细水雾和纵向通风耦合作用对隧道火灾影响的数值模拟

王亚琼，李培军，任 锐，李 勇，宋 晓

(1. 长安大学 公路学院，陕西 西安 710064； 2. 长安大学 陕西省公路桥梁与隧道重点实验室，陕西 西安 710064)

0 引 言

近年来，我国平均新增公路隧道1 100 km/年，2019年全国公路隧道共增加了1 329处、1 730.5 km[1-2]；特别是长大公路隧道的增长尤为突出。长大隧道空间狭长，半封闭的结构不利于人员逃生[3]，且隧道的防灾救援是一个多因素的、复杂的系统工程问题[4]。随着隧道里程的增长和数量的增多、公民安全意识的不断提高，隧道运营安全与防灾救援日渐得到学界的重视。

细水雾作为一种有效的灭火手段，在隧道及城市地铁火灾中被广泛应用[5-6]。国内外学者对细水雾在隧道灭火中的应用进行了相关研究。陈新文等[7]在云南省芹菜塘1号隧道内进行了试验，研究了细水雾的降温效果，结果表明：在通风良好的情况下，开启低压细水雾后可有效降低隧道内的环境温度及火源周围的CO浓度；李浩等[8]通过试验得出：当发生20 MW火灾时，在细水雾作用下，能保证火灾救援、人员逃生和隧道结构不受影响；LI Qi等[9]在1:3的隧道模型中进行了试验，基于火源强度、喷嘴数量、水压力及纵向通风风速对细水雾封堵火灾烟气扩散和热量传播效果的影响进行了分析，结果表明：火源强度越大、喷嘴数量越多、水压力越大，封堵效果越好；王洁等[10]使用FDS软件研究了基于不同雾化角的隧道火灾最高烟气温度和纵向温度分布规律，结果表明：最高烟气温度随着雾化角的增大而变高；张玉春等[11]采用1：10模型试验得出：细水雾能有效降低发生火灾时隧道上部空间温度，但对下部较低温度作用有限；LIANG Qiang等[12]提出了一种同时控制细水雾幕和横向通风的系统装置，通过细水雾幕来抑制烟气扩散，有助于横向通风系统的排烟过程，并能为人员逃生提供一个安全空间；YANG Peizhong等[13]对盾构施工隧道中的水幕系统进行了研究，讨论了不同水幕条件下的不同断面温度、烟尘浓度和可见度，发现水幕能阻止部分烟气向外扩散，并能明显冷却烟气；YANG Yongbin等[14]研究了细水雾粒径对纵向通风隧道内火灾烟气的温度、厚度及CO浓度的影响，结果表明：粒径对烟层厚度和温度分布影响较大，但对CO浓度影响较小。

关于纵向通风的研究，彭伟等[15]在某省公路隧道内进行了全尺寸火灾模拟试验，对不同纵向风速下火源上方典型位置的烟气温度值进行了测量和分析，结果表明：试验数据与理论数据非常吻合，可用于今后的工程计算中；曹正卯等[16]在羊鹿山隧道进行了全射流纵向排烟试验，证明了全射流纵向排烟在该隧道中的可行性；阳东等[17]研究了纵向通风对通道火灾热分层和烟颗粒分层特性的影响，得到了当出现K-H流动不稳定和热分层不稳定时的临界条件；徐琳等[18]利用CFD技术研究了环境温度、火灾热释放强度、断面形状对临界风速影响，发现Kennedy公式并不适用于大型火灾的临界风速计算；TAO Haowen等[19]提出了纵向通风隧道内火灾烟气流上升时间的预测公式；TANG Fei等[20]研究了洞顶集中机械排烟与纵向通风耦合作用下隧道临界速度的演变特征，结果表明：随着机械排烟流量增加，临界风速变小；LI Liming等[21]利用前人试验数据结合理论推导，得出火灾放热率与纵向空气体积流量及火源质量损失率的关系。

学者们主要是针对细水雾或纵向通风进行了研究，但对细水雾和纵向通风耦合的分析尚不深入。作为一种降温控烟的有力手段，细水雾因其用水量少、无实体水流等优点而在隧道及地下工程中被广泛应用；纵向通风是目前应用最多的通风方式，因此对细水雾和纵向通风耦合作用的研究显得非常有必要。笔者以云南省某隧道工程为依托，基于细水雾和纵向通风的耦合作用对隧道火灾影响进行了数值模拟。

