基于数值模拟的大型隧道火灾拱顶最高温度研究

周 凯

(保定市消防支队，河北 保定 071000)

基于数值模拟的大型隧道火灾拱顶最高温度研究

周 凯

(保定市消防支队，河北 保定 071000)

对国内外有关大型隧道火灾拱顶最高温度的理论与试验研究进行总结，并根据两个全尺寸隧道火灾试验建立了FDS数值模拟模型，模型尽可能还原试验现场情况。模拟结果表明在隧道纵向通风的前提下数值模拟的结果与试验结果有较好的吻合度，但整体温度较试验情况偏低。

大型隧道；拱顶；最高温度；数值模拟

火灾时，隧道结构能够保持其稳定性是隧道设计十分重要的问题，一场火势较大、持续时间较长的火灾极有可能破坏隧道内的建筑结构导致隧道坍塌。因此，火灾中隧道将受到怎样的影响以及如何确定隧道结构稳定性等问题始终是火灾科学领域研究的焦点。隧道发生火灾时，由于高温作用，隧道中未经保护的混凝土在火灾起始的5～30 min会产生爆裂。隧道整体结构在长时间高温作用下可能会引起坍塌[1]。目前，国内外已有相当一部分研究是围绕这一问题展开的，这些研究中以理论结合小尺寸或全尺寸试验为主，使得隧道拱顶最高温度的理论模型建立和试验研究都达到了较高的水平。然而，在对实际隧道进行设计或是火灾风险评估时，并不是所有的研究都能有足够的条件采用试验的方式进行。因此，本文将利用火灾数值模拟软件FDS5.4(Fire Dynamics Simulator)，基于前人对隧道拱顶最高温度的理论研究和试验研究成果，探讨FDS在模拟隧道火灾中的适用性。

1 火灾时隧道拱顶最高温度理论研究

许多国家的学者都对火灾时隧道拱顶最高温度这一问题的理论研究和模型建立做出了较大贡献。日本学者Kurioka[2]通过对不同纵向通风速率下小尺寸和大尺寸模型开展火灾试验，提出了预测隧道火源上方拱顶处最高温度的理论模型，但他的经验公式并不能很好地对较小通风速度下的拱顶温度进行预测。2006年，学者胡隆华[3]采取全尺寸试验的方法验证了Kurioka模型的有效性，然而，胡的全尺寸试验中火源的热释放速率过小。

李颖臻等学者[4]首先通过轴对称羽流理论建立了火灾时隧道内拱顶处最高温度的计算模型，即：

式中，Hd为火源表面到隧道顶部的高度，m；Q为热释放速率，kW；D为隧道当量直径，m；u为纵向风速，m·s-1。

方程式(1)适用于连续火焰高度低于隧道高度的小火。然而对于隧道中的大火，李颖臻等[5]考虑到连续火焰区直接撞击隧道顶部，隧道顶部下的最高温度应为连续火焰区的温度后，通过理论分析和前人的全尺寸隧道试验数据，得到了隧道火灾中拱顶的最高温度方程式。该方程式分为两个部分：

当u′≤0.19时：

当u′>0.19时：

从上述公式可以看出，李颖臻等学者的研究认为隧道内拱顶的最高温度为1 350 ℃，许多试验也都验证了这一温度的可靠性。李思成等学者认为李颖臻和Ingason等人所建立的隧道火灾最高温度模型和大型火灾试验数据比较接近，代表了目前隧道火灾最高温度研究的最高水平。

2 火灾时隧道拱顶最高温度试验研究

国内外众多学者及机构都对隧道拱顶最高温度进行了全尺寸的试验研究，现将各全尺寸试验的隧道尺寸、火源等相关情况总结如表1[6]。虽然试验具有较大的不确定与波动性，但上述试验数据与理论模型基本上能相互印证，具体情况如图1、图2所示。

表1 全尺寸隧道试验简要介绍

图1 全尺寸试验中u′≤0.19时拱顶最高温度

3 基于FDS的火灾时隧道拱顶最高温度模拟研究

3.1 隧道模型的选择及建立

在对大量的全尺寸试验进行分析后，最终确定根据Memorial及Runehamar隧道试验(纵向通风)的相关参数建立FDS隧道模型，并根据这两个试验的火源情况等设置燃烧条件，这两个试验的相关参数分别如表2[7]、表3[8]所示。

图2 全尺寸试验中u′>0.19时拱顶最高温度

Memorial隧道全长853m，双向车道；Runehamar隧道全长1 600m，且有0.5%～1%的倾斜度。两个隧道内均设有多处数据采集装置用以测量风速、温度、一氧化碳浓度、二氧化碳浓度及碳氢化合物浓度等数据。由于本文将针对拱顶最高温度的模拟进行研究，因此在FDS建模中将主要设置热电偶以探测拱顶温度。同时FDS模型还对文献中的其他设置条件进行了充分考虑，例如可燃物堆积方式、隧道壁面材料、厚度等细节，力求还原真实的试验场景。

