海拔效應對隧道火災特性影響的研究*

黃洋　張英　陳先鋒　牛奕

(武漢理工大學資源與環境工程學院　武漢 430070)

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海拔效應對隧道火災特性影響的研究*

黃洋張英陳先鋒牛奕

(武漢理工大學資源與環境工程學院武漢 430070)

鑒于CFD在火災模擬方面能夠準確反映出火災過程中煙氣、溫度、CO濃度等的分布特性，采用CFD對不同海拔條件下的隧道火災進行模擬計算。計算結果表明，火源功率相同時，隨著海拔的升高，上層煙氣縱向蔓延速度以及下層新鮮空氣向火源補充速度均增大。CO濃度以隧道中線為軸兩側對稱分布，隧道中線上濃度最低；1.5 m高度處，CO首先出現在隧道出口位置，隨后向回蔓延；同一斷面上層CO濃度大于下層CO濃度，海拔的升高導致CO生成量增多，高濃度區域范圍變大。另外，隨著海拔的升高，火源附近拱頂煙氣溫度增大；不同海拔條件下，拱頂煙氣溫度沿途均呈冪指數衰減，海拔越高，溫降的速率越快。

海拔效應隧道火災煙氣CFD

0　引言

西部地區所處位置海拔較高，環境壓力小，空氣中氧含量較低，這種低壓低氧環境使隧道火災特性有別于常壓下隧道火災的特性。近年來低壓低氧環境對燃燒性能的影響引起了廣泛的重視，眾多專家、學者針對低壓低氧環境下材料的熱解速率、火蔓延速度、火焰高度等特性進行了研究分析[1-3]，但將低壓低氧環境與隧道火災結合進行綜合探討方面還有待更深入的研究。研究低壓低氧環境對隧道火災特性的影響，對于高海拔公路隧道火災消防措施、救援措施的制定有一定的指導作用，能夠有效降低高海拔地區隧道火災的危害。

因此，擬利用流體動力學(CFD)模擬軟件對不同海拔條件下隧道火災進行模擬計算，分析海拔對隧道火災的影響規律。

1　模型的選擇及建立

以計算流體力學為基礎，結合計算機技術的數值模擬已經逐漸成為研究火災過程的重要手段，計算結果的準確性在中外學者的研究中得到了驗證[4]。CFD模擬軟件主要基于四大基本控制方程進行求解：質量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程、組分守恒方程[5]?；馂氖且粋€動態的發展過程，大多為湍流過程，并且受浮力影響比較大，因此需選用受浮力影響的湍流模型——k-ε模型。

1.1物理模型

以典型的單洞雙向隧道為模型，選取x方向為隧道延伸方向，y方向為隧道寬度方向，z方向為隧道高度方向。墻體邊界設置為熱厚性邊界條件，模擬中設置為“concrete”屬性，模擬段x長300 m(-150～150)，y寬10 m(0～10)，z高7.5 m(0～7.5)?；鹪礊楣潭後尫潘俾驶鹪?，其位置取最不利條件，即位于隧道中央(x=-2～2，y=4～6，z=0.5)。計算模型具體如圖1所示。

圖1　計算模型

火災規模與發生火災的車輛類型有很大的關系，表1為不同車型的火災熱釋放強度。行駛于中西部交通網隧道中的車輛多為小轎車、貨車、卡車、客車等，故模擬中將火源設定為熱釋放強度20 MW的t2穩態火源。分別對海拔為0，1 000，2 000，3 000，4 000 m時的隧道火災進行模擬。

表1　不同車型的火災熱釋放強度　MW

1.2網格設置

網格的尺寸大小對模擬結果的準確性影響很大，前人通過研究發現，網格尺寸與火源特征直徑D*有很大的關系，當網格尺寸為0.1～0.2 D*時，模擬結果能夠比較準確地反應出真實情況，D*的計算方法如式(1)。

(1)

式中，D*為火源特征直徑，m；Q為總的熱釋放速率，kW；ρ∞為空氣密度，kg/m3；Cp為環境空氣比熱，kJ/(kg·K)；T∞為環境空氣溫度，K；g為重力加速度，m/s2。