1 模型建立

1.1 FDS计算原理

综合考虑计算成本和计算精度，FDS数值模拟一般采用大涡模拟；大涡模拟过程中需要引入相应的湍流模型，其基本思想是通过某种滤波函数将流场中的运动分成大尺度运动和小尺度运动，对于大尺度量直接解N-S方程，对小尺度量则通过建立亚格子应力模型进行模拟[22]。

1)质量守恒方程如式(1)：

(1)

式中：ρ为密度，kg/m3；u为速度矢量，m/s。

2)动量守恒方程如式(2)：

(2)

式中：p为内部压力，Pa；f为外部压力，N；τij为燃料黏性，Pa·s。

3)能量守恒方程如式(3)：

(3)

式中：h为燃烧组分的焓值，kJ/kg；q‴为燃料热释放率，kW/m3；q为辐射热量，kW/m2；φ为燃料耗散率，kW/m3。

4)组分方程如式(4)：

(4)

式中：Yi为燃料的第i组分的质量分数；Di为燃料的第i组分的扩散分数，m2/s；m″为单位体积生成率，kg/(m3·s)。

在细水雾作用下，细水雾液滴与烟气颗粒相互作用，发生吸热、凝聚、沉降等物理反应[23-24]。

5)液滴运动方程如式(5)：

(5)

式中：FD为拖拽力产生的加速度分量系数，1/s；gr为重力加速度，m/s2；ρd、ρ分别为液滴密度、烟气密度，kg/m3；vd、v分别为液滴速度、烟气速度，m/s。

FD可由式(6)计算：

(6)

式中：d为液滴粒径；CD为阻尼系数；μ为摩擦系数；Re为雷诺数。

6)液滴质量与能量方程如式(7)、式(8)：

(7)

(8)

1.2 参数设置

1.2.1 模型建立与网格划分

模拟隧道模型长度为150 m，宽和高分别为11、7.1 m。对于网格划分，D*/δx值应在4～16之间，其中：D*表示火源特征尺寸；δx表示网格单元大小。FDS用户指导手册中给出的火源特征尺寸D*[25]的计算如式(9)：

(9)

式中：Q为火源热释放速率，kW；ρ∞为环境空气密度，kg/m3；cp为空气比热容，kJ/(kg·K)；T∞为环境温度，K；g为重力加速度，m/s2。

经计算可知，D*=3.175，δx=0.198～0.794 m。综合考虑计算结果精度，笔者采用火源局部网格加密方式，取火源附近网格为(0.3×0.3×0.3)m；距离火源较远处网格为(0.6×0.6×0.6)m，如图1。

图1 网格划分示意Fig. 1 Grid division diagram

为保证数值模拟准确性，对网格进行无关性验证，分别选取0.5、0.4、0.3、0.2 m网格进行计算，如图2。

图2 不同位置的温度对比Fig. 2 Temperature comparison at different locations

由图2可知：0.2、 0.3 m处网格的计算结果十分接近，故采用0.3 m网格进行火源附近温度计算。

1.2.2 工况设置

隧道内空间狭小，可燃物通常会发生不充分燃烧，产生大量有毒有害气体和不完全燃烧产物，燃烧产物会与气流发生复杂的相互作用而产生紊流，在细水雾和纵向风共同作用下，会导致隧道内空气流动发生巨大改变。为研究细水雾和不同风速耦合作用下烟雾蔓延与温度变化情况，设置工况如表1。

表1 工况设置Table 1 Working condition setting

1.2.3 火源与辐射模型

1)火源设计

火源模型分为稳态和非稳态。为更好地模拟隧道火灾发展状态，笔者采用非稳态火源模型(图1)。火源位置位于网格加密段的中间位置且位于隧道中心线上，火源采用FDS反应库中的聚氨酯燃烧，为更好地模拟火灾热释放率变化[26]，火源热释放率如图3。

图3 火源热释放率Fig. 3 Heat release rate of fire source

2)辐射模型

辐射模型采用点源辐射模型[27]，如式(10)：

(10)

式中：χr为辐射分数，χr=0.12～0.16；r为与火源的距离，m。

1.2.4 细水雾喷头参数设计及布置

隧道内喷头布置如图4。根据自动喷水灭火系统设计规范的相关规定[28]，在隧道中心线上方布置一排喷头，间距为4 m；喷头流量为10 L/min，液滴粒径200 μm。

