射流风机位置对隧道火灾烟气蔓延特性的影响_王亚琼.pdf

收稿日期：基金项目：国家自然科学基金项目（，）；陕西省重点研发计划项目（）；浙江省交通运输厅科技计划项目（）作者简介：王亚琼（），男，安徽安庆人，教授，博士研究生导师，：。通讯作者：任锐（），女，陕西渭南人，副教授，工学博士，：。第 卷第期 年月长安大学学报（自然科学版）（）王亚琼，杨少鹏，任锐，等射流风机位置对隧道火灾烟气蔓延特性的影响长安大学学报（自然科学版），（）：，（），（）：射流风机位置对隧道火灾烟气蔓延特性的影响王亚琼，杨少鹏，任锐，李培军，王庭川，肖甫文（长安大学 公路学院，陕西 西安 ）摘要：为探明隧道火灾临界风速时的火区通风阻力，并明确射流风机局部风流场对隧道烟气蔓延的影响规律，采用计算流体动力学软件 ，建立了考虑 火灾长度 的隧道数值模型。通过开展 隧道火灾数值计算和 物理模型试验，以临界风速和温度为指标，验证所建数值模型的合理性和适用性。确定隧道火灾临界风速及火区通风阻力，并在临界风速条件下，进行火源与射流风机不同相对位置时隧道火灾场景的数值计算。研究结果表明：隧道内 火灾，临界风速约为，火区通风阻力约为 ；隧道内 火灾，临界风速约为，火区通风阻力约为 。在 火灾临界风速条件下，当火源位于风机下游 范围内，烟气分层完全被破坏，火源下游区域不利于人员疏散，当火源位于风机下游 及 处，烟气状态分别为分层较好和分层良好，相应的火灾危险区域分别为火源下游 范围内和火源下游 范围内；当火源位于风机的上游，烟气蔓延至风机位置前分层良好，蔓延至风机位置后，随高速射流迅速向下部扩散并充满隧道断面，风机下游区域均为火灾危险区域。因此，为保证火源下游人员疏散安全，火源上游 范围内和下游人员逃生区域内的射流风机不宜开启，火源上游 范围内的射流风机应谨慎开启。关键词：隧道工程；隧道火灾；数值模拟；烟气蔓延；火区通风阻力中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，）：，：；引言近年来，中国高速路网逐步完善，隧道由于其克服高程障碍、缩短公路里程的作用和线性良好、不破坏自然景观的优势而广泛建设，截止 年底，中国共有公路隧道 处、万延米。隧道由于狭长密闭的结构特征，一旦发生火灾，往往造成严重的人员伤亡和财产损失。因此，隧道火灾是公路交通领域的研究热点之一。进行隧道火灾研究的常用试验方法有现场试验、缩尺模型试验和数值模拟种。数值模拟方法操作简便、安全性高且成本较低，被国内外学者广泛采用。美国国家标准与技术研究院（）开发的 软件是最常用的软件之一。刘帅等通过 物理模型试验和 数值模拟对纵向通风对火灾烟气分层的影响进行了研究，发现纵向通风使烟气与空气分界处产生涡旋，涡旋随风速增大而破坏，并导致了烟气分层消失。赵尊信等通过 数值模拟进行了公路隧道群火灾烟气窜流特征的研究，建立了污染物临界窜流风速与火源热释放率、隧道间距之间的拟合模型。等研究了 形分岔隧道内火灾导致的最大拱顶烟气温度，进行了一系列模型试验和全尺寸数值模拟，得到了不同热释放率和 分 支 宽 度 的 分 岔隧 道 的 最 大 拱 顶 烟 气 温度。等研究了隧道纵坡对火羽流和临界速度的影响，并建立了相关模型。等研究了不同截面系数、纵向通风速度和放热速率下地铁隧道烟气稳定分层长度和临界分层速度，并建立了烟气稳定分层长度和临界分层速度的预测模型。以上研究均采用物理模型试验和 数值模拟对通风条件下火灾发展和烟气蔓延规律进行了探究，但所做的 数值模拟均是直接以通风风速作为研究自变量，并未考虑火灾产生的火区通风阻力对隧道内风流场的影响。对于水平隧道，隧道内火源释放热量，风流受热体积膨胀、黏性扩散导致的额外通风压力损失即为火区通风阻力，对于有纵坡隧道，烟气还会产生热压差。周延分析了纵向通风水平隧道火区通风阻力的构成，建立了火区阻力特性的计算模型。程小虎等对火区阻力的影响因素进行了研究，建立了热阻力的表达式，然后推导了绕流阻力与火灾规模和风速的关系式，最终建立了火区阻力计算的实用公式。