根據網格尺寸必須為2，3，5的倍數的原則，結合計算中采用的物理模型，對網格尺寸進行獨立性試驗，最終確定網格尺寸為0.25m×0.25m×0.25m時較合適。

2　結果分析

隧道結構屬于狹長受限空間，出入口少、排煙以及排熱都很困難，煙氣蔓延與溫度分布是隧道火災中兩個最重要的研究參數。隧道火災過程由于空氣供給不足常為不完全燃燒，會產生大量的高濃度煙氣(含有大量CO等有毒有害氣體)，對人員的生命安全造成威脅。同時，煙氣將大幅降低隧道內的可見度，阻礙人員逃生。高溫對人員造成灼傷的同時，也可能破壞隧道結構，使火災救援難度加大。通過對不同海拔條件下的隧道火災進行數值模擬計算，對隧道內的溫度分布以及煙氣的蔓延狀況進行分析，總結海拔對隧道火災特性的影響規律。

2.1煙氣蔓延

隧道火災的發展過程比較復雜，由火源、環境、隧道結構等各個方面的因素共同決定。煙氣的蔓延狀況是隧道火災災害程度的重要影響因素之一，可分為3個階段：階段Ⅰ——煙氣產生并卷吸空氣向上傳播，形成火羽流；階段Ⅱ——煙氣發生頂棚射流現象，向周圍各個方向擴散，并完成軸向傳播向縱向一維傳播的轉換；階段Ⅲ——煙氣達到一維蔓延狀態，上部形成熱煙氣層沿縱向方向蔓延，下層為冷空氣層，向火源傳播。

這里僅考慮階段Ⅲ煙氣達到一維蔓延時火災煙氣蔓延特性。圖2為40s時不同海拔條件下隧道火災煙氣蔓延距離。顯然，海拔越高，煙氣蔓延距離越大，表明高海拔條件下煙氣蔓延速度更快。同時下層新鮮空氣向火源處補充速度也會隨著海拔的升高不斷增大，這是因為高海拔地區空氣中含氧量較低，在相同火源功率條件下，為滿足氧氣需求，需要更多的空氣補充，因此下層空氣向火源處補充的速度更快。另外，煙氣蔓延動態過程，發現在出口位置煙氣不能完全排出，開始大量聚集并且發生回流。

圖2　煙氣蔓延距離

煙氣濃度、CO濃度主要受卷入的新鮮空氣含量的影響，而溫度不僅受卷入的新鮮空氣量的影響，還會受與隧道壁等之間的熱對流的影響，因此當溫度降到對人員造成危害的臨界值80 ℃以下時，CO的濃度可能仍然比較高，可以對人員造成傷害。通過觀察1.5m高度(人的口鼻位置)處CO濃度分布的動態圖，發現CO首先出現在隧道出口附近，隨后向回蔓延，CO濃度以隧道中線為軸在兩側呈對稱形式分布，隧道中線附近濃度小于臨近隧道壁面附近區域的濃度。圖3為隧道中線CO濃度分布示意圖，顯示出CO濃度在臨近隧道頂部區域較大，在臨近隧道底板區域較小。在隧道出口處，CO含量最多，隨著海拔的升高，CO濃度增大，危險性也隨之增大。

2.2溫度

隧道多是混凝土或者鋼筋混凝土砌筑而成，這些材料在一定的高溫條件下會失去強度。當溫度達到200 ℃時，混凝土結構強度降低了30%左右，因此將200 ℃視為隧道結構受影響的一個臨界值。隧道發生火災后，隧道斷面由于受到的熱輻射、熱對流、熱傳導作用有所差異，同一斷面上的溫度也有所不同。隧道煙氣溫度分布如圖4所示。

圖3　CO濃度分布

圖4　煙氣溫度分布(單位：℃)

由圖4可知，煙氣溫度有明顯的分層現象，上層溫度高于下層溫度，這是因為高溫煙氣首先在上層縱向蔓延，溫度降低后再向下層蔓延；海拔越高，溫度高于200 ℃的區域越大，隧道的頂部受高溫的危害最大。因此認為隨海拔的增大，將會使更大范圍的隧道結構受到高溫威脅。