图4 纵断面喷头布置(单位：m)Fig. 4 Nozzle arrangement on vertical section

1.2.5 边界条件与测点布置

1)边界条件

设置初始环境压力为一个标准大气压，初始环境温度为298 K，隧道出口设置为自由边界，即烟气可自由地出入计算区域。为更好地模拟火灾作用下衬砌的换热，设置混凝土衬砌厚度为0.5 m，传导率为1.8 W/(m·K)；比热容为1.04 kJ/(kg·K)；密度为2 280 kg/m3。

2)测点布置

为了检测环境中温度及可见度变化，在数值模型中设置了温度测点、温度测面和可见度测面，如图5。在隧道中心线上设置了5组温度测点，分别在火源上方和两侧，每组测点间距10 m，每组4个测点，分别距离地面1.5、 4、 6、 7 m。

1.3 模型验证

在现场试验中，笔者使用K型铠装热电偶用于现场温度数据测试。设置纵向风速为2 m/s，将数值模拟结果与试验结果进行对比。隧道内火源上方7 m处的温度对比如图6。由图6可知：隧道内温度的变化趋势和温度值较为接近，说明数值模拟结果可靠。

图6 模拟结果与试验结果对比Fig. 6 Comparison of simulation results and experimental results

2 结果分析

2.1 温度变化

2.1.1 火源上方温度变化

图7为不同风速时火源上方的温度变化曲线。由图7可知：无论是否开启无细水雾，风速的加快使得火源上方最高温度大幅下降；细水雾开启后，由于纵向风的存在，加强了细水雾对火源上方不同位置处的降温效果。

图7 不同风速时火源上方温度变化情况Fig. 7 Temperature changes above the fire source at different wind speeds

无细水雾时，火源上方最高温度随风速加快而降低；风速为3 m/s时，随着火势的变化，火源上方6 m处的温度逐渐高于1.5、 4 m处的温度，之后再逐渐降低，这说明隧道顶部烟气在回流到火源上方后又被吹向下游。

有细水雾时，不同风速下细水雾降温效果存在差别。当风速为0 m/s时，细水雾对火源上方温度降低效果不明显，但开启细水雾后温度波动变大；当风速为1 m/s时，随着火势的变化，火源上方1.5 m处的温度逐渐高于6 m处的，细水雾对1.5 m处降温效果最为明显；当风速为2、3 m/s时，细水雾对火源上方6 m处降温效果较好。

2.1.2 火源下游5 m处温度变化

图8为不同风速下火源下游5 m处温度变化曲线。由图8可知：当开启细水雾后，不同风速下的温度相对无细水雾情况出现明显降低，但不同风速下开启细水雾后的效果存在着一定差别。当风速为0、 3 m/s时，开启细水雾时的温度即为最高温度或与最高温度接近；当风速为1、 2 m/s时，温度先小幅降低再大幅升高。

图8 不同纵向风速下火源下游5 m处温度变化Fig. 8 Temperature changes at 5 m downstream of fire source under different longitudinal wind speeds

无细水雾时，该处不同高度位置的温度基本呈现出随风速加快而升高的趋势，但不同风速下的情况有所区别。当风速不大于2 m/s时，断面上温度呈现出测点越高温度越高的趋势；当风速增长至3 m/s时，4 m处的温度升至最高。

有细水雾时，随着风速加快，该处温度总体呈现出先升高后降低的趋势。当风速为2 m/s时，6 m处的温度低于无细水雾时，但1.5、 4 m处的温度高于无细水雾的情况。值得注意的是，无论有无细水雾，纵向风的存在会导致温度波动变大。

2.1.3 火源下游10 m处温度变化

图9为不同风速下火源下游10 m处温度变化曲线。由图9可知：开启细水雾后，温度短暂下降而后出现小幅波动升高，但不同风速下的总体温度相对无细水雾情况出现明显降低。

图9 不同纵向风速下火源下游10 m处温度变化Fig. 9 Temperature changes at 10m downstream of fire source under different longitudinal wind speeds

