车辆阻塞效应下隧道火灾烟气温度及烟气逆流长度变化规律研究

范梦琳，李元洲(中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室, 合肥, 230026)

车辆阻塞效应下隧道火灾烟气温度及烟气逆流长度变化规律研究

范梦琳，李元洲*
(中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室, 合肥, 230026)

通过数值模拟方法对车辆阻塞效应下的隧道火灾烟气温度及烟气逆流长度的变化规律进行了研究。主要分两种车辆阻塞效应讨论：1辆设定大小车辆障碍物阻塞；2辆设定大小车辆障碍物阻塞，且在同一车道。通过改变火源高度、纵向通风速度探究了车辆阻塞效应下隧道火灾烟气温度及烟气逆流长度的变化规律。结果表明：两种车辆阻塞效应下，随着火源高度的升高，隧道内顶棚烟气温度的变化规律相同：随火源高度的升高而增大。2辆车辆阻塞下的隧道顶棚烟气温度略低；两种车辆阻塞效应下，随着火源高度的升高，隧道内烟气逆流长度的变化规律不同。1辆车辆阻塞下烟气逆流长度随火源高度的升高而增大，而2辆车辆阻塞效应下烟气逆流长度随火源高度的升高而减小。

车辆阻塞; 公路隧道火灾; 顶棚烟气温度; 烟气逆流长度

0 引言

近年来，随着我国城市空间的不断利用，城乡道路的快速发展，新建公路数量在不断地增加，越来越多的公路需要跨越江河或者穿越山体，因此公路隧道的数量也不断增长，公路隧道安全问题也备受重视。

隧道由于其狭长的结构特点，发生火灾时，烟气温度在短时间内迅速上升，烟气得不到有效地扩散使得能见度急剧下降，有毒气体集聚，对隧道内人员的疏散以及消防员灭火工作极为不利。隧道火灾事故虽然是隧道事故中的一个小概率事件，但一旦发生，都会损害隧道结构，烧毁车辆，造成巨大的财产损失，甚至严重的人员伤亡。

从国内外研究现状[1-9]可知，前人的研究工作主要集中于隧道构造、火源位置、火源功率、纵向通风等对隧道内温度分布、烟气流动等参数的影响，具有一定的理论意义及应用价值，但是前提假设隧道内部为空腔，仅有火源作为实物放置于隧道内部，忽略了真实隧道中火灾发生时存在车辆、货物、设备等物体阻塞。而物体阻塞可能对隧道内部火场温度场、烟气流动等产生重要影响。仅有少数人进行了此方面的研究。

Li等[10]采用CFD数值模拟方法研究了障碍物的横截面积变化对纵向通风隧道内的火灾烟气最高温度以及临界风速的影响。结果表明，火源在障碍物的上表面，临界风速随着障碍物横截面积的增大而减小，隧道顶部的最高温度随着障碍物横截面积的增大而减小；Hu和Tang等[11,12]采用小尺寸实验的方法研究了障碍物和火源之间的距离对隧道火灾烟气最高温度以及临界风速和逆流长度的影响，结果表明障碍物和火源之间的距离越大，障碍物对纵向通风的阻挡作用越小；Lee和Tsai[13]采用小尺寸实验和CFD模拟计算结合的方式研究了车辆阻塞效应对临界风速和隧道内火行为的影响。他们通过改变车辆障碍物的尺寸大小来模拟实际隧道大、中、小车辆、障碍物阵列的形式来模拟双车道和三车道车辆分布以及火源在障碍物中心线下游和隧道中心线下游两种位置来模拟实际隧道火灾发生的相对位置。结果表明，当纵向风能够直接到达火源时，临界风速随着车辆障碍物的阻塞比增大而减小，减小的比例接近于障碍物的阻塞比例，障碍物和火源的距离变化对临界风速的影响起到次要作用；当纵向通风不能直接到达火源处时，有障碍物时的隧道控制逆流长度的临界风速相对于没有车辆障碍物阻挡时增大。Gannouni和Maad[14]利用FDS软件数值模拟研究了纵向通风隧道内存在障碍物时的临界风速和烟气逆流长度。结果表明火源上游障碍物的存在会使得临界风速比没有障碍物时的小，而有障碍物时的烟气逆流长度远小于没有障碍物的情况。

