火源寬度對公路隧道火災(zāi)煙氣逆流長度的影響研究

本文以公路雙車道直線隧道與曲率半徑300m曲線隧道中不同寬度的火源作為研究對象，利用FDS軟件，對在縱向通風(fēng)1.7m/s情況下兩座隧道中不同寬度火源產(chǎn)生的煙氣進(jìn)行數(shù)值模擬。結(jié)果表明：火源煙氣逆流長度隨著火源寬度的增加而減?。幌嗤鹪磳挾鹊那闆r下，直線隧道的煙氣逆流長度均高于曲線隧道的煙氣逆流長度；隨著火源寬度的增加，曲線隧道的煙氣逆流長度越來越接近直線隧道。研究結(jié)果對公路隧道通風(fēng)排煙設(shè)計(jì)和規(guī)范制定提供一定的參考。關(guān)鍵詞：公路隧道；煙氣逆流長度；隧道火災(zāi)引言隧道作為公路交通網(wǎng)的重要部分，不僅保障了公路的連貫性，更是對提升運(yùn)輸效率起到了關(guān)鍵作用，因而得到了廣泛的應(yīng)用。截止2022年底，全國公路隧道已修建24850處，長度共計(jì)2678.43萬延米[1]。雖然公路隧道帶來的優(yōu)點(diǎn)較多，但是由于其自身具有縱向狹長，內(nèi)部較為封閉，通風(fēng)受限等結(jié)構(gòu)特點(diǎn)[2]，一旦發(fā)生火災(zāi)，會(huì)導(dǎo)致有害高溫氣體迅速蔓延，同時(shí)人員和車輛不能及時(shí)疏散，最終會(huì)造成嚴(yán)重的后果。1999年勃朗峰隧道內(nèi)一輛滿載貨物的卡車突發(fā)火情，隨后火勢迅速擴(kuò)散并點(diǎn)燃隧道內(nèi)其他車輛，事故最終造成了41人死亡，36輛汽車被燒毀[3]。因此需要對隧道火災(zāi)展開研究，提出火災(zāi)的控制與應(yīng)對措施。目前為止，主流的隧道火災(zāi)控制手段都是利用隧道內(nèi)部原有的通風(fēng)系統(tǒng)對火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣進(jìn)行抑制，包括自然排煙和機(jī)械排煙，機(jī)械排煙又包含橫向、半橫向和縱向排煙[4]?？v向排煙相較于橫向排煙具有成本低、靈活性高等特點(diǎn)，被大多數(shù)隧道設(shè)計(jì)者采用，因此大量學(xué)者對隧道內(nèi)縱向通風(fēng)控制火災(zāi)展開了研究。以上為主流學(xué)者廣泛引用驗(yàn)證的隧道煙氣逆流研究成果，其研究焦點(diǎn)主要在隧道本身結(jié)構(gòu)對煙氣造成的影響。此外還有一小部分學(xué)者圍繞火源形狀對煙氣的影響開展研究，馮凱[8]、于年灝[9]對隧道中一系列長寬不同的火源展開數(shù)值模擬研究，結(jié)果表明在隧道結(jié)構(gòu)不變的情況下，火源寬度越寬，抑制煙氣所需的臨界風(fēng)速就越大；火源長度的變化基本不會(huì)造成臨界風(fēng)速的變化。除了直線隧道，還有相當(dāng)一部分學(xué)者分析了曲線隧道等復(fù)雜結(jié)構(gòu)隧道對煙氣造成的影響。徐柳[10]、Zhang[11]等學(xué)者指出，曲線隧道不同于直線隧道，彎曲的壁面會(huì)對火災(zāi)產(chǎn)生的熱煙氣造成額外沿程阻力，導(dǎo)致擴(kuò)散速度減慢。轉(zhuǎn)彎半徑越小阻力越大，煙氣逆流長度越短。目前為止，尚無學(xué)者針對曲線隧道中的不同寬度的火源進(jìn)行研究，由于新能源車輛種類和隧道數(shù)量的日益增加，隧道發(fā)生火災(zāi)的情況也在日趨復(fù)雜化，因此有必要對此類情況進(jìn)行研究，為隧道火災(zāi)通風(fēng)控制措施提供參考。一、數(shù)值模擬（一）物理模型設(shè)計(jì)依據(jù)JTG3370.1-2018《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》，本研究對雙車道隧道進(jìn)行建模，分別建立一條直線隧道和曲率半徑為300m的曲線隧道模型。為方便模擬分析，根據(jù)等效原則，隧道的斷面被設(shè)置為矩形，寬9m高6m，壁面厚度為1m，隧道總共長200m，隧道整體模型如圖1所示?；鹪礋後尫潘俾蔋RR是衡量隧道火災(zāi)規(guī)模的主要因素，其大小直接反映了火災(zāi)中煙氣的蔓延速率和溫度分布。