冯霄等针对地下道路通风系统基于热力学平衡关系建立了火区风压损失模型，并得到了半经验计算公式，结果表明为使地下道路通风系统阻力计算准确可靠，有必要考虑火区的风压损失。同时，射流风机出口的高速射流在局部对火长安大学学报（自然科学版）年灾烟气运动也会产生显著影响。隧道火灾多由车辆故障和交通事故导致，火源下游出现拥堵或交通事故等情况时，人员需要弃车逃生，保证下游人员疏散安全十分必要。等研究了纵向通风隧道的火灾对隧道入口风速的影响及射流风机距火源距离的影响，结果表明随着火灾的加剧，隧道引入风量呈下降趋势，当射流风机位于火源上游靠近火场，风机直接冲击火羽流，造成了动态损失，风机性能下降。等通过现场试验研究了射流风机对隧道火灾烟气运动的影响，结果表明火源上下游各设台风机，相对于台风机均布置在火源上游，具有更好的降温和促进烟气运动效果，但也加剧了烟气下降。等研究了射流风机转速对隧道火灾烟气运动的影响，当射流风机的转速较高时，烟气无回流，向出口方向移动，但降低了能见度，人员撤离困难。除 外，也是隧道火灾模拟常用的软件之一。被广泛应用于各行业流体力学的相关科学研究与工业设计，具有较高的认可度，且 具有强大的建模和网格划分能力，能很好还原隧道几何结构特性。蒋天驰等针对城市隧道引流渐扩段进行了纵向排烟的研究，结果表明为控制渐扩隧道烟气回流，需考虑火源处风速。陈长坤等通过 数值模拟探究了分岔隧道火灾火源位置对临界风速的影响，结果表明火源位于分岔后的主隧道火灾场景中的临界风速约为火源位于分岔前的 倍。等研究了火灾时射流风机开启后风流场逐渐稳定所需时间，所需最长时间达 ，因此为了控制烟气，火灾初期应开启更多的风机。等对空气射流的扩散角和射流风机的最佳俯仰角进行了研究，结果表明：将风机出口倾斜一定角度可以降低壁面剪切应力，增大压升系数。等还对射流风机利用 建模的方法进行了探讨，建模方法大致为类：直接设定风机出口速度，设定风机动量，设置风机转子参数或风机升压力，且种方法所需计算资源依次减少，精确度依次提升。综上所述，已有的大多数隧道火灾数值分析中均直接采用隧道断面风速作为研究自变量，忽略了火区通风阻力对隧道内风流场的影响和射流风机局部风流场的特殊性，与实际的隧道通风系统存在差异。火灾中烟气造成的人员伤亡占比超 ，而考虑射流风机局部风流场对烟气蔓延及人员疏散影响的研究还不够充分。本文在前人研究基础上，采用 建立数值计算模型，明确隧道内通风阻力和射流风机升压力，通过模拟计算确定临界风速时的火区通风阻力，在此基础上，改变射流风机与火源的相对位置，探讨射流风机对烟气蔓延和下游人员疏散的影响，以期为隧道通风系统设计和防灾救援提供参考。理论基础 隧道临界风速的预估根据 和 提出的临界风速的预估经验公式，可计算得隧道量纲一化临界风速，即?（）.（）.（）式中：为 量 纲 一 化 热 释 放速率；为热 释放 率（）；为环境空气密度（）；为环境温度（）；为空气比热容（）；为重力加速度（）；?为隧道水力直径（）；为量纲一化临界风速；为临界风速（）。烟气层的竖向分层特性在隧道火灾的研究中常采用 数表示烟气竖向分层特性，即 （）（）式中：为 火源 上 游 风 速（）；为 隧 道 高 度（）；为隧道断面顶棚温度（）；为地面温度（）；为隧道断面平均温度（）。当.时，烟气保持良好分层，当 时，烟气分层完全破坏。积分比法确定烟气层高度判定烟气层高度的主要方法有积分比法、百分比法等。虽然 百分比法简单且应用较广，但 值选取会很大程度影响预测结果的准确性。本研究中采用积分比法进行烟气层高度的判定，隧道内烟气与空气存在分层，温度也有一定规律，以温度的积分比将烟气和空气区分，存在如下关系（）（）（）（）（）（）（）（）（）式中：为上层烟气温度积分比；为下层温度积分比；为上层烟气及下层烟气温度积分比之和；为地面至隧道顶部高度（）；（）为温度竖向分布第期王亚琼，等：射流风机位置对隧道火灾烟气蔓延特性的影响函数；（）为的变化函数；为烟气层界面高度（），当 的取值使得最小，则此 值为烟气层界面高度。