无细水雾时，6 m处的温度随着风速的加快而降低； 4 m处的温度随风速加快先升高后降低；1.5 m处的温度随风速加快而变化不大。

有细水雾时，随着风速加快，6、 4 m处的温度先升高后降低，但不同风速下最高温度相对无细水雾时降低；1.5 m处的温度仅在较高风速时出现小幅波动和上升。

2.1.4 考虑火焰形态的细水雾降温效果分析

图10为不同风速下火源附近的温度云图。虽然不同风速下温度绝对值不尽相同，但同一风速下的相对温度分布可以用于表征火焰形态。

图10 不同风速下的火源形态Fig. 10 Fire source morphology under different wind speeds

结合图7～图9来看，无细水雾时，风速对火源上方温度有着显著的降温作用；火源下游5 m处的最高温度随着风速加快而升高；火源下游10 m处的最高温度随着风速加快而降低。因为在环境风的作用下，火羽流形态发生改变，使得火源下游5 m处温度升高；而对火源下游10 m处而言，被吹向火源下游的热量小于被环境风带走的热量，从而使得火源下游10 m处温度随风速加快而降低。

开启细水雾之后，火源上方、下游5 m和下游10 m处的最高温度均出现下降趋势，但局部位置处的温度变化有所差别。对于火源上方，风速为1m/s时，开启细水雾后使得1.5 m处的温度出现明显下降，如图7(c)、图7(d)；结合图10分析，在细水雾作用下的火焰进一步被压低和偏向火源下游，从而导致1.5 m处的温度出现明显下降。对于火源下游5 m处，风速为2 m/s时，开启细水雾后使得4、 1.5 m处的温度出现明显上升，如图8(e)、图8(f)。细水雾有吸热、黏附、凝聚的作用[23]，其会将烟雾颗粒凝聚并在重力作用下发生沉降。结合图11，在风速作用下，细水雾会使得烟气发生降温并下沉到火源下游5 m附近较低的位置。

此外由图7～图9可看出：在纵向风和细水雾共同作用下，能显著降低隧道内的温度。其中：风速为3 m/s时，在隧道纵向风和细水雾共同作用可以起到最佳控温效果。

2.2 可见度

当火灾发生250 s后，不同工况下的隧道内可见度如图11。无细水雾时，当风速为0，整条隧道内上部可见度降到最低，随着风速加快，隧道内烟气逐渐被控制在火源的一侧；当风速为2.5 m/s，火源上游可见度出现明显好转；当风速为3 m/s，火源上游烟气基本上得到控制，无回流烟气。有细水雾时，低风速下控烟效果不明显；当风速为2 m/s，火源上游可见度出现明显好转；当风速为2.5 m/s时，风速完全可控制烟气不发生回流，即在有细水雾控制隧道内火灾烟气的临界风速变小。

图11 不同纵向风速下隧道内可见度云图Fig. 11 Visibility nephogram in tunnel under different longitudinal wind speeds

对比图11(a)、图11(b)可知：有细水雾时，不同工况下隧道下部可见度较无细水雾时更低。这主要是细水雾将隧道内烟气层带到了较低位置，从而降低了隧道内下部可见度。由于火灾产生的烟气温度较高，这与2.1.4节中分析结果(细水雾把隧道内较高处的热量吸收并带到了较低处)是一致的。

3 结 论

笔者对通风条件下隧道内发生火灾情况进行了数值模拟。设置环境风速为0、 1、 2、 3 m/s，在每个风速工况中添加了细水雾，并研究了不同风速和细水雾耦合作用的效果。

1)发生火灾时，纵向风将火源上方的热量带至火源下游部分区域，使得火源下游部分区域温度升高。具体表现为：无细水雾时，随着风速加快，火源上、下游10 m处温度降低，下游5 m处温度升高。

2)开启细水雾后，火源上方、下游5 m和下游10 m处的最高温度均出现下降趋势，但局部位置处的温度变化有所差别，主要表现为在纵向风和细水雾共同作用下的火源下游局部温度升高。

3)风速为2 m/s时，细水雾使得烟气发生降温并下沉到火源下游5 m位置较低处；同时有细水雾时隧道下部可见度小于无细水雾时，说明开启细水雾后使得隧道顶部烟气下沉并向火源下游运动。

4)在纵向风和细水雾共同作用下，隧道内流场变化趋于复杂，不同工况下的变化规律有所区别，且细水雾使得临界风速变小。但总体而言，当风速为3 m/s时，在纵向风和细水雾共同作用可起到最佳控烟降温效果。