拱頂煙氣溫度分布如圖5所示。圖5(a)表明隨著海拔的升高，火源處拱頂煙氣最高溫度上升，在水平距離火源100m范圍內，海拔越高，拱頂煙氣溫度越大；但是與火源水平距離超過100m以后，高海拔隧道的拱頂煙氣溫度反而會逐漸小于低海拔隧道的拱頂煙氣溫度。對拱頂的煙氣層溫度進行分析、處理、擬合可得煙氣縱向衰減冪指數函數擬合圖如圖5(b)所示，各海拔條件下擬合度均大于0.98，因此認為拱頂煙氣溫度在不同的海拔條件下都符合冪指數衰減規律，從圖5(b)可以看出沿程溫度的下降幅度隨著海拔的升高不斷增大。綜合圖5(a)與圖5(b)，在火源功率相同的條件下，高海拔地區火災中火焰高度更高，范圍更廣，對近火源區域的熱輻射越強烈，因此近火源區域的溫度較高；另外，高海拔地區煙氣蔓延更快，同時空氣更迅速地向火源處補充，導致卷吸的空氣量更多，沿程煙氣溫降更快。由此認為海拔的升高將導致臨近火源區域溫度升高，但是在高海拔條件下，拱頂煙氣溫度下降速度較快，當與火源的水平距離大到一定程度后，高海拔下的拱頂煙氣溫度反而小于低海拔下的拱頂煙氣溫度。從溫度角度看，高海拔地區臨近火源區域的危險程度更大，但是與火源距離較大時，低海拔地區的危險程度更大。

(a)

(b)

3　結語

(1)火源功率相同條件下，煙氣蔓延速度與新鮮空氣向火源補充的速度都隨著海拔的升高而增大。

(2)1.5m高度處，CO首先出現在隧道出口位置，以隧道中線為軸CO濃度對稱分布于兩側，中線上濃度最低。臨近隧道拱頂區域CO濃度較大，臨近隧道底板的區域CO濃度較小，隨著與火源距離的增大，隧道斷面上高濃度區域的面積逐漸增大。

(3)不同海拔條件下，臨近火源區域溫度分層現象均比較明顯，上層溫度顯著高于下層溫度，拱頂煙氣溫度最高，沿程均呈冪指數衰減，火源上方拱頂煙氣溫度隨著海拔的升高逐漸增大，但高海拔條件下溫度降低速率更快，故臨近火源區域拱頂煙氣溫度高于低海拔地區，與火源距離達到一定值后，低海拔條件下拱頂煙氣溫度反而高于高海拔地區。

[1]ZHANGY,JIJ,LIJ,etal.Effectsofaltitudeandsamplewidthonthecharacteristicsofhorizontalflamespreadoverwoodsheets[J].FireSafetyJournal,2012,51:120-125.

[2]張英.典型可炭化固體材料表面火蔓延特性研究[D].合肥：中國科學技術大學,2012.

[3]牛奕.低壓低氧環境下紙箱堆剁火的實驗和模擬研究[D].合肥：中國科學技術大學,2013.

[4]葛江.基于FDS的車廂火災煙氣流動的數值模擬分析[J].工業安全與環保,2012，38(6):50-52.

[5]呂淑然,楊凱.火災與逃生模擬仿真—PyroSim+Pathfinder[M].北京：化學工業出版社,2014.

張英，男， 1985年生，副教授，博士，主要從事狹長受限空間火災研究。

Numerical Simulation on Altitude Effects to Tunnel Fire

HUANG YangZHANG YingCHEN XianfengNIU Yi

(SchoolofResourceandEnvironmentEngineering,WuhanUniversityofTechnologyWuhan430070)

CFD simulation can accurately reflect the distribution of smoke, temperature and CO concentration in tunnel fire, so it is used to compute tunnel fire in different altitude. The results show that the up-layer-smoke diffusion velocity becomes bigger and the supplying velocity of down-layer fresh air for fire grows with the rise of altitude. CO concentration distributes symmetrically on both sides of the midline of tunnel and it is lowest in the midline. CO firstly appears at the exit of the tunnel and then back-flows at the height of 1.5 m. CO concentration is much higher at upper layer than that at lower layer, CO will be produced more at high altitude and the high concentration area will be larger. The ceiling temperature near the fire increases with the increase of altitude. Ceiling temperature decays along the tunnel in an exponential function no matter in high altitude or in low altitude, and it decays faster in high altitude.

altitude effectstunnel firesmokeCFD

國家自然科學基金(51404178)。

黃洋，女， 1990年生，碩士，主要從事火災安全科學研究。

2015-07-01)