事实上，隧道中车辆着火时，由于车型不同，车辆高度各异，随着火源高度的增加，火焰由不撞击顶棚，向间歇撞击顶棚直至连续撞击顶棚过渡，形成的顶棚射流火焰会严重破坏隧道结构，同时在障碍物存在条件下，给人员疏散和消防救援工作造成极大困难。而前人研究中很少考虑火源高度的影响。而在障碍物影响下，改变火源高度的研究前人并没有涉及。因此本文以此为切入点进行分析，研究障碍物存在条件下，火源高度、纵向通风对隧道顶棚下方纵向温度分布和烟气逆流长度的影响。

1 FDS模型建立

本文采用美国国家标准与技术研究院开发的FDS对双车道内车辆阻塞效应对隧道内温度和烟气逆流长度的影响进行模拟。

(1)模型建立及边界条件。建立的全尺寸水平公路隧道模型长100 m、宽10 m、高5 m，单向行驶双车道，每个行车道宽度为3.5 m。隧道一端为速度边界条件，以产生纵向通风；另一端为开口边界条件，产生的烟气从该开口流出。墙壁的材料设置为最接近真实隧道壁面的混凝土材料，其热值为1.04 kJ/(kg·K)，密度为2280 kg/m3，导热率为1.8 W/(m·K)。火源功率的选取参考不同车型的火灾强度，模拟一辆面包车着火，火源热释放速率大小为5 MW。为便于模拟计算和分析，同时也通过调研车型尺寸，将面包车简化为长方体，长5.4 m，宽2 m，高2.2 m，底部高于地面0.2 m。火源设在车辆障碍物上表面，面积等同于障碍物上表面面积，火源高度为2.2 m、1.2 m、0.2 m三种。环境温度设定为20 ℃。隧道纵向风速在2.5 m/s～3.3 m/s之间变化。图1为隧道模型及障碍物分布的主视和俯视示意图。车辆障碍物阻塞分两种情况：1个障碍物阻塞也即单纯的火源阻塞，火源设在障碍物上表面，不同的工况通过障碍物高度的改变来实现火源高度的改变；2个障碍物阻塞是在火源阻塞的基础上，火源上游有一个高度始终不变的车辆障碍物阻塞。由于各工况隧道纵向风速的大小不一，隧道计算模型达到稳定的时段不同，但计算结果显示250 s左右数据均已趋于稳定，因此将模拟时间设定为300 s，取30 s稳定段数据的平均值进行分析。研究表明[15]，为减小隧道开口边界对模拟结果的影响，对计算区域在纵向上进行适当的扩展，能得到与实验结果相符更好的数值模拟结果。因此本文将计算区域进行适当的延伸，隧道左右出口各超出5 m。

图1 隧道模型主视示意图(单位：m)Fig.1 Front view of tunnel model

(2)网格划分。在FDS数值模拟中，网格尺寸的选取直接关系到模拟结果的正确性和合理性。网格太大，模拟计算较为粗糙，体现不出关键性参数的变化特性；随着网格划分尺寸的减小，模拟结果越接近实验值；当网格细化到一定程度，继续减小网格，将不再增加模拟结果的相符性，反而极大增加了运算时间，这是没有必要的。因此，进行网格独立性分析至关重要。FDS用户指南中[16]推荐了火源特征直径D*与计算网格尺寸的比例在4～6之间时，可以得到一个合理的求解结果。火源特征直径由下式给出:

(1)

式中，

D*——火源特征直径(m);

Q——火源热释放速率(kW);

ρ——环境空气密度(kg/m3);

cp——环境空气比热(kJ/(kg·K));

