半敞開式隧道煙氣擴散特性的數(shù)值模擬

半敞開式隧道煙氣擴散特性的數(shù)值模擬

0隧道火災的影響因素在道路隧道中，一般配備機械通風和通風系統(tǒng)，解決隧道中天然氣和火災時的通風和通風控制問題。由相關資料可知,在隧道火災事故中,煙氣是導致人員死亡的最主要因素,隧道火災的早期探測報警及初期煙氣有效控制是保證人員疏散的重要措施。本研究針對隧道采用自然通風模式下不同季節(jié)(即不同典型溫度)時火災煙氣控制效果進行模擬。1中間開口結(jié)構(gòu)形式選用南京市某隧道為原型建立物理模型。該隧道為雙洞單向行駛隧道,隧道暗埋段長1410m。暗埋段單洞凈寬12.5m,凈高5.5m。在隧道暗埋段中的半敞開部分,采用中間開口的結(jié)構(gòu)形式,開口橫截面均為3.6@2.6m2,4個開口為1組,組間隔墻8.8m,每個開口內(nèi)靠近隧道頂部均有一個寬0.8m、高2.0m的梁,如圖1、圖2所示。隧道中間有段最長暗埋段250m,模擬時采用單洞模型。2u3000熱輻射驅(qū)動模型本文采用美國國家標準技術(shù)研究院NationalInstituteofStandardsandTechnology(NIST)開發(fā)的場模擬程序FDS。FDS是一種火焰驅(qū)動流體流動的計算流體動力學模型,采用數(shù)值方法求解一組描述熱驅(qū)動的低速流動的Navier-Stokes方程,重點是計算氣體密度、速度、溫度、壓力和組分濃度,用質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒的偏微分方程來近似有限差分,通過有限體積技術(shù)來計算熱輻射,流體流動中存在湍流現(xiàn)象。采用FDS5對隧道火災進行模擬,使用大渦模擬(LES)方法處理湍流流動。模型簡化的基本方程見式(1)、式(2)。式中,ρ為煙氣密度,u為速度矢量,Yl為組分l的質(zhì)量分數(shù),Dl為組分l的傳質(zhì)系數(shù),W"l為組分l的生成速率。3根據(jù)高度的變化情況,確定目標工選取典型的3個季節(jié),即春秋季(293K)、夏季(310K)、冬季(273K)進行模擬。在隧道內(nèi)最不利位置即最長暗埋段中間部位設置火源1。考慮到隧道內(nèi)倒灌風的影響,在暗埋段內(nèi)距開口處1/3位置設置火源2,如圖3所示。該隧道為城市隧道,中型汽車的自燃(大約為7.5MW左右)是發(fā)生火災的最大可能危險。燃燒面積為1.8m@1.8m。隧道外壓力為標準大氣壓,內(nèi)部風速取0.9m/s。研究針對火源2存在倒灌風的影響,倒灌風速取1m/s。參考前人的研究成果可知,當超過500e時,混凝土的抗壓強度僅為原來的60%,因此本研究中以500e為特征溫度。分別從人眼的特征高度處火災煙氣的濃度和溫度著手進行模擬分析。本次模擬分析時人眼的特征高度取1.8m。根據(jù)前人的試驗可知,逃生人員暴露其中的溫度在15min內(nèi)不應大于80e。當環(huán)境中CO的質(zhì)量濃度超過125mg/m3時,人體就會產(chǎn)生頭暈、乏力等不適感,當CO質(zhì)量濃度超過750mg/m3時,短期內(nèi)會引起窒息死亡。因此在距隧道地面1.8m和隧道頂部設置了一系列溫度監(jiān)測點;火源兩側(cè)5m、10m,安全高度1.8m處測定CO的濃度?？紤]到計算機性能、模擬時間、模擬精度等因素,對網(wǎng)格進行了局部加密,模擬時間設為300s。模擬工況的設置見表1。4模擬結(jié)果分析4.1高溫對隧道影響分析圖4、圖5可知:隨著距火源距離的增加,高溫熱煙氣不斷卷吸周圍冷空氣,頂棚處最高溫度不斷降低;無倒灌風時,火源正上方處冬季、春秋季、夏季的最高溫度分別為936e、1078e和1159e,有倒灌風時分別為875e、939e和1008e?；鹪凑戏疆a(chǎn)生的高溫對頂棚結(jié)構(gòu)造成破壞,大大降低了隧道整體結(jié)構(gòu)的安全性,隧道頂部需增加防火涂層。無倒灌風時,上、下游距火源5m處的最高溫度分別為348e、509e,有倒灌風時分別為511e、347e,這樣的溫度不足以對頂棚結(jié)構(gòu)造成破壞;頂棚處溫度夏季最高,春秋季次之,冬季最低,主要是因為環(huán)境溫度的降低,加速了煙氣溫度的降低。4.2不同倒灌風溫度下風向的影響分析圖6、圖7可知:在距火源5m以外,上、下游所有監(jiān)測點的溫度均在80e以下,并且隨著距離增加降到與環(huán)境溫度相同;無倒灌風時,距火源相同距離處上風向的溫度比下風向低,這是因為在隧道內(nèi)部自然風的作用下,火焰偏向下游;有倒灌風時,隨著距火源距離的增加,安全高度處溫度先逐漸降低至環(huán)境溫度,然后又有不同程度地升高,主要是因為在倒灌風的影響下,通風口附近部分沿隧道頂部蔓延的煙氣向下回流造成溫度有不同程度的升高。4.3隧道內(nèi)co濃度波動分析圖8~圖13可知:除部分點屬統(tǒng)計誤差外,隨著時間增加,冬、春秋、夏季的CO濃度都呈上升趨勢;火源正上方處CO的濃度很高,且距離火源越遠,CO濃度越高,隨著煙氣擴散距離的增加,煙氣層下降,CO濃度也逐漸下降。由于倒灌風的吹入,上游處200s之后冬、春秋、夏季隧道內(nèi)CO濃度的波動較劇烈;無倒灌風時,夏季CO質(zhì)量濃度最高,最高值達4.72mg/m3,而春秋季CO質(zhì)量濃度最高值達3.28mg/m3,冬季達到3.11mg/m3,主要是燃燒較為充分,CO含量低,對人體疏散影響較小。4.4煙氣高度變化分析圖14~圖17可知:除個別點屬于記錄誤差外,上、下游各縱向位置處的煙氣層沉降速度接近一致;無倒灌風時,上游85m處煙氣高度穩(wěn)定在2.6m以上,有倒灌風時,上游85m處煙氣高度穩(wěn)定在1.9m以上。無倒灌風時,下游5m處煙氣運動較為劇烈,但沉降較小,主要是由于距離火源近,溫度高,煙氣不易沉降。下游35m處比5m處嚴重,下游處煙氣較多,下沉也較嚴重。有倒灌風時,兩個測點煙氣沉降規(guī)律較為相似。比較模擬數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),冬季煙氣沉降較其他季節(jié)嚴重,3個季節(jié)的煙氣高度在300s內(nèi)都沒有降到安全高度1.8m以下,按正常行走速度1.5m/s計算,有足夠時間逃到敞開段。5隧道頂部防火處理的必要性(1)隧道采用自然通風的排煙模式是切實可行的,各季節(jié)自然通風口能起到很好的排煙作用。(2)頂棚處溫度夏季最高,春秋季次之,冬季最低,且火源正上方產(chǎn)生的高溫對隧道頂棚結(jié)構(gòu)具有較大的威脅,需對隧道頂部做防火處理。(3)安全高度處煙氣溫度隨著與火源距離的增加,迅速