大万山斜井送排通风隧道火灾烟气控制数值研究_付孝康.pdf

第 18 卷增刊 2地 下 空 间 与 工 程 学 报Vol.182022 年 12 月Chinese Journal of Underground Space and EngineeringDec.2022大万山斜井送排通风隧道火灾烟气控制数值研究付孝康1,曾艳华2,陶亮亮2(1.山西静兴高速公路有限公司,山西 吕梁 033500;2.西南交通大学 交通隧道工程教育部重点实验室,成都 610031)摘要:为探究机械通风和火源位置对送排式通风隧道火灾特征参数的影响,基于 FDS 研究了火灾后隧道内烟气、温度和速度分布情况。结果表明:相同火源热释放速率下纵向风速是影响火源上游烟气逆流长度的关键因素,火源位置和斜井排烟风量对火源上游烟气蔓延影响很小;随着纵向风速的增大斜井下游烟气蔓延长度增加,因此纵向风速不宜大于 3.0 m/s,此时火源上游烟气逆流长度仅为 20 m;相同通风条件下,火源位置主要影响烟气流经斜井处的温度,进而影响火源下游烟气分布;火源与斜井距离越小,相同排烟风量下斜井下游烟气蔓延长度越长,控制斜井下游烟气蔓延的排烟量越大。关键词:隧道火灾;机械通风;火源位置;烟气控制;温度分布;流场中图分类号:X928.7文献标识码:A文章编号:1673-0836(2022)增 2-1023-07Numerical Study on Smoke Control of Dawanshan Inclined Shaft Ventilation TunnelFu Xiaokang1,Zeng Yanhua2,Tao Liangliang2(1.Shanxi Jingxing Expressway Co.,Ltd.,Lliang,Shanxi 033500,P.R.China;2.Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering,Ministry of Education,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,P.R.China)Abstract:In order to explore the influences of mechanical ventilation and fire source location on fire characteristic parameters of a combined ventilation tunnel,the distribution of smoke,temperature and velocity in tunnel after fire was studied based on FDS numerical simulation.The results show that:the longitudinal velocity is the key factor affecting the upstream smoke bake-layering length under the same heat release rate.The location of the fire source and the exhaust air volume of inclined shaft have little influence on the smoke spread upstream of the fire source.With the increase of longitudinal velocity,the smoke spread length downstream of the inclined shaft increases,so the longitudinal velocity should not be greater than 3.0 m/s.At this time,the spread length of smoke upstream of the fire source is only 20 m.Under the same ventilation conditions,the location of the fire source mainly affects the temperature of the smoke flowing through the inclined shaft,and then affects the smoke distribution downstream of the fire source.The smaller the distance between the fire source and the inclined shaft,the longer the smoke spread length downstream of the inclined shaft under the same exhaust air volume,and the greater the exhaust gas volume to control the smoke spread downstream of the inclined shaft.Keywords:tunnel fire;mechanical ventilation;fire source location;smoke control;temperature distribution;flow field 收稿日期:2022-06-06(修改稿)作者简介:付孝康(1972),男,四川德阳人,高级工程师,主要从事高速公路施工技术管理工作。E-mail:615561560 通讯作者:陶亮亮(1995),男,四川广安人,博士生,主要从事隧道火灾方向的研究。