T——环境空气温度(K);

g——重力加速度(m/s2)。

图2 隧道模型俯视示意图(单位：m)Fig.2 Top view of tunnel model

当火源功率为5MW时，通过该公式计算得到的网格尺寸在0.11m～0.45m之间。将测试的网格尺寸确定为5种，分别为0.33m、0.25m、0.2m、0.12m、0.1m，并对计算网格系统的独立性进行评估。所评估的5套网格系统如表1所示。经过网格独立性的分析会发现网格越细，模拟结果越能反映热流场的细节情况，但因此需要的计算时间也会成指数倍的增加，所以需要综合考虑计算机的性能以及所需要得到的数据来确定网格尺寸。图3为不同网格尺寸下风速为3m/s时近火源区截面的速度矢量和温度分布，该纵向截面过火源中心线(下文提到的纵向截面均过火源或障碍物上表面中心线)。本文主要关注的是烟气的逆流长度以及顶棚的温度，由图3c～图3e可以看到，随着网格尺寸减小，C、D、E网格系统中速度矢量的大小和方向以及温度分布基本相同，而网格系统A、B(图3a～图3b)的计算结果所反映的烟气逆流长度偏小，且温度场偏低。因此本文将模型的网格尺寸确定为0.2m，也即1m按照5个网格划分。

图3 网格独立性分析：3 m/s风速下隧道纵向截面近火源区的速度矢量和温度分布(以火源功率为5 MW为例)Fig.3 Sensitivity study on the grid system: velocity and temperature distributions in the near field of fire source and along the longitudinal plane of tunnel under 3 m/s inlet velocity (5 MW heat release rate)

表1 网格独立性分析的五套网格系统汇总

(3)工况设置。利用数值模拟计算了隧道内1个车辆障碍物、2个车辆障碍物阻塞的场景。2个车辆障碍物的分布为同一车道内的前后分布。火源位于车辆障碍物的上表面，通过改变车辆障碍物的高度来改变火源的高度，共设计了2个系列的模拟工况，见表2。A组工况为1个车辆障碍物的场景，火源功率为5 MW，改变了火源竖向高度以及纵向风速的大小。B组工况为2个车辆障碍物的场景，1个障碍物为纯阻塞车辆障碍物，不改变高度，另一个障碍物上表面有火源，模拟着火车辆，通过障碍物高度的改变来实现火源竖向高度的改变。火源功率为5 MW，改变了火源竖向高度以及纵向风速的大小。

表2 模拟火灾场景汇总

2 计算结果分析与讨论

2.1 局部风速分析

选取A3、B4具有相同隧道入口风速和火源高度的典型工况为例，分析1个和2个障碍物阻塞情况下隧道纵向切面上的速度分布，如图4所示。纵向切面过障碍物上表面的中心线。可以看出B4工况(图4b)出现了表明速度较大的深色区域，而A3工况(图4a)没有出现深色区域。通过提取模拟数据可知，A3工况的隧道内最大风速为3.99 m/s，最小风速为-1.12 m/s。B4工况的隧道内最大风速为4.76 m/s，最小风速为-1.30 m/s。可以看出局部区域的风速均已大于隧道的入口风速，这是因为在障碍物阻塞工况中，障碍物的存在使得从隧道左侧流入的空气流经障碍物时只能从障碍物上方的空间通过。根据流体力学中的质量守恒：流体以一定的速度从一个较大入口流入，流经一个较小出口时，出口速度会增加。而且2个障碍物存在条件下的隧道内气体流速大于1个障碍物的情况。

图4 不同障碍物数目下，A3、B4工况中隧道纵向截面上的速度分布Fig.4 The velocity distributions along the longitudinal plane of tunnel in cases of A3 and B4 with different numbers of blocked vehicle

2.2 顶棚温度分析

表3给出了所有模拟工况距离顶棚0.2 m处烟气最高温度的数据。从表3中可以看出随着火源竖向高度的增大，顶棚烟气温度也逐渐升高，这主要是由于火源面离顶棚的距离减小，烟气纵向温度衰小。另外，对比A3、B4工况，A4、B2工况可以得出1个车辆障碍物相比于2个车辆障碍物阻塞的情况顶棚烟气温度更高，主要是由于2个障碍物局部风速更大，烟气流动速度快，因此顶棚烟气温度会更低。

表3 模拟火灾场景顶棚烟气最高温度统计

图5 不同火源高度下，火源纵向中心面上顶棚温度分布(1个障碍物阻塞)Fig.5 Smoke temperature distribution along the longitudinal central plane of fire at various heights of fire source (one vehicle blocked)