在隧道防火設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)道路狀況，確定適當(dāng)?shù)能囕v火災(zāi)熱釋放率，根據(jù)《城市地下道路工程設(shè)計(jì)規(guī)范》統(tǒng)計(jì)，小汽車的熱釋放速率為3～5MW、巴士為15～20MW、重型車為20～30MW。因此設(shè)定火源功率7.5MW來模擬大部分火災(zāi)發(fā)生的情況。燃料種類設(shè)置為庚烷?；鹪粗行奈挥诰嚯x隧道通風(fēng)入口75m處的中心線。（三）初始條件與邊界條件設(shè)置本次模擬中環(huán)境溫度與壓強(qiáng)被設(shè)置為常溫常壓，湍流模型為大渦模擬。隧道的材料設(shè)置為混凝土，密度為2280kg/m3，比熱容為1.04kJ/（kg·K），導(dǎo)熱系數(shù)為1.8W/（m·K）。隧道兩端各有一個(gè)開口，隧道縱向通風(fēng)入口處設(shè)置為供給，給隧道提供一個(gè)恒定的縱向風(fēng)速。隧道出口則設(shè)為開放，連通外界環(huán)境。（四）測點(diǎn)設(shè)置隧道中的熱電偶測點(diǎn)設(shè)置為隧道頂棚中心線下方0.1m處，沿隧道縱向每1m布置一個(gè)，共計(jì)200個(gè)，如圖2所示。（五）工況設(shè)置本文將通過改變火源寬度、火源單位面積熱釋放速率和隧道曲率半徑這三個(gè)參數(shù)對隧道火災(zāi)進(jìn)行數(shù)值模擬，以確定煙氣分布特性。此外我國公路隧道的縱向通風(fēng)速度普遍為2～4m/s[12]?？紤]到較低的通風(fēng)速度能夠使火災(zāi)煙氣發(fā)展更完整，易于觀察并減少誤差，此外為了模擬現(xiàn)實(shí)射流風(fēng)機(jī)可能存在的功率損失，遂將通風(fēng)速度設(shè)置為1.7m/s，具體工況設(shè)置如表1。（六）網(wǎng)格設(shè)置二、模擬結(jié)果及分析根據(jù)表1的模擬工況得出的結(jié)果如3所示，可以看出在火源長度和火源功率固定的情況下，直線隧道與曲線隧道中煙氣逆流長度都隨著火源寬度的上升和單位熱釋放速率下降而下降，與馮凱、于年灝研究結(jié)果一致。從圖4可以看出，火源寬度越寬，火源單位熱釋放速率越小會(huì)導(dǎo)致火源偏轉(zhuǎn)角顯著增加，火焰向后傾斜，迫使煙氣撞擊頂棚的位置越偏向火源下游，從而使得煙氣逆流距離減少。當(dāng)火源寬度為2.5m時(shí)，直線隧道和曲線隧道火焰形態(tài)有比較明顯的傾斜；而當(dāng)火源寬度增加至5m時(shí)，兩條隧道中的火焰形態(tài)都已經(jīng)嚴(yán)重傾斜，基本趨于貼地。在火源寬度相同的情況下，曲線隧道的火焰形態(tài)傾斜要略微低于直線隧道，這是由于曲線隧道中壁面會(huì)給通風(fēng)造成額外的沿程阻力，導(dǎo)致到達(dá)火源處的風(fēng)速降低，從而使得火源形態(tài)的傾斜減小。其中在火源寬度相同的條件下，直線隧道的煙氣逆流長度均高于曲線隧道中的煙氣逆流長度，這與前人研究得到的趨勢一致，由于曲線隧道的壁面會(huì)導(dǎo)致額外的沿程阻力，最終使煙氣逆流距離減少。但從圖5可以得出，隨著火源寬度的增加和單位熱釋放速率的下降，直線隧道和曲線隧道的煙氣逆流距離差不斷地減小。這是由于曲線隧道的壁面給煙氣的擴(kuò)散和通風(fēng)都造成了額外的沿程阻力，當(dāng)火源寬度較低時(shí)，壁面給火源擴(kuò)散造成的阻礙起主導(dǎo)作用，所以曲線隧道的煙氣逆流距離小于直線隧道；然而隨著火源寬度的增大，由于單位面積熱釋放速率的隨之降低，導(dǎo)致煙氣擴(kuò)散速率的減慢，此時(shí)壁面給火源擴(kuò)散造成的阻礙就會(huì)相應(yīng)地減少，給通風(fēng)造成的阻礙就會(huì)成為主導(dǎo)，曲線隧道的煙氣逆流長度會(huì)逐漸接近直線隧道。因此總體上曲線隧道煙氣逆流長度具有隨著火源寬度的增加而減小的趨勢，但是和直線隧道相比逆流長度仍然較短。結(jié)語本文通過對直線和曲線隧道中相同熱釋放速率、相同長度、相同縱向通風(fēng)速度下不同火源寬度、單位面積熱釋放速的火源煙氣逆流長度進(jìn)行了數(shù)