基于Pyrosim的隧道火灾数值模拟与分析_牛奕.pdf

55基于 Pyrosim 的隧道火灾数值模拟与分析牛奕王笑笑黄钦（武汉理工大学 安全科学与应急管理学院，湖北 武汉 430070）摘要基于隧道火灾国内外研究现状，根据隧道火灾理论确定边界条件，使用 PyroSim 进行建模，模拟分析发生不同规模的火灾时不同风速下的烟气流动情况，得出临界风速并与理论值进行对比，验证模拟的准确性。在临界风速下，综合考虑火灾致害因素烟气温度、能见度及 CO 浓度达到危险临界状态的时间，得出场景中人员可用安全疏散时间，对隧道人员逃生路线规划意义重大。关键词隧道火灾烟气流动临界风速烟气温度Numerical simulation and analysis of tunnel fire based on PyrosimNIU YiWANG XiaoxiaoHUANG Qin（College of Safety Science and Emergency Management，Wuhan University of Technology，Wuhan Hebei 430070，China）AbstractBased on the current research situation of tunnel fire at home and abroad，the boundary conditions are de-termined according to the tunnel fire theory，PyroSim is used for modeling，the flue gas flow at different wind speedsis simulated and analyzed in the event of fire of different scales，and the critical wind speed is obtained and comparedwith the theoretical values to verify the accuracy of the simulation.At critical wind speed，considering the time whenthe flue gas temperature，visibility and CO concentration reach a dangerous critical state due to the fire hazard factors，it is concluded that the safe evacuation time available for personnel in the scene is of great significance to the escaperoute planning of tunnel personnel.Key wordstunnel fireflue gas flowcritical wind speedflue gas temperature0引言近年来，隧道火灾的机理随着隧道工程的发展变得越发复杂，各国对于隧道安全的研究也随之变得越来越深入。在隧道火灾的临界风速计算方法中，使用最多的理论公式模型是由 KENNEDY W D 在1996 年提出1，许多学者在他们的基础上对模型进行修正，使临界风速的理论计算值更加贴近实际。TANAKA F 等2探讨了隧道火灾发生的根本原因和人员疏散的有效措施，深入阐述了火灾发生的特点，分析了在火灾发生时如何有效地进行疏散、逃跑的一系列方案。郭媛媛3分析了隧道火灾的烟气流动现象，并总结出烟气流动规律。周勇狄4研究了公路隧道火灾发生后隧道内的温度场分布的规律，提供了救援与逃生的相关建议。考虑到火灾发生后的人员疏散与救援情况，以烟气是否发生回流作为临界风速的确定标准，使用Pyrosim建模并模拟，得出临界风速和人员可用安全疏散时间，为隧道火灾的疏散策略提供参考。1相关理论与边界条件由于隧道火灾比较复杂，对于其几何模型的确定和通风问题的研究可做一些必要的简化。为了计算方便，做出以下假定：假设隧道内的通风流体是稳定流；假设隧道内的通风流体不可压缩；假设隧道内的通风流体是连续的介质。在火灾期间，隧道内的高温烟气的流动应该遵循几个基本的定律，在模拟过程中基本控制方程包括动量守恒方程、质量守恒方程和能量守恒方程5。隧道发生火灾时，规定火灾起始时刻，隧道内的各种参数与环境空气条件完全一样。1）进口条件：只考虑隧道入口处的条件，而隧道入口处的风速由隧道所需的通风量来确定。2）出口条件：规定出口处的取值为标准大气压。2模型建立2.1几何模型以 Z 市 D 隧道为分析对象，隧道的建筑全长为100 m、宽 10 m、高 5 m。若假设火灾发生在此隧道中部，在所取隧道中取任意的一个断面，并可将此处的断面设为进风入口，隧道断面示意图如图 1 所示。对隧道火灾进行模拟时，假设火源位于距离隧道左端 30m 位置。根据火源特征直径 D*6，火源区2023 年第 49 卷第 3 期March 202356选用网格尺寸为 0.33 m0.33 m0.33 m，经计算，网格总个数为 135000。根据研究需要，沿隧道中心线2m高度分别设置 3 个CO浓度探测器，坐标（25，5，2）、（50，5，2）和（75，5，2）。为观察房间内温度和能见度随时间的变化，在隧道中心线 Y=5 m 和 Z=2 m处分别设置一个温度切片，观察着火时纵向温度以及横向温度随时间的变化，便于逃生路线规划；在Y=5 m 处设置一个能见度切片，查看火灾发生时纵向能见度的变化。图 1Z 市 D 隧道断面示意（单位：m）2.2火灾规模的确定火灾规模的大小对于隧道通风系统的设计方案和火灾发生后的救援预案有很大的影响。据统计，Z市 D 隧道过往车辆中小客车的占比是最大的。目前在我国火灾规模主要依据热释放速率的大小来确定，且规定火灾热释放速率等于 3 MW时确定为小型火灾。