基于数值模拟的隧道火灾临界风速分析

郭晓杰， 方春平

(1.西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室， 四川成都 610031; 2. 西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031)

[定稿日期]2017-06-22

隧道作为一种特殊的构筑物，有其独特的工程优势，但是在发生火灾时，隧道结构的封闭性使得人员逃生较为困难，同时还会造成很大程度的附属结构设施损伤，从而带来巨大的经济损失和人员伤亡。以1999年的勃朗峰隧道火灾为例[1]，大火持续了48h，导致38人死亡，此外还有一名消防员殉职。而2014年发生在贵州贾托坡隧道的火灾则导致了上百万元的经济损失。这些火灾事故带来了惨重的损失，同时也说明了研究隧道火灾的重要性。

隧道结构较为特殊，发生火灾时，烟气会在风的作用下向四处扩散，如果风速设置不合理，会导致隧道内的烟气向火灾上游回流或者向下游快速大量扩散，从而加大了救援工作的难度，同时也不利于人员逃生。因此，火灾时的风速至关重要。火灾时恰好不会导致烟气向上回流的风速被称为临界风速，临界风速的研究和确定对于隧道火灾安全救援有着极为重要的意义。

本文基于CFD软件FLUENT进行数值模拟，建立了隧道三维模型，设定了不同的风速来计算烟气的回流情况，通过对比分析得出了该隧道在火灾下的临界风速。

1 CFD控制方程

燃烧是一个复杂的非定常的化学过程，涉及到物质的转变和能量的传导。因此如果按照实际燃烧来建立模型会使得计算工作的难度大大增加，必须对燃烧过程进行适度的简化，使得最终建立的模型既能在很大程度上反映出真实的燃烧情况又不会太过于复杂[2]。综合考虑之后，本论文采用面热源法来模拟隧道的火灾，即将火源等效为一个面，通过该火源面不断释放与火灾规模等效的气体来模拟火源的燃烧。同时，考虑到隧道内发生火灾时，高温环境下会存在浮升力效应，故而在数值模拟中采用Boussinesq模型[3]。

在CFD数值模拟中，计算模型选择RNGk-ε湍流模型，控制方程如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：Cμ=0.0845，C1=1.42，C2=1.68，αk=αε=1.393，η0=4.38，β=0.012。

2 模型建立

考虑到计算规模和计算机的配置，隧道计算模型选择长度为300 m，隧道模型的断面如图1所示，断面半径为6 m。数值模拟中考虑一辆小轿车在隧道中间位置发生火灾，火灾规模设为5 MW。

图1 隧道断面示意(单位：mm)

本论文采用ICEM CFD软件划分网格，网格选择六面体。由于在火源附近温度场和流场都会发生较为剧烈的变化，因此对火源处的网格进行加密处理。具体建模过程中，将模型分为三个流域，分别建模并对中间部分即火源附近网格进行加密。最终得到的网格总数约13万，其中中间部分约4.5万。

对于边界条件的设置，在隧道入口处采用进口速度边界，出口处则采用自由压力边界，隧道内的着火面为质量出流边界，隧道拱顶拱底均为绝热壁面，其他边界则设置为质量增强边界。固体材料设定为混凝土，各个流域之间通过INTERFACE连接，环境温度为15 ℃。

3 计算结果

ICEM CFD中网格划分结束之后，导入FLEUNT进行求解，分别求解了在隧道风速为1.8 m/s、1.9 m/s、2.0 m/s、2.1 m/s、2.2 m/s、2.3 m/s的情况下的壁面温度分布，监测了拱顶、间距为15 m、30 m、50 m、75 m、90 m断面及纵截面的温度分布，对计算结果进行分析得出相应结论。

3.1 临界风速分析

(1)当风速为1.8 m/s时，计算结果如图2、图3所示。

图2 风速为1.8 m/s时拱顶温度云图

图3 风速为1.8 m/s时各断面温度云图

(2) 当风速为2.0 m/s时，计算结果如图4、图5所示。

图4 风速为2.0 m/s时拱顶温度云图

图5 风速为2.0 m/s时各断面温度云图

(3)当风速为2.3 m/s时，计算结果如图6、图7所示。

图6 风速为2.3 m/s时拱顶温度云图

图7 风速为2.3 m/s时各断面温度云图

不同速度工况下的温度分布图总结如图8所示。计算结果表明，风速的不同对烟气的回流有着极大的影响。当风速为1.8 m/s时，烟气回流较大，几乎遍布隧道内火灾上下游，这对于救援工作的开展和隧道内人员的逃生都是极为不利的。随着风速的提高，烟气的回流开始减小；当风速设定为2.3 m/s烟气几乎不会向上游扩散，这表明在设定条件下，该隧道的火灾临界风速是2.3 m/s。

图8 不同速度工况下隧道壁面的温度分布云图

不同风速下的烟气回流长度如表1所示。从表中分析可知，烟气回流层长度随着通风速度的降低呈现出非线性增长的趋势。此外，下游的烟气层厚度随着风速的增大而增大。

表1 隧道烟气回流长度

3.2 速度矢量分析

选取两种风速作用下隧道内气流的速度矢量图见图9、图10。

图9 风速2.1 m/s时回流速度矢量

图10 风速2.2 m/s时回流速度矢量

由图9、图10可以看出，发生火灾时，火源面上方的气流速度最大，当气流到达拱顶时沿进风方向出现回流，回流的末端气流较为紊乱，且回流底端多处都有涡流出现。此外，计算结果表明，隧道内的通风速度越大，火源附近的烟气层厚度就越大。

4 结论

(1)当隧道内发生规模约为 5 MW 火灾时，火灾烟气控制的临界风速为 2.3 m/s。

(2)随着通风速度的提高，拱顶最高温度升高，烟气回流现象减少，回流层长度和厚度减小，回流底部的涡流也减少。

(3)在火灾下游，火源附近的断面烟气紊乱，之后随着断面与火源距离的增加，烟气分层愈加明显。

[1] 周勇, 杨林松. 公路隧道灾害事故分析及其风险评价[J]. 现代隧道技术, 2013,50(5): 18-28.

[2] 袁建平，方正，黄海峰，等. 水平隧道火灾通风纵向临界风速模型[J]. 土木建筑与环境工程, 2009, 31(6): 66-70.

[3] 王峰，董国海，王明年. 曲线隧道火灾烟气控制临界风速的研究[J]. 现代隧道技术, 2015, 52(5): 84-89.