基于CFD的公路隧道火灾烟气分布规律研究*

丁翠

（中国劳动关系学院 安全工程学院，北京 100048）

0 引言

公路隧道由于其本身结构相对封闭且纵深较长，一旦发生火灾，由于受到热浮力效应、烟囱效应以及通风等影响，极易导致隧道内烟气温度急剧升高，有毒有害气体积聚，烟气难以排出，造成救援困难，对隧道整体力学结构以及隧道内人员生命财产安全和消防人员安全造成极大威胁。因此，研究公路隧道火灾烟气分布规律对指导公路隧道人员逃生和消防救援具有重大的现实意义。

国内外学者对隧道火灾烟气分布进行了广泛的研究，HU L H等［1］采用CFD数值模拟方法分析了不同纵向风速下隧道火灾CO浓度及烟气温度沿隧道长度衰减规律，并通过实验验证得出了火灾烟气CO浓度及温度沿隧道长度分布函数。JI J等［2］研究了坡度对隧道火灾烟气流动规律的影响，建立了以热释放速率和坡度为主要因素的高温预测模型。GANNOUNI S等［3］利用CFD数值模拟方法，研究了纵向通风隧道内通风风速与车辆阻塞效应对火灾烟气回流的影响。SHAFEE S等［4］建立了小尺寸隧道模型，通过实验研究了纵向通风风速、油池的深度和大小对火灾温度场、热释放速率等的影响。陈溢彬等［5］研究了纵向通风条件下喷淋系统对隧道内烟气分布的影响。王蕾等［6］建立了大型客车火灾模型，研究了大型客车火灾隧道内烟雾场和温度场的分布，并与20 MW平方增长火源进行了对比。赵忠杰等［7］建立了“单通风井送排式+射流风机”组合隧道纵向通风模型，采用FDS软件研究了隧道30 MW火灾温度场和烟气场随时间的变化规律，并提出了疏散建议。丁翠［8］数值研究了巷道火灾时期不同火源功率下烟气对风流分布的影响。韩冬卿［9］采用FDS火灾模拟软件研究了隧道内通风失效的情况下，3种火源功率工况下隧道拱顶处温度和能见度分布规律。刘斌等［10］利用Star-CD/CCM+数值模拟软件的烟火向导模块，研究了大曲率、变坡度隧道火灾情况下隧道内温度的纵向分布规律。

但上述研究中多是考虑单一因素对火灾烟气分布的影响，而火灾烟气的蔓延受到纵向通风风速及火源功率等多因素的影响，因此为了更准确地获得多因素对公路隧道火灾烟气分布的定量影响，本文采用Fluent模拟软件，研究不同火源功率及不同纵向通风风速下隧道内烟气逆流长度、烟气温度及CO浓度的分布特征，进而为制定合理的应急救援方案以及隧道消防设计提供依据。

1 公路隧道火灾模型

1.1 物理模型

根据《公路隧道设计规范第一册土建工程》（JTG 3370.1—2018）［11］，设计隧道横截面为马蹄形，上半部分为半圆形，下半部分为矩形，选取隧道横断面宽度为10.8 m，高度为7.4 m，隧道计算区域长度选取300 m。

1.2 火灾参数设置

公路隧道火源功率的选择参考瑞士及挪威有关部门提供的相关数据［12］，如表1所示。一般情况下，小轿车、大货车发生火灾的可能性较大，本文选取火源功率分别为5、30、50 MW，火源设置在隧道的中部。5 MW火源依据小汽车平面尺寸确定，长×宽×高为4 m×2 m×1.5 m；30、50 MW火源依据相应车辆平面尺寸确定，取长×宽×高为9.6 m×2.4 m×2.6 m。

表1 车辆类型与燃烧产生的热量

实际火灾燃烧生成的烟气成分十分复杂，与燃料和氧化剂的比例、燃烧材料等因素有关，但烟气的主要气体成分是CO2和CO，燃烧过程中CO的生成量计算式［13］为：

式中，Fr为烟流中CO的生成量，m3/s；Qr为燃烧释放热量，kW；CO为CO的生成速率常数，m3/k（J本文取3.22×10-6m3/kJ）。

1.3 边界条件

假设隧道内无行人，且隧道壁面无滑移情况。隧道两端均为开口状态，隧道入口边界条件为velocityinle，隧道出口边界条件为pressure-outlet，整个模拟考虑浮力以及重力对烟气的影响。由此模拟火源功率分别为5、30、50 MW，纵向通风风速分别为1.5、1.6、1.7、1.8、1.9、2.0、2.1、2.2、2.5 m/s时隧道内烟气运移分布规律。

2 数值模拟分析

2.1 临界风速

设计研究不同火灾功率和不同纵向通风方式下，火灾烟气流动扩散。根据烟流滚退距离，得到不同火源功率下临界风速。烟流滚退速度矢量图如图1所示，烟流滚退距离与通风风速的关系如图2所示。

图1 烟流滚退速度矢量图（1.7 m/s，50 MW）

图2 不同通风风速下烟流滚退距离

由图2可知，5 MW火源强度下，在通风风速为1.5、1.6、1.7、1.8、1.9 m/s工况下均出现了烟流滚退现象，当通风风速达到2.0 m/s时，烟流滚退距离为0 m，故该火源强度下的临界风速为2.0 m/s；30 MW火源强度下，当通风风速达到2.2 m/s时，烟流滚退距离为0 m，故该火源强度下的临界风速为2.2 m/s；50 MW火源强度下，通风风速为1.5、1.6、1.7、1.8、2.0、2.1 m/s工况下均出现了烟流滚退现象，故该火源强度下的临界风速为2.2 m/s。由上述分析可知，当隧道发生车辆火灾时，应采取有效的通风措施，使隧道内的通风风速不低于2.0 m/s，以降低火灾烟气对隧道上风侧的危害。