隧道火灾模型建立 模型建立利用 软件，针对衙岭公路隧道建立全尺寸模型，通风断面面积为 ，长度 ，并利用 中的 （对称）边界，将隧道断面减半，提升计算效率，所建立模型如图所示。根据 公路隧道通风设计细则（）（下文简称 细则）规定，长度不大于 的隧道射流风机设置在两端洞口段，按照组台风机进行布置。入口段设组风机，分别距洞口 、，采用功率 的 型射流风机，出口风速 ，推力为 ；出口段设为全断面升压。火源尺寸为：（长）（宽）（高），底面距路面高度为，共设个火源位置，如表所示。图隧道模型示意 表射流风机及火源位置 位置射流风机射流风机火源火源火源火源火源火源距隧道入口距离 边界条件设置计算模型采用 湍流模型并遵循能量守恒方程；重力加速度为 。空气初始温度设为 ，此温度下密度为 ，并设置为 以考 虑高温烟气浮升力效应。烟气与衬砌壁面的热交换是烟气降温沉降的影响因素之一，隧道衬砌壁面采用厚度 的混凝土，比热为 （），热导率为 （）。射流风机设置为动量源项，提供稳定推力。隧道出口设置为压力出口，表压为。根据式（）式（），火源热释放率（）为和 时，计算得临界风速分别为 、。隧道入口采用速度入口时，隧道内引入稳定的风流，在计算值基础上，多次模拟试算确定临界风速；隧道入口采用压力出口（或压力入口）时，隧道内风速随压力变化而改变，对比有无火源条件下产生临界风速所需的升压力值，确定火区通风阻力。美国消防协会（）采用火灾模型来表征火灾过程中火源热释放速率随时间的变化过程，如下所示（）式中：为火源的热释放速率（）；为火灾的发展系数（），超快火取.；为燃烧时间（）。本文火源设置为稳态火源和采用火灾模型的非稳态火源。图为 年公路隧道发生火灾事故的车辆类型统计，货车和小汽车占所统计车量的，因此本文中设定火源最大热释放率（）为和，增长至 分别需要约 、，如图所示。火源采用体热源法进行设定，根据世界道路协会（）建议，为节约计算资源，不考虑辐射，而是将火源热释放率折减 ，且根据相关研究 ，此方法是合理可行的，本文中折减。为保证模拟的计算精度，结合 细则 对数值模拟的隧道通风阻力及射流风机升压力值进行计算验证。长安大学学报（自然科学版）年图火灾事故车辆类型分布 图火灾模型的火源热释放率曲线 隧道出入口设为压力出口，开启入口第组风机，调整出口段升压力以改变风速。数值模拟中隧道出入口局部阻力采用多项式函数定义（自变量为断面风速），隧道内壁面通过试算，粗糙高度设为，图为风速 时隧道中线纵断面的静压云图，通风阻力的计算值及模拟值如表所示，在风速为 时，数值模型对隧道通风阻力具有较高的模拟精度。细则 中隧道通风阻力计算方法如下（）（）式中：为隧道通风阻力（）；为隧道入口局部阻力系数，取.；为隧道出口局部阻力系数，取.；为隧道沿程阻力系数；为隧道断面当量直径（）；为隧道长度（）；为空气密度（）；为隧道设计风速（）。隧道内风速在.之间时，射流风机的出口风速为.，在风机后 和前 范围内，间隔 均匀建立 个监测断面，取风机前最大断面静压值和风机后最小静压值的压力差为风机升压力，取.。式（）为 细则 一台射流风机升压力计算方法，为.，计算得组风机增压为.。数值模拟与计算所得升压力存在一定差异，分析是由于同组风机间距较大，出口断面小、高速射流较集中造成，细则 建议值.在本数值模型计算中偏保守，即（）（）式中：为隧道通风断面面积（）；为射流风机的出口面积（）；为射流风机位置摩阻损失折减系数，取.。网格无关性验证利用 划分结构化网格，并在靠近墙体附近划分边界层网格进行细化，划分了种网格尺寸，网格数据统计见表。隧道出入口均设为压力出口，开启入口第组射流风机，出口段设 升压力，以 的稳态火源计算，火源距隧道入口 ，计算时长 。隧道火源下游 的断面温度分布如图所示，火源下游隧道中线 高度温度如图所示。可得：网格尺寸 和 计算结果温度分布基本一致，与网格尺寸 温度分布差别较大，网格尺寸取 可得到网格无关解。网格划分如图所示，隧道整体网格均采用结构化网格，仅组风机所