要偏大。三条监测线温度分布在距火源一定长度距离内呈滚动式交替上升，在一定距离后各测点温度逐步趋于一致。火源布置在隧道侧壁面附近时，由于热烟浮升力和隧道通风风速的共同作用，下游段烟气会呈S型螺旋式震荡，使其温度在短距离内较高。但随着隧道距离的增大，其温度分布会逐渐趋于一致。

为分析通风速度对隧道顶部温度纵向分布的影响，选取火源正上方的隧道顶部纵向分布曲线，如图9所示。

图9 不同通风速度下温度分布

由图9可以看出，随着隧道通风风速的不断增大，隧道棚底温度峰值总体呈下降趋势。通风速度小于1m/s时，隧道纵向温度分布曲线值极为接近。通风风速=1m/s时的温度峰值略小于通风风速=0m/s时的温度峰值，且火源上游段棚底纵向温度偏小，火源下游段棚底纵向温度偏大。在通风速度=1～2m/s区间内，隧道顶部温度纵向分布出现了极大的突变，温度峰值从280℃突将至160℃，温降约80℃，且温度峰值点出现了较大距离的向火源下游的偏移。通风速度=2m/s工况下，隧道火源上游段温度都为环境温度（20℃），下游段温度与通风速度=1m/s工况下的曲线基本一致，表明隧道内烟气回流在该通风速度下被很好的抑制，且烟气分层未被破坏。在通风速度=3m/s工况下，隧道顶部温度峰值进一步降低，峰值点位置进一步向下游端偏移，且下游段温度值低于=2m/s工况下的温度分布值。其下游段温度分布曲线也出现了较大的震荡，表明该通风速度下隧道内火源下游段纵向烟气分层被破坏。

隧道通风风速对火源下游段的温度分布有极大的影响，为研究风速与纵向温度衰减趋势之间的规律，根据模拟数据对火源下游不同通风工况下，隧道顶部纵向温度分布做拟合分析（图10），拟合结果如表2所示。

表2 拟合参数

图10 拟合曲线

由图10可以看出，通风速度不大于临界通风风速（=2m/s）时，火源下游段隧道顶部温度纵向衰减趋势符合指数函数分布，拟合通式(2)，拟合优度大于0.9，拟合参数见表2。当通风速度大于临界通风风速时，火源下游段隧道顶部纵向温度出现较大的震荡，其衰减不再符合指数函数分布，而是呈阻尼振荡规律变化。

4 结论

研究基于火灾动力学模拟软件FDS，对不同火源位置、不同通风速度情况下，隧道内烟气、温度的分布规律做分析研究，主要结论有：

（1）火源靠近侧壁布置时，火源纵向蔓延时隧道烟气前锋面呈“之”字形交错向前蔓延，且交替变化幅值随距火源距离的增长而逐渐减弱。

（2）当通风风速不高于临界风速时，火源下游段纵向温度呈函数规律变化。当通风速度大于临界风速时，火源下游段温度呈阻尼振荡状波动，函数规律不再适用。

（3）火源位置靠近隧道壁面时，近火源区域烟气层震荡较火源置于隧道中线时的烟气波动大，烟气分层更易被破坏。

（4）隧道烟气层达到稳定状态时，隧道横截面上烟气呈拱形分布，愈靠近隧道侧壁，烟气层越低。建议在可能情况下尽量选择靠近隧道中线的车道进行人员疏散。

[1] Colomba Di Blasi. Influences of sample thickness on the early transient stages of concurrent flame spread and solid burning[J]. Fire Safety Journal, 1995,25:287-304.

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[7] 覃日富.螺旋隧道火灾烟气蔓延特性研究[D].广州:华南理工大学,2018.

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The Influence of the Transverse Position of the Fire Source on the Smoke Distribution in the Tunnel

Wang Wen1Sun Sanxiang2Shi Binbin3

( 1.Shaanxi Railway Institute, Weinan, 714000; 2.School of Environmental and Municipal Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou, 730070; 3.Gansu Forestry Polytechnic, Tianshui, 741020 )

Based on the engineering practice, the numerical simulation method is used to study tunnel critical wind speed, the distribution and diffusion law of temperature and smoke, when the tunnel fire source is located in different lanes. The results show that when the longitudinal ventilation speed is not greater than the critical ventilation speed, the tunnel roof temperature in the downstream section of the fire source decreases as an e-function. When the ventilation speed is greater than the critical ventilation speed, the rule is no longer applicable. When the fire source is located on the side wall, due to the restriction of the side wall of the tunnel, the flue gas migration near the fire source area spreads to the exit of the tunnel in a zigzag shape, and the different longitudinal temperature lines on the roof of the tunnel change alternately in a rolling manner.

numerical simulation; critical wind speed; smoke distribution; rolling manner

U445

A

1671-6612（2020）02-273-06

甘肃省重点研发计划（17YF1GA010）

王 文（1990-），男，硕士研究生，助教，主要从事隧道火灾、隧道通风领域研究，E-mail：1205901714@qq.com

孙三祥（1965-），男，教授，E-mail：sunsanxiang@mail.lzjtu.cn

2019-12-12