图6 不同火源高度下，火源纵向中心面上顶棚温度分布(2个障碍物阻塞)Fig.6 Smoke temperature distribution beneath ceiling along the longitudinal central plane of fire at various heights of fire source (two vehicles blocked)

图5、图6分别给出的是5 MW火源功率下，0.2 m、1.2 m、2.2 m三种火源高度下的顶棚烟气温度纵向分布。由纵向温度分析可知，温度曲线从最高温开始沿着纵向通风方向的烟气温度呈现出先快速下降后趋于平稳的趋势，而逆着纵向通风方向的烟气温度先快速下降，而后有的工况会出现较为短暂的温度稳定状态，后又开始下降直到降到环境温度。温度纵向分布曲线可以看出烟气的逆流长度大小，即顶棚烟气的纵向温度衰减到环境温度20 ℃所对应的x轴上的位置到火源中心的水平距离。1个障碍物阻塞下，顶棚温度纵向分布随着火源高度的升高而增大，烟气逆流长度随着火源高度的升高而增大。由于纵向通风的作用，上风向区域会形成一个安全区域，温度为环境温度，而下风向区域顶棚烟气的温度并没有降到环境温度，而是在很长的一段区域内温度均高于环境温度。火源高度越高，下风向的烟气温度也会越高。2个障碍物阻塞下，顶棚温度纵向分布随着火源高度的升高而增大，烟气逆流长度随着火源高度的升高而减小。火源高度越高，温度逆着纵向通风方向的纵向衰减速度越快。相较于1个障碍物阻塞的情况，2个障碍物阻塞的情况，顶棚烟气的纵向温度大小明显更小。

图7给出了顶棚烟气温度在不同通风速度下的纵向分布。随着隧道纵向风速的增加，烟气逆流长度逐渐减小。当烟气逆流长度较大时，较小的纵向风速增值就可以使得烟气逆流长度快速减小，而当烟气逆流长度较小时，需要较大的纵向风速增值才能使烟气逆流长度减小，这主要是由于靠近火源处火羽流的撞击顶棚后水平惯性力较大，而随着烟气在顶棚的水平运动，温度逐渐衰减，水平惯性力逐渐减小。

图7 顶棚烟气温度在不同通风速度下的纵向分布Fig.7 Smoke temperature distribution beneath ceiling along the longitudinal central plane of fire at various velocities

图8 不同火源高度下隧道近火源区烟气温度分布(以A2、A5、A6工况为例)Fig.8 Smoke temperature distribution in the near field of fire source in cases of A2, A5 and A6 at various heights of fire source

2.3 烟气逆流长度分析

图8分析了障碍物数目对隧道内气体流速的影响。下面以A2、A5、A6工况为例，分析1个障碍物阻塞条件下，不同火源高度隧道内的烟气温度分布，如图8所示。通过对图8中烟气温度的分布情况可以推断烟气的逆流长度。烟气逆流长度定义为烟气向与通风速度相反的方向运动的最远位置到火源中心的距离。应用到本文中，相当于烟气向隧道左侧出口运动时的烟气前锋到火源中心的纵向距离。本文中火源中心到隧道左侧出口的纵向距离约为50 m。由图8可以看出，A2、A5、A6工况的烟气逆流长度分别为2.5 m、1.0 m、0.7 m。这是因为，随着火源高度的增大，流体流经火源上方的空间变得更窄，从而在强制通风下气体向下游的运动速度增加，这有利于减小烟气逆流长度；同时，火源上部卷吸空气受限程度随着火源高度增加而增加，更多的未燃气体只能在顶棚下方运动更长的距离以达到完全燃烧，从而水平惯性力增加，进一步增加烟气逆流长度。强制通风和水平惯性力这两个相反的作用力决定了烟气逆流长度。在本文的研究中，烟气逆流长度随着火源高度增加而增加，说明水平惯性力在烟气逆流中起主要控制作用。

图9 不同火源高度下隧道近火源区烟气温度分布(以B4、B3、B5工况为例)Fig.9 Smoke temperature distribution in the near field of fire source in cases of B4, B3 and B5 with different heights of fire source