假设一辆小型汽车发生了着火，可确定其发生火灾时火灾规模为小型火灾，对应的火源功率为 3MW。模拟中设置火源尺寸为 1 m2 m0.1 m，采用t2火类型，火灾增长系数 取 0.011 277。类似地，对火源功率为 20MW和 80MW的火灾也分别进行模拟，得出相应的临界风速。3模拟结果分析3.1临界风速发生火灾时进行通风是为保证火源上游没有烟气以利于人员疏散与救援，过小的风速不能完全保证没有烟气发生回流，过大的风速又会导致烟气层发生紊乱，同样不利于疏散，这时需要经过多次的模拟得出临界风速，即不会发生烟气回流的最小风速。使用 Pyrosim 对热释放速率分别为 3、20、80 MW 火灾的临界风速进行分析，热释放速率为 3MW时，将上坡的入口风速分别定为 1.5、2、2.3 m/s；热释放速率为 20 MW 时，将上坡的入口风速分别定为 2.2、2.5、2.8m/s；热释放速率为 80MW时，将上坡的入口风速分别定为 2.8、2.9、3.2 m/s。分别分析其烟气流动现象，并比较不同进风速度下的烟气流动的稳定情况，模拟的结果如图 2、3、4 所示。（a）风速 1.5 m/s（b）风速 2 m/s（c）风速 2.3 m/s图 2火源功率为 3 MW 时不同飞速下的烟气分布（a）风速 2.2 m/s（b）风速 2.5 m/s（c）风速 2.8 m/s图 3火源功率为 20 MW 时不同飞速下的烟气分布（a）风速 2.5 m/s（b）风速 2.9 m/s（c）风速 3.2 m/s图 4火源功率为 80 MW 时不同飞速下的烟气分布57由图 2、图 3、图 4 的显示结果可以看出，当热释放速率为 3MW，风速为 1.5m/s时，烟气由于热浮力的作用从着火源位置开始向上浮动，碰到拱顶后开始向隧道上下游蔓延，出现了烟气回流的现象，且烟气向上游蔓延的距离较长；当风速为 2 m/s 时，烟气碰到拱顶后只向下游扩散，而且烟气的分层现象比较明显；当风速为 2.3 m/s 时，烟气向下游蔓延的速度极快，烟气层开始出现紊乱现象，不利于人员的疏散与救援工作。同样地，当热释放速率为 20MW，风速为 2.5/s 时，烟气碰到拱顶后只向下游蔓延，烟气的分层现象比较明显；当热释放速率为80MW，风速为 2.9 m/s 时，烟气的分层现象比较明显，整个过程中烟气没有出现回流的现象，此时达到临界风速。将火源功率分别为 20MW、80MW的临界风速与徐琳根据修正公式8对应的理论临界风速进行的比较，如表 2 所示。表 2FDS 模拟与徐琳理论临界风速对比火源功率/MW理论临界风速/（ms-1）模拟临界风速/（ms-1）202.642.5803.262.9根据表 2 对比可知，火源功率为 20 MW 时，模拟值比理论值小 0.14，火源功率为 80 MW 时，模拟值比理论值小 0.36，误差范围较小，说明模拟结果与理论计算值吻合较好。3.2人员逃生分析由于烟气逆流现象对于隧道内的人员疏散和消防人员救援工作的进行都非常不利，因此在恰好不发生烟气回流时的临界风速条件下分析人员逃生时间很有必要。当隧道火灾发生时，火源处温度从燃烧开始便达到人员安全温度限定条件，随着火灾发展，高温烟雾随之增长，人员安全高度处温度开始升高，能见度同时下降，CO 浓度伴随增长，3 项因素在某一时刻突破安全指标。以 3 MW 火灾为例，分别从 CO 浓度、能见度、人员可接受伤害的烟气温度分析人员安全疏散可用时间。1）温度分析。火灾燃烧产生的高温烟气对人员疏散极为不利，房间地面以上2.0 m处的温度不能超过 60才能保证人员在建筑内安全疏散9。根据这一原则截取不同时间下隧道 2.0 m 高度处和中心线上温度云图，如图 5 所示。火灾发生 60s 时，火源附近范围温度较高，此时隧道大部分区域温度未超过60，不会对人体构成伤害；火灾发生 120s后，烟气到达隧道顶部并向下游扩散，火源下游大部分区域温度超过 60，对人员疏散极其不利，被困人员应在此之前全部撤离。火灾发生 180s 时，由于纵向风的作用，烟气扰动并开始下沉，隧道上部空间被烟气充满；当火灾发展到 278 s 时，火源下游空间基本完全充满烟气，且温度均高于 60，严重危害人员身体健康。25022520017515012510075250temp(C)60图 5不同时刻 Z=2 m 高度温度分布25022520017515012510075250temp(C)60图 6不同时刻 Y=5 m 处温度分布2）能见度分析。燃烧物在燃烧过程中会伴有大量的固态、液态微粒产生，极大地影响火灾现场的能见度，为人员的应急疏散和火灾的顺利扑灭产生极大的阻力。在火灾情境下，为保证人员的安全疏散，其最佳能见距离必须在 5 30m之间，当能见度小于 5 m 时，会大大提升疏散难度10。不同时刻隧道中心线上能见度分布如图7所示，火灾发生初期40s，2m 以下能见度大于 28m，便于人员迅速撤离火场；随着烟气下沉，能见度迅速降低，到 60s时，隧道上层能见度下降到 5 m 以下，下层 2 m 能见度大于 20 m，基本满足疏散能见度条件，此时人员需尽快撤离；火灾发生 89 s 后，火源下游 2 m 高度能见度小于 5 m，对被困人员已经构成威胁；火灾发生 139 s 后，隧道下游空间能见度均小于 5m，失去最佳的逃生时间。302724211815129305VIS_C0.9HC.1(m)图 7不同时刻 Y=5 m 处温度分布3）CO 浓度分析。隧道中心线不同位置 2 m 高度 CO 浓度变化如图 8 所示，在 50 s 左右 CO 浓度开始升高，随着火势的发展，隧道中 CO 浓度逐渐增加，对人员逃生及其不利。当建筑内火灾产生的 CO体积分数达到临界值 410-4时，人在 45 min 之内眼58花、恶心，2h 内失去知觉，难以正常疏散11。由于纵向风的影响，火源上游基本不受 CO 浓度影响，火源附近及下游区域 CO 较高。火灾发生 225 s 时火源附近 CO 体积分数达到最大值