2.2 温度场

高温烟气由于浮力效应，易聚集在隧道拱顶处，对隧道衬砌结构带来一定威胁，因此主要对隧道拱顶处温度场进行分析。不同纵向通风风速下，拱顶处温度沿隧道长度方向的分布如图3所示。

图3 不同纵向通风风速下隧道拱顶处温度

由图3分析可知，在火源上风侧，隧道拱顶处温度受烟流滚退影响较大，火源上风侧增温区的长度范围与烟流滚退距离基本一致；在火源下风侧，受到火源高温烟气的影响，隧道拱顶温度在火源附近陡然增大并趋于稳定，该区域拱顶温度远高于火源上风侧。随着火源强度的增大，火源上风侧增温区和火源下风侧的拱顶温度随之升高；随着通风风速的增大，火源上风侧增温区和火源下风侧的拱顶温度随之降低。主要原因是由于上风侧拱顶处温度主要受到滚退烟流的高温和与隧道入口处新鲜风流对流的影响，故其温度升高但远低于火源下风侧温度，而火源下风侧拱顶温度主要受到烟流的热对流和热辐射的影响，在同一火源功率下，通风风速越大，热对流扩散作用越强，故风速越高，拱顶温度越低。为了进一步明晰隧道拱顶温度随通风风速变化的规律，着重研究了隧道拱顶最高温度与通风风速之间的关联关系，如图4所示。由图4分析可知，拱顶最高温度随着通风风速的增大呈现出指数下降趋势，并且火源功率越大，隧道拱顶温度下降的速率越快。

图4 不同通风风速下拱顶最高温度

根据以上分析，隧道发生火灾后，可考虑适当加大机械通风风量，降低隧道拱顶处温度。且拱顶温度在火源处及下风侧150 m范围内达到最大值，在30、50 MW火源功率下高于500℃，严重破坏隧道结构，故在大功率火源情况下，应考虑采取措施降低拱顶处温度。

同时，为了进一步明晰隧道拱顶温度随火源功率变化的规律，研究了隧道拱顶最高温度与火源功率之间的关联关系，如图5所示。由图5分析可知，在同一通风风速下，随着火源强度的增大，拱顶最高温度呈现正向线性增大，并且随着通风风速的增大，拱顶最高温度随火源强度增大的速度逐渐降低。

图5 不同火灾功率下拱顶最高温度

2.3 CO浓度场

火灾烟气中的CO与血红蛋白结合，可造成人体CO中毒，因此研究CO的浓度分布对于人员逃生和救援具有重要意义。不同纵向通风风速下呼吸带高度处CO浓度沿着隧道长度的变化规律如图6所示。

图6 不同通风风速下呼吸带高度CO体积分数

由图6可知，在不同火源功率及不同通风风速下，火源上风侧呼吸带高度处CO体积分数远远低于0.002 4%，在火源处CO体积分数急剧升高达到最大值，随后在下风侧缓慢下降趋于平稳，随着与火源距离的增大呈现锯齿形波动下降趋势，但远高于0.002 4%。在同一火源功率下，火源下风侧一定范围内（5 MW约34 m范围，30 MW约112 m范围，50 MW约150 m范围），CO浓度趋于平缓，且通风风速越大，CO浓度越低，说明此范围内隧道入口风流的稀释作用越明显；随后CO浓度呈现不同程度的锯齿形波动下降趋势，风速越小，波动范围越大，CO浓度下降越快，说明此范围内主要受到隧道出口处新鲜风流的吸卷稀释作用，风速越小，吸卷稀释作用越明显，涡流范围越大。随着火源功率的增大，呼吸带高度处CO浓度平缓区范围越大，波动范围越小，50 MW功率下几乎无波动。

不同火源功率及不同通风风速下，火源上风侧CO浓度均低于安全浓度（体积分数0.002 4%），而火源下风侧CO浓度均远高于安全浓度。故若隧道发生火灾，建议在火源上风侧进行救援。

3 结论

1）5 MW火源强度下，临界风速为2.0 m/s；30 MW火源强度下，临界风速为2.2 m/s；50 MW火源强度下，临界风速为2.2 m/s。随着通风风速的增加，烟流滚退距离不断减小，而随着火源功率的增大，临界风速有不断增加的趋势。建议隧道发生车辆火灾时，应保证隧道内的通风风速不低于2.0 m/s，以降低火灾烟气对火源上风侧的危害。

2）同一火源功率下，拱顶最高温度随着通风风速的增大呈现出指数函数下降趋势；同一通风风速下，拱顶最高温度随着火源功率的增大呈现正向线性关系，并且随着通风风速的增大，拱顶最高温度随功率增大的速度逐渐降低。建议隧道发生火灾后，可考虑适当加大纵向机械通风风量，降低隧道拱顶处温度。

3）不同火源功率及不同通风风速下，火源上风侧CO浓度均低于安全浓度，在火源处CO浓度急剧升高达到最大值，随后在下风侧缓慢下降趋于平稳，由于受到隧道出口处新鲜风流的吸卷和稀释作用，随着与火源距离的增大出现锯齿形波动下降趋势，但远高于安全浓度。故若隧道发生火灾，建议人员逃生和救援工作应在火源上风侧进行。