图9给出了2个障碍物阻塞情况下，随着火源竖向高度的增大，隧道内的烟气温度分布情况。模拟1辆车辆着火，其上游1 m处有一辆车辆阻挡的情景。当着火车辆障碍物高度减半和接近地面着火时，相比于两个车辆障碍物同高时，火羽流倾斜明显减小，可见上游车辆障碍物的阻挡作用较大，纵向风速无法达到火源处致使火羽流倾斜度明显减小，烟气逆流长度有所增大。由图9分析可知，B4、B3、B5工况的烟气逆流长度分别为0.7 m、1.9 m、2.2 m。随着火源高度的增加，烟气逆流长度减小。此处得到的结论和1个障碍物阻塞的情况得到的结果相反。当上游车辆障碍物阻挡纵向风速致使无法到达火源处时，尽管火源高度升高的过程，顶棚烟气温度也逐渐升高，使得水平惯性力增大，但此组工况下，显然烟气逆流长度受纵向风速的影响更甚，因此表现出烟气逆流长度随火源高度的升高而减小。说明2个障碍物阻塞情况下，强制通风在烟气逆流中起主要控制作用。

3 结论

本文主要通过改变火源竖向高度来模拟车辆阻塞效应下隧道内烟气温度及逆流长度的变化规律。本文研究结果是在特定的模拟条件下得到的，对于其他的车辆尺寸或隧道尺寸是否适用有待进一步验证。本文研究结论如下：

两种阻塞效应下，顶棚温度随火源高度的升高而增大，但2个障碍物阻塞下的顶棚烟气温度要低于1个障碍物阻塞下的顶棚烟气温度。

随着隧道纵向风速的增加，烟气逆流长度逐渐减小。当烟气逆流长度较大时，较小的纵向风速增值就可以使得烟气逆流长度快速减小，而当烟气逆流长度较小时，需要较大的纵向风速增值才能使烟气逆流长度减小，这主要是由于靠近火源处火羽流的撞击顶棚后水平惯性力较大，而随着烟气在顶棚的水平运动，温度逐渐衰减，水平惯性力逐渐减小。

在有纵向通风的隧道中，烟气逆流长度主要受到水平惯性力和强制通风两个作用力的影响。不同的车辆阻塞效应对烟气逆流长度的影响不同。当1个车辆障碍物阻塞在车道中并着火时，烟气逆流长度随着火源高度的升高而增大。这主要是因为1个车辆障碍物阻塞下，随着火源高度的增大，水平惯性力的增值大于局部区域内强制通风的增值，水平惯性力在烟气逆流中起主要控制作用；当2个车辆障碍物阻塞在同一车道中，下游阻塞车辆障碍物为着火车辆时，烟气逆流长度随着火源高度的升高而减小。这主要是因为2个车辆障碍物阻塞下，随着火源高度的增大，水平惯性力的增值小于局部区域内强制通风的增值，强制通风在烟气逆流中起主要控制作用。

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Numerical study on smoke temperature and back-layering length in tunnel fires with vehicle blockage

FAN Menglin, LI Yuanzhou
(State Key Laboratory of Fire Science, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China)

Numerical simulation using FDS was conducted to systematically study the variation of smoke temperature beneath the tunnel ceiling and smoke back-layering length in tunnel fires with vehicle blockage, when the height of fire source and the longitudinal ventilation velocity were changed. Two blocked scenarios were considered: one fixed-size vehicle obstruction blocked and two fixed-size vehicle obstructions along the longitudinal tunnel blocked. The smoke temperature beneath ceiling shows the same variation trend in these two vehicular blockage cases: the temperature increases with the rise of the height of fire source. The temperature is measured lower with two vehicles blocked. However, the back-layering lengths have different trends in these two vehicular blockage cases. It is concluded that the higher the height of fire source is, the longer the back-layering length becomes with one vehicle blocked. The higher the height of fire source is, the shorter the back-layering length becomes with two vehicles blocked.

Vehicular blockage; Tunnel fire; Smoke temperature beneath the tunnel ceiling; Back-layering length

2016-05-22；修改日期：2017-01-16

范梦琳，女，浙江人，中国科学技术大学安全科学与工程硕士，研究方向为隧道火灾。

李元洲，E-mail:yzli@ustc.edu.cn

1004-5309(2017)-0029-08

10.3969/j.issn.1004-5309.2017.01.04

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