表2 美国Memorial全尺寸隧道火灾试验相关参数

表3 挪威Runehamar全尺寸隧道火灾试验相关参数

根据所选两个试验中的15个具体试验场景，本文共设置模拟场景45个，针对每个试验场景，模拟中主要改变感温探测点的间距，以探讨不同间距对探测精度的影响。据文献知，长853m的Memorial隧道内共设置探测点12处，即每隔71m设置一处探测点，以此为依据，模拟场景中探测点间距分别为25m、50m、71m，模拟时间为3 000s。

3.2 模拟结果分析

图3 Memorial全尺寸隧道试验与模拟数据

图4 Runehamar全尺寸隧道试验与模拟数据

同时，通过观察还可发现模拟数据普遍比试验所得最高拱顶温度低，究其原因主要有以下几点：一是此次模拟并未将燃烧产生的大量烟粒子纳入考虑，而这些烟粒子的存在会对热量的传递起到极大的阻碍作用，因此实际试验中得到的最高温度更高；二是模拟中对燃料的设置较为简略，无法模拟出真实试验场景中可燃物之间热辐射相互作用等效果，因而导致所测温度较低；三是由于所查阅文献中并未对隧道壁的厚度、材料等做详细说明，因此场景设计时仅简单地将隧道壁面设置为240mm混凝土，导致模拟温度与实测温度有所偏差。

4 结论与展望

国内外隧道拱顶的最新理论研究情况表明发生火灾时隧道拱顶的温度上升情况会因隧道内通风速度不同而有所区别，当火势进一步增大后由于火焰区将与隧道拱顶相互接触，因而此后拱顶温度即为火焰温度。通过考察多个全尺寸隧道试验的数据，确定火灾时隧道拱顶可能会达到的最高温度为1 350 ℃。选择了两个数据较为详尽的全尺寸试验进行FDS模拟，模拟场景尽可能还原真实试验场景，模拟结果显示加大温度探测点的密度能够提高所得数据与试验数据的吻合度，另外，模拟结果整体较试验结果偏低，这是由于模拟的简化假设与实测间复杂多变的情况不同导致的，因此，在利用FDS模拟结果进行隧道结构设计、火灾风险评估等工作时应当根据具体情况在模拟所得数据上适当增大其温度值以增加安全性。

文中所选取的实体试验与数值模拟都仅针对隧道纵向通风这一前提开展，而实际隧道中的通风存在更复杂的情况，FDS这一工具在多向通风的隧道火灾模拟中能否同样取得较好的结果仍有待验证。

[1] 王彦富，蒋军成，龚延风，等.隧道火灾拱顶附近烟气最高温度的研究[J].中国安全科学学报,2007,(10):39-44.

[2]KURIOKAH,OKAY,SATOHH,etal. Fire Properties in Near Field of Square Fire Source with Longitudinal Ventilation in Tunnels [J]. Fire Safety Journal,2003,38(4):319-340.

[3] 胡隆华.隧道火灾烟气蔓延的热物理特性研究[D].合肥:中国科学技术大学,2006.

[4] LI Y Z, LEI B, INGASON H. The Maximum Temperature of Buoyancy-driven Smoke Flow below the Ceiling in Tunnel Fires [J]. Fire Safety Journal,2011,46:204-210.

[5] LI Y Z, INGASON H. The Maximum Ceiling Gas Temperature in a Large Tunnel Fire [J]. Fire Safety Journal,2012,47:38-48.

[6] LI Y Z, INGASON H. Maximum Ceiling Temperature in a Tunnel Fire [R]. SP Swedish National Testing and Research Institute Fire Technology,2010.

[7] Memorial Tunnel Fire Ventilation Test Program [R]. Massachusetts Highway Department and Federal Highway Administration,1995.

[8] INGASON H, LÖNNERMARK A. Heat Release Rates from Heavy Goods Vehicle Trailers in Tunnels [J]. Fire Safety Journal,2005,40:646-668.

(责任编辑 马 龙)

A Research on the Maximum Temperature of a Vault in a Large Tunnel Fire Based on Numerical Simulation

ZHOU Kai

(BaodingMunicipalFireBrigade，HebeiProvince071000，China)

The latest achievements with the maximum temperature of a vault in a large tunnel fire were concluded and two large experiments about this were chosen to be simulated by the Fire Dynamics Software (FDS). The simulation scenes were built close to the real ones. Data from the software shows that there is a coincidence between the simulation and experiments although the temperatures are lower than those from experiments.

large tunnel; vault; maximum temperature; numerical simulation

2015-07-10

周凯(1978— )，男，河北元氏人。

U458.1

A

1008-2077(2015)10-0009-04