E-mail:taolliang 基金项目:国家自然科学基金(52178394)0引言由于隧道狭长的特殊结构,隧道火灾往往会造成严重的生命财产损失。例如,在美国加利福尼亚州的 Newhall 隧道中,两辆重型货车相撞造成的隧道火灾燃烧了近 8 小时,造成 3 人死亡、9 人受伤,也对隧道结构造成了极大的破坏1。晋济高速岩后隧道中,两辆满载甲醇的货运卡车相撞引发了隧道火灾,造成 31 人死亡和 9 人失踪2。事实上,隧道火灾中有 85%的伤亡是由于人吸入有毒烟气造成的,直接被烧死的实例却很少3。烟气控制对于隧道火灾来说非常重要,快速的烟气控制方案是降低隧道火灾造成的生命财产损失最有效的方法之一,因此国内外对隧道火灾烟气控制的研究非常广泛4-6。竖井送排式通风是长大隧道常见的通风方式之一,相关研究也不少:朱培根等7基于 CFD 数值模拟研究了正常营运期间隧道送风和排风风速对污染物浓度影响,提出了优化营运通风方案;郑国平8通过理论计算研究了单向坡对分水岭斜井送排式通风隧道烟气控制的影响,提出了分水岭隧道火灾通风设计方案;方磊等9通过模型试验研究了送风口角度对竖井送排式通风隧道通风阻力的影响,认为送风口与隧道轴向夹角宜取 5 6;韩星等10研究了竖井数量及其间距对送排式通风隧道运营通风的影响;郑国平等11以流体力学理论为基础,建立了多竖井送排式与射流风机组合通风计算模型,并应用于实际工程设计;万良勇等12通过模型试验研究了竖井送排式通风隧道内温度分布,根据实验结果提出了分水岭隧道的通风设计方案。由于隧道拱顶的限制和烟囱效应,一些单面坡的长大隧道的烟气可能无法从隧道出口排出。此外,由于正常运营期间需要将隧道内污染空气排出,斜井的排烟风机不需要单独购置。因此,对于斜井上游发生的隧道火灾,可以考虑将烟气从斜井排出;对于斜井下游发生的隧道火灾,烟气从隧道出口排出。这样不但能减少隧道排烟长度,还有利于火灾后隧道恢复运营。尽管针对隧道送排式通风的研究已经较为深入,但是目前的研究中很少考虑纵向风速和斜井排烟风量之间的相互关系对隧道火灾的影响,而且火源与斜井的距离对隧道火灾烟气控制的影响目前还尚不清楚。因此,本文基于 FDS 建立了大万山公路隧道数值计算模型隧道,研究了不同纵向风速、斜井排烟风量和火源位置对隧道内烟气、温度及速度分布等火灾特征参数的影响,所得结果能为相似工程设计提供参考价值。1数值模拟1.1模型隧道以大万山特长公路隧道为例建立长 1 000 m,宽 10.25 m,高 7.20 m 的模型隧道;其中斜井之后的主隧道长 200 m,斜井之前的主隧道长 800 m,斜井断面与主隧道断面尺寸相同。隧道结构设置为热厚材料,隧道壁面光滑。火源热释放速率选择为30 MW,产烟量与 CO 产量分别设为 0.1 kg/kg 与0.05 kg/kg。通 过 定 义 燃 料 的 质 量 损 失 速 率(MRL)来设置火灾规模,当燃料为汽油(MRL=0.055 kg/(m2s),火源面积为 12.6 m2时火源热释放速率即可达到 30 MW。为了能够监测隧道内各种火灾动力学参数(温度、速度等),在主隧道及斜井中心线上布置了温度和速度切片。隧道内环境温度为 20,环境压强为 101 325 Pa,数值模拟时间为 1 200 s。1.2网格划分网格大小对计算结果的精度有着重要的影响,网格越小数值计算的结果越可靠。然而,网格太小会使 得 完 成 数 值 计 算 所 需 要 的 时 间 大 幅 增加。McGrattan 等 13研究发现当网格大小为 0.1倍火源特征直径时,能够保证数值计算结果的精度,火源特征直径可按下式计算:D=QaCpTag1/2()2/5(1)式中:Q 为热释放速率,kW;a为隧道空气密度,1.2 kgm-3;Cp为空气比定压热容,1 kJkg-1K-1;Ta为 环 境 温 度,K;g 为 重 力 加 速 度,9.8 ms-2。在 FDS 模拟中,火源热释放速率为 30 MW 时按式(1)计算的网格大小为 3.74 m,0.1D即为0.374 m。为了进一步寻找合适的网格尺寸,选择4 种网格大小(0.15,0.25,0.35 和 0.45 m)进行网格敏感性分析。由于在火源附近使用较小的网格尺寸,而在远离火源的位置使用 2 倍于火源附近网格尺寸的方法能够保证结果的可靠性14-15,因此火源附近 100 m 范围内主隧道的网格尺寸分别为0.150.45 m,其他位置的网格尺寸为火源附近的2 倍。当网格大于 0.25 m 时,隧道内温度沿高度4201地 下 空 间 与 工 程 学 报第 18 卷方向的变化很大;当网格小于 0.25 m 时,温度沿高度方向均匀变化,如图 1 所示。更重要的是,当网格大小为 0.15 和 0.25 m 时,竖向温度沿高度方向基本相同,可认为网格大小为 0.25 m 时,数值计算结果的精度能得到保证。因此,火源附近网格尺寸为 0.25 m0.25 m0.25 m,其他位置的网格尺寸为 0.50 m0.50 m0.50 m。图 1不同网格大小下隧道内竖向温度分布Fig.1Vertical temperature distribution in tunnel with different mesh sizes1.3试验验证为进一步验证所选择网格尺寸的可靠性,根据Froude 相似律搭建了 1 15 模型试验平台,模型隧道长为 21 m,宽为 0.68 m,高为 0.48 m,斜井长为5 m,如图 2 所示。模型隧道拱顶布置了一系列直径为 1 mm 的热电偶用来测试拱顶温度分布,热电偶间隔 0.3 m。采用液化石油气作为火源,使用转子流量计来控制石油气的流量,根据石油气的流量可计算出模型试验的 HRR。以 HRR 为 19.2 kW为例,换算为实际 HRR 为 16.7 MW。以火源距斜井 6 m,纵向风速为 0.4 0.8 m/s,排烟风速为0.61.2 m/s 为例,对比分析数值模拟与模型试验图 21 15 模型试验平台Fig.21 15 model test platform中拱顶最高温度,如图